以太网物理层信号测试与分析

      摘要：现实生活中，以太网可谓无处不在，而对它进行测试与分析也是通信领域经久不衰的话题。要想透彻掌握以太网测试要领，必须首先了解以太网物理层信号的基本特点。基于此，本文将具体介绍三种速率以太网标准的不同物理层编码规则、完整测试涉及到的共性问题，以及基于力科示波器的以太网一致性测试方案。

      1 物理层信号特点

      以太网对应OSI七层模型的数据链路层和物理层，对应数据链路层的部分又分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。MAC与物理层连接的接口称作介质无关接口（MII）。物理层与实际物理介质之间的接口称作介质相关接口（MDI）。在物理层中，又可以分为物理编码子层（PCS）、物理介质连接子层（PMA）、物理介质相关子层（PMD）。根据介质传输数据率的不同，以太网电接口可分为10Base-T，100Base-Tx和1000Base-T三种，分别对应10Mbps，100Mbps和1000Mbps三种速率级别。不仅是速率的差异，同时由于采用了不同的物理层编码规则而导致对应的测试和分析方案也全然不同，各有各的章法。下面先就这三种类型以太网的物理层编码规则做一分析。

      1、1 10Base-T 编码方法

      10M以太网物理层信号传输使用曼彻斯特 编码方法，即“0”=由“+”跳变到“-”，“1”=由“-”跳变到“+”,因为不论是”0”或是”1”,都有跳变,所以总体来说,信号是DC平衡的, 并且接收端很容易就能从信号的跳变周期中恢复时钟进而恢复出数据逻辑。

      图1 曼彻斯特编码规则

      1、2100Base-Tx 编码方法

      100Base-TX又称为快速以太网，因为通常100Base-TX的PMD是使用CAT5线传输，按TIA/EIA-586-A定义只能达到100MHz，而当PCS层将4Bit编译成5Bit时，使100Mb/s数据流变成125Mb/s数据流，所以100Base-TX同时采用了MLT-3（三电平编码）的信道编码方法，目的是使MDI的5bit输出的速率降低了。MLT-3定义只有数据是“1”时，数据信号状态才跳变，“0”则保持状态不变，以减低信号跳变的频率，从而减低信号的频率。

      图2 MLT-3编码规则

      100Base-Tx的MAC层在数据帧与帧之间，会插入IDEL帧（IDEL=11111），告诉网上所连接的终端，链路在闲置但正常的工作状态中（按CSMA/CD，DTE数据终端机会检测链路是否空闲，才会发送数据）。事实上链路绝大部分时间，以IDEL“11111”为主，5Bit IDLE“11111”若每个“1”都跳变的话，MDI信号的频率将会是125MHz，但是经过MLT-3编码后，原来的125MHz变成31.25MHz的信号，使频率变成原来的1/4。FCC要求以太网不能产生过大的EMI，因为链路绝大部分时间是传输IDEL，MLT-3编码会使频率集中在31.25MHz范围，因此，在MLT-3编码前，PCS层会对数据流进行伪随机的Scrambling扰码，使“11111”分散，同时将能量与频谱扩散。

      1、31000Base-T 以太网编码方法

      1000Base-T在物理层使用5电平4D-PAM编码，每个电平表示5符号-2,-1,0,1,2中的一个符号，每个符号代表2比特信息(其中4电平中每个电平代表2比特位,分别表示00，01，10，11，还有一个电平表示前向纠错码FEC)，这比二电平编码提高了带宽利用率，并能把波特率和所需信号带宽减为原来的一半（125Mbps）。但多电平编码需要用多位A/D，D/A转换，采用更高的传输信噪比和更好的接收均衡性能。

      五个符号与电平的映射关系为:-2->-1, -1->-0.5, 0->0, 1->0.5, 2->1。

      图3 4D-PAM编码规则

      1000Base-T采用了UTP里所有的4对线，并且同时收发，在全双工的模式下，加上使用4D-PMA5编码方法实现1000MB/s的数据传输率。每对线的数据率为100Mb/s，经8b/10b编码后变为125Mb/s。每个Baud波特码元代表两个比特的信息，4对线的总带宽为

      • 125Mb/s x2 x4=1000Mb/s [page]

      所以，尽管是千兆速率，但实际上对示波器的带宽要求只需能高保真采集125MHz信号即可，原因就是每对线上实际传输率是125Mbps。

       2 测试参数说明

      负责制定以太网标准化规范的是IEEE学会下属的802.3委员会，该规范的一部分内容就是标准测试流程，包括需要分析的参数集、测试工具的使用、结果如何判定等，目的是保证世界上各个不同厂家生产的以太网产品能满足“互操作性”。三种速率以太网物理层由于编码方法不同，自然而然也就有完全不同的测试规程。下面逐一解释标准测试集中各参数的具体含义。

      2、1 10 Base-T测试项目

      1 DOV Mask and Voltage Test（差分输出电压的模板以及电压测试）

      • DOV Mask MAU Ext for external MAU testing ( MAC 模块与PHY模块分离情况下的差分输出电压模板测试）
      • DOV Mask MAU Ext Inv for external MAU testing of the negative-going pulses ( MAC 模块与PHY模块分离情况下的差分输出电压负脉冲模板测试）
      • DOV Mask MAU for internal MAU testing ( MAC 模块与PHY模块集成情况下的差分输出电压负脉冲模板测试）
      • DOV Mask MAU Inv for internal MAU testing of the negative-going pulses( MAC 模块与PHY模块集成情况下的差分输出电压负脉冲模板测试）

      2 Link Test Pulse Mask (链接脉冲测试)

      • Link Test Pulse head Mask （链接脉冲帧头模板测试）
      • Link Test Pulse tail Mask （链接脉冲帧尾模板测试）

      3 TP_IDL Mask Test （空闲信号模板测试）

      • TP_IDL Head Mask(空闲信号帧头模板测试）
      • TP_IDL Tail Mask (空闲信号帧尾模板测试）

      4 Output Timing Jitter (输出抖动测试)

      • Output Timing Jitter 8 BT （触发点后8 bit的抖动测试）
      • Output Timing Jitter 8 BT （触发点后8.5 bit的抖动测试）

      2、2 100Base-Tx测试项目

      1 Mask Test (眼图/模板测试）
      2 Jitter（抖动测试）
      3 Duty cycle distortion （占空比失真）
      4 Amplitude, Symmetry, and Overshoot（信号幅度，对称性，以及过冲测试）
      5 Rise and Fall Time（信号上升，下降时间测试）

      3 1000Base-Tx测试项目

      测试模式1：模板测试、峰值电压测试、衰落测试

      模式1信号是由+2，然后接着127个0，-2，然后接着127个0，+1，然后接着127个0，-1，然后接着127个0，接着是128个+2，128个-2，128个+2，128个-2，最后是1024个0。
验证的目的是：

   接口有否驱动足够的能量将信号传送100米距离。
   上升时间是否足够快得以实现快速的数据交换
   接口有否发射过多的EMI， 超过FCC Class A的要求
   信号是否对称， 即A与B， C与D是否对称

      图4 模式1各点示意图

      4 对测试模式1信号的F点500nS后的G点以及H点500nS后的J点，测量他们的电压验证插入磁损耗是否过大。规范要求，G点的幅度需要大于73.1% F点的幅度，同样J点的幅度需要大于73.1%H点的幅度。
      5 测试模式2：主模式抖动
      6 测试模式3：从模式抖动
      7 测试模式4：波形失真测试、共模输出电压

      3、测试配置

      3、1 示波器的选择

      ·10/100M 以太网电口测试

      要求示波器带宽高于400MHz，支持型号有力科WaveRunnerXi-A，WavePro7Zi，WaveMaster8Zi。

      ·1000M 以太网电口测试

      每路数据线传输速率是125Mbps；
示波器主机带宽至少为 1GHz；
支持型号包括 WaveRunner 104Xi-A,204Xi-A；WavePro7Zi，WaveMaster8 Zi。

      3、2 测试夹具

      测试夹具的主要功能是将双绞线信号转换成示波器能够直接识别的探头或通道信号。

力科为测试工程师提供的新型以太网测试夹具TF-ENET-B,具有优势特性包括：

      ·同时支持10/100/1000Mbps三种 以太网速率级别
      ·免探头设计，只需使用SMA线缆，降低费用，操作便利
      ·高信号质量转发，支持全部以太网测试项目

 
      图5 无需探头的TF-ENET-B测试夹具

      3、3 测试激励生成

      802.3标准委员会规定，完全测试以太网必须DUT(被测设备)发出专门的测试报文，物理层PHY芯片内部都有测试寄存器。底层驱动设计工程师通过编程置位此寄存器，PHY芯片就会向UTP线路上发出特定的测试序列报文。有些厂商，比如Intel和Realtek公司提供高层应用软件，允许测试人员能够直接操作以Intel(或RealTek)以太网芯片为核心处理单元的网卡，并驱动该网卡发送特定测试序列报文到双绞线，示波器采集这种测试序列并加以后处理与分析！

      4. 力科以太网物理层测试方案

      力科的以太网物理层信号测试和分析解决方案包括全系列带宽的数字示波器、串行数据分析仪、测试夹具和功能强大、易于使用的QualiPHY软件包，其具有的优势特性包括：

      4.1、用户可定制测量项目

      完整的一致性测试包含十几个甚至几十个项目，但不是每次测试都要遍历全部项目。

      图6 100Base-Tx测试项目定制窗口

      QualiPHY软件支持用户可定制化测试项目，可以选择单个或多个项目分别测试，从而大大提高了灵活性。图5描述的是100Base-T测试项目定制窗口。 [page]

      4.2、 自动化测试

      根据选择好的测试项目，QualiPHY随即展开一系列自动化测试过程：自动设置示波器工作参数包括采样率、存储深度、采集时间、纵轴刻度、触发电平等；自动定义测量参数；自动调用第三方软件如Matlab对波形运算，自动分析波形和测量结果，自动输出分析结果，整个测试过程完全是自动化的，无需任何人工干预。在测试过程中会同步显示测试状态和过程提示。

      4.3、图表化提示

      QualiPHY软件的用户界面设计非常人性化和直观实用，它会以图表化的方式显示出一致性测试的每个环节中测试夹具、示波器主机和DUT三者之间的拓扑关系，使用者无需记忆，就能正确设置测试环境。下图7清晰 显示了100Base-T测试中的夹具、DUT和示波器连接关系。

      图7 100Base-T测试连接示意图

      4.4、自动分析测量数据

      示波器采集波形并按规程测量参数后，QualiPHY软件会自动将其与标准值做对比，并输出此参数通过或失败的结论。下图8展示了QualiPHY软件包对上升时间分析的结果，实际测量值为4.323ns，802.3标准合格范围是3ns到5ns，显然此参数测试通过。

      图8 QualiPHY自动分析上升时间

      4.6、自动输出报告

      QualiPHY软件在完成所有指定项目的测量和分析任务后，会自动生成美观、实用、符合标准规范的测试报告，如图9所示，报告格式可以选择是XML、HTML或PDF格式。节省了编写测试报告的时间，工程师就可以把更多精力放在产品设计上，而不是测试上。

      图9 QualiPHY软件自动生成100Base-T一致性测试报告

      5、结束语
     
      美国力科公司推出的QualiPHY自动化一致性测试软件，运行在中高端数字示波器或串行数据分析仪上，针对以太网物理层 一致性测试的流程特点，提供了易用操作和人性化的操作界面，全面而丰富的软件功能，有效降低了工程师操作仪器的复杂度，提高了测试效率，从而使得一致性测试成为一件非常有趣的工作，而非枯燥无味的任务。