关于以太网物理层一致性分析测试方案
关于以太网物理层一致性分析测试方案
简介
以太网是当前最普遍的一种计算机网络。它诞生于1973年，由Robert Metcalf和他在Xerox PARC的同事们一起研究如何将Xerox Altos工作站及其他工作站、服务器及激光打印机互联而开发出的一种网络连接技术。后续经过演化，由IEEE802.3标准制定了以太网的技术规范，并经过多年发展，从最初的10M速率发展至100Mbps、1000Mbps乃至10Gbps，传输介质也由最初的同轴线，发展采用双绞线（屏蔽/非屏蔽）、光纤（单模/多模）等多种传输载体。
表格1以太网速率发展
本测试方案介绍100Mbps快速以太网及1000Mbps千兆以太网的信号质量一致性测试内容及测试方案，提供给工程师一种高效快捷的测试手段，提升产品开发及测试效率。
1.100Base-Tx及1000Base-T介绍
1.1.100Base-Tx及1000Base-T连接器及管脚定义
100Base-Tx和1000Base-T均使用双绞线介质和RJ45连接器（有时称为水晶头）作为数据传输的以太网标准。由于其布线简单，成本低廉，使用方便，目前是使用最为广泛的以太网技术（标准中的T是指TwistedPair，即双绞线；Tx指使用2对双绞线，一对用于接收数据，一对用于传输数据）。
表格2RJ45连接器（水晶头）管脚定义
图1RJ45连接器及交叉线（左）直通型（右）管脚示例
1.2.100Base-Tx物理层
100Base-Tx物理层分为PCS（PhysicalCodingSublayer，物理编码子层）、PMA（PhysicalMediumAttachment，物理介质附加）及PMD（PhysicalMediumDependent，物理介质相关子层）。
图21/10/100Mbps不同速率的物理层介绍
其中PCS负责编码：PCS通过MII接口接收100Mbps的码流，将每4bit数据编译成5bit（即4B/5B变换）。因此，100Base-Tx接口在外部测出的速率是125Mbps，一个UI是8ns。PMA对信号进行调整，采用MLT-3电平调制（因此100Base-Tx接口信号有三个电平），编码遵循NRZ形式。
100Base-Tx接口信号逢“1”产生电平跳变，逢“0”时信号保持不变。此外，为了防止连续的“1”对EMI的抑制不利，连续过多的“0”导致过多直流成分，100Base-Tx编码中还加入了扰码（Scrambling），传输数据最最多出现12个“0”。
图3MLT-3电平调制及NRZ编码
1.3.1000Base-T物理层
1000Base-T物理层与100Base-Tx类似，由PCS（PhysicalCodingSublayer，物理编码子层）、PMA（PhysicalMediumAttachment，物理介质附加）及AUTONEG组成。
图41000Mbps物理层介绍
不同的是，PCS采用的是4D-PAM5编码方式，即使用4对线，5个电平对信号进行传输。每对线的传输速度与100Base-Tx一样为125Mbps；每2bit转为1Baud传输，即每个UI可以传输2bit信息。4*125Mbps*2bit=1000Mbps实现1000Mbps的传输速度。
图51000Base-T拓扑
总结100Base-Tx及1000Base-T的异同点：相同点：
均为差分信号传输；
使用RJ-45连接器，使用5类线；
每对线的传输的信号速率为125M，每个UI均为8ns不同点：
编码方式不同，100Base-Tx使用MLT-3，信号有3个电平；1000Base-T使用4D-PAM5，信号有5个电平，因此测试模板不同；
测试负载不同
2.100Base-Tx快速以太网测试
100Base-Tx信号质量测试用到的主要工具是数字示波器，在测试过程中，还需搭配合规的探头、线缆以及测试夹具，具体的测试设备要求将在后文中进行详细说明。
RIGOL以太网一致性测试软件将测试过程自动化，方便工程师高效准确地进行一致性测试。图6即为在RIGOLDS70000系列数字示波器上运行的以太网一致性测试软件。
图6RIGOLDS70000LAN一致性测试软件100Base-Tx发射机测试项包括：
其他测试项目（本方案不涉及）：MDI回波损耗测试（含发射及接收），接收机测试（误码率测试），高级测试（共模抑制，变压器衰减，输入阻抗）。
2.1.100Base-Tx眼图/模板测试
眼图/模板测试是以太网测试中最常用的工具，可以快速判断100Base-Tx的信号质量，以1个UI（8ns）进行切分，进行多次叠加，得到信号的眼图。对于在模板通过区域内的信号予以判定通过（Passes），对于超出通过区域外，“压模”的信号判定为失败（Failure）。
图7规范要求的100Base-Tx眼图模板
2.2.100Base-Tx抖动测试
抖动测试主要是对因占空比失真及基线漂移所引起的总传输抖动进行测量。通过对眼图中测量交叉点建立分布直方图并进行累加统计，推导出峰峰值抖动。由于波形是一个三电平信号，因此正向及负向的交叉点均需测试。根据规范要求，正向抖动（+ve）及负向抖动（-ve）的范围为≤1.4ns。
2.3.100Base-Tx占空比失真测试
占空比失真测试在Vout/2点测量信号正脉宽及在-Vout/2点测量信号负脉宽获取。通过产生01010101NRZbit流，得到稳定变化的波形，每个正负脉宽理论为16ns，规范允许的误差范围是±0.25ns。
图8占空比失真测试波形及误差范围
2.4.100Base-Tx幅度测试
100Base-Tx幅度测试包含峰值幅度，过冲测试及幅度对称性。根据规范要求，屏蔽双绞线STP差分信号输出电压应在1165mV~1285mV范围内，UTP非屏蔽双绞线差分信号输出电压应在950mV~1050mV范围内。过冲定义为差分信号的百分比偏移，需要被测设备发出包含14bit宽度的波形信号。
该波形每个电平所持续宽度为14bit（14bit*8ns/bit=112ns），波形幅度峰峰值约2倍的Vout。过冲测量需要在正脉冲和负脉冲中分别进行。如下图所示，信号过冲不允许超过5%的信号输出幅度值(≤5%Vout）。信号幅度的对称性要求计算平均正幅值和负幅值的比值，根据规范要求这个比值也应该在0.98
图9幅度测试规范-峰值电压、过冲及对称性
2.5.100Base-Tx上升时间、下降时间及对称性
100Base-Tx的规范要求上升及下降时间是测量差分输出电压的10%-90%范围的时间，即测量结果应在3ns~5ns范围内。对于对称性，在所有测量的上升沿时间或下降沿时间的**值与最小值差异必须小于0.5ns。
图10上升时间和下降时间要求及对称性要求
2.6.百兆以太网信号质量测试实际结果展示
在实际测试过程中，需要通使开发板产生快速百兆以太网信号进行测试。DS70000的100Base-Tx一致性测试分析截图如图11所示，包含了各个测试项，并注明了每个测试项对应的合规指标范围以及实测的值，通过对比将测试结果显示在最后一列，当测试项满足标准时，显示结果为Passes，否则会显示Failure。
图11100Base-Tx信号质量实测结果
图12100Base-Tx信号眼图实测结果
图13100Base-Tx信号抖动分析实测结果
3.1000Base-T千兆以太网测试
1000Base-T速度上比100Base-Tx增加了10倍的数据传输率，拓展了网络带宽，支持实时需要大量带宽的应用，更广泛的适用于金融、商业、教育和政府机关等行业。由于1000Base-T信号的复杂性，在IEEE802.3ab规范中定义了4个测试模式来测试千兆以太网物理层一致性。
1000Base-T信号质量测试用到的主要工具是数字示波器，在测试过程中，还需搭配合规的探头、线缆以及测试夹具，具体的测试设备要求将在后文中进行详细说明。图14即为在RIGOLDS70000系列数字示波器上运行的以太网一致性测试软件。
图14RIGOLDS70000LAN一致性测试软件
根据IEEE802.3标准对1000BASE-T物理层一致性测试的规定，被测设备需要在标准规定的四种测试模式下进行一系列一致性测试：
3.1.测试模式1
1000Base-T接口通过发出测试模式1的信号，来完成关于模板测试、峰值电压测试及衰落测试。测试模式1的信号组成如下图所示，包含A点（编码+2后接127个0）、B点（编码-2后接127个0）、C点（编码+1后接127个0）、D点（编码-1后接127个0）、E/H点（128个编码+2）、F/K点（128个编码-2）及M点（1024个编码0）。该模式验证的目的：
验证接口是否能有足够的功率将信号传输100米距离
上升时间是否足够快，实现数据交互
信号是否对称
图15测试模式1信号波形
峰值测试与衰落测试规范要求：
A点和B点波形峰值的绝对值应落在0.67V至0.82V(0.75V±0.83dB)的范围内
B点波形峰值绝对值与A、B点波形峰值绝对值的平均值相差不超过1%
C和D点波形峰值的绝对值与A和B点波形峰值绝对值平均值的0.5倍之间的差异应小于2%。
G点波形负峰值幅度应大于F点波形负峰值幅度的73.1%（G点位于F点后500ns，F为最小值点）
J点波形负峰值幅度应大于H点波形负峰值幅度的73.1%（J点位于H点后500ns，H为**值点）
对A、B、C、D点周围电压波形进行归一化处理后，使用以下模板进行测试，确认信号是否满足模板测试要求。
图16A/B/C/D点波形归一化后的测试模板
对F、H点周围电压波形，经过归一化处理后，使用如下模板进行测试，确认是否满足模板测试要求。
图17F/H点波形归一化后的测试模板
3.2.测试模式2、3
1000Base-T接口通过发出测试模式2、3的波形信号（如图18，来完成关于主模式抖动测试及从模式抖动测试。
图18测试模式2或3的波形
表格3主/模式抖动测试要求
3.3.测试模式4
1000Base-T接口通过发出测试模式4的波形信号（如图19），并使用发射机测试夹具，观察MDI差分信号输出。峰值失真是通过在任意相位以符号对差分信号输出进行采样并使用协会提供的代码或等效代码处理任何2047个连续样本的块来确定的。如果眼图张开内至少试。
图19测试模拟4的波形
3.4.千兆以太网信号质量测试实际结果展示
在实际测试过程中，需要通过软件控制千兆以太网端口发送测试信号。以使用MicrochipKSZ9031RNX-EVALBoard开发板产生以太网信号为例，需在PC上安装以太网开发板驱动软件CDM21228_Setup.exe，安装成功后打开mdioConfig配置工具，输入配置指令使端口输出快速百兆以太网/千兆以太网标准测试信号进行测试。
DS70000的1000Base-T一致性测试分析截图如图20所示。图20显示的是1000Base-T一致性分析关于模板测试、峰值电压测试及衰落测试的结果，包含了模式一的各个测试项，各个测试项对应的合规指标范围以及实测的值，通过对比将测试结果显示在最后一列，本次测试的是一个标准的千兆以太网信号，所以各个测试项均满足标准，显示结果为Passes，否则会显示Failure。
图20使用DS70000系列数字示波器执行1000Base-T信号质量测试
图21DS700001000Base-T模式一测试结果报告
RIGOL以太网一致性测试软件DS70000-ENETC除了直接向工程师提供测量结果外，会将结果与规范限值进行比较，得到通过或失败的结论；并且给出模板测试的对比结果供工程师参考。
此外，测试结果和数据支持导出成HTML文件报告，报告中记录完整的测试数据、数据、仪器序列号、测试时间等关键信息，并可存储在机器内部或导出至U盘，方便与客户或供应商进行分享。
在完成测试准备及连线后，依靠强大的硬件加速计算及数据处理能力，进行信号质量一致性测试时间将在数秒钟之内完成，极大提升测试效率。
4.以太网信号质量测试仪器要求
图221000Base-T一致性测试带干扰模式一连线图1000Base-T信号质量测试设备推荐:
表格41000Base-T信号质量测试设备配置方案
100Base-Tx信号质量测试设备推荐:
表格5100Base-Tx信号质量测试设备配置方案
5.选择100Base-Tx及1000Base-T信号质
量测试工具由于100Base-Tx及1000Base-Tx分别采用MLT-3及4D-PAM5编码方式，实际每对差分线信号速率为125Mbps，依据IEEE802.3及ANSIX3.263-1995的要求，推荐示波器带宽为≥1GHz。RIGOL DS70000系列示波器最高达到5GHz带宽，最高20GSa/s的实时采样率，**2Gpts存储深度，可以满足测试需求。
图23DS70000系列数字示波器
按规范要求，在千兆以太网模式一测试时需要加入幅度为±2.8V的频率为31.25MHz的正弦波作干扰信号，模仿MDI信号传输时受邻道干扰的受压状况。
按规范要求这正弦波的频率为准确的31.25MHz，即其高阶谐波的幅度要比其基波幅度少至少40dB。对于函数/任意波形发生器，应当符合规范要求，带宽达到50MHz，幅度范围达到10Vpp。RIGOL的DG5000系列函数/任意波形发生器可以满足测试要求。
图24DG5000系列函数/任意波形发生器
除数字示波器和函数/任意波形发生器以外，还需要其他附件，例如高速有源差分探头和有源单端探头，信号质量测试夹具等。差分探头的带宽要求大于1.5GHz，RIGOL提供了满足测试要求的探头附件来完成100Base-Tx及1000Base-T的信号质量测试，包含高速有源差分探头（PVA7000，PVA8000系列），高速单端有源探头（RP7000S系列）等。
图25PVA8000系列有源差分探头
夹具TF-ENET-STP用于1000Base-T和100Base-Tx以太网一致性测试。由于以太网信号属于高速信号，所以不能使用探头直接测量处于工作状态的以太网线缆，必须在信号末端的端接电阻处做测量，因此使用测试夹具进行以太网一致性测试。夹具TF-ENET-STP包括TC2、TC3、TC4、TC5四个部分，分别用于不同的测试项目。
图26以太网一致性测试夹具TF-ENET-STP
6.总结
随着以太网技术的发展，千兆以太网是目前网络传输速度最快的技术之一，对千兆以太网相关产品进行测试，以保证产品的操作性和可靠性，是当代多数设备制造商面临的挑战。高速网络的测试难度、测试设备的复杂性、不断变化的标准和技术，给测试人员带来了新的挑战。
RIGOL提供了一套完善的工具，包括数字示波器、干扰源、专业的测试夹具和探头以及全自动一致性测试软件，使得设计人员能够高效精确地进行100Base-Tx和1000Base-T以太网一致性分析。
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