三種速率以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的物理層編碼規(guī)則及以太網(wǎng)一致性測試方案

現(xiàn)實生活中，以太網(wǎng)可謂無處不在，而對它進(jìn)行測試與分析也是通信領(lǐng)域經(jīng)久不衰的話題。要想透徹掌握以太網(wǎng)測試要領(lǐng)，必須首先了解以太網(wǎng)物理層信號的基本特點?；诖?，本文將具體介紹三種速率以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的不同物理層編碼規(guī)則、完整測試涉及到的共性問題，以及基于力科示波器的以太網(wǎng)一致性測試方案。

1 物理層信號特點

以太網(wǎng)對應(yīng)OSI七層模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層的部分又分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和介質(zhì)訪問控制子層（MAC）。MAC與物理層連接的接口稱作介質(zhì)無關(guān)接口（MII）。物理層與實際物理介質(zhì)之間的接口稱作介質(zhì)相關(guān)接口（MDI）。在物理層中，又可以分為物理編碼子層（PCS）、物理介質(zhì)連接子層（PMA）、物理介質(zhì)相關(guān)子層（PMD）。根據(jù)介質(zhì)傳輸數(shù)據(jù)率的不同，以太網(wǎng)電接口可分為10Base-T，100Base-Tx和1000Base-T三種，分別對應(yīng)10Mbps，100Mbps和1000Mbps三種速率級別。不僅是速率的差異，同時由于采用了不同的物理層編碼規(guī)則而導(dǎo)致對應(yīng)的測試和分析方案也全然不同，各有各的章法。下面先就這三種類型以太網(wǎng)的物理層編碼規(guī)則做一分析。

1、1 10Base-T 編碼方法

10M以太網(wǎng)物理層信號傳輸使用曼徹斯特 編碼方法，即“0”=由“+”跳變到“-”，“1”=由“-”跳變到“+”，因為不論是”0”或是”1”，都有跳變，所以總體來說，信號是DC平衡的， 并且接收端很容易就能從信號的跳變周期中恢復(fù)時鐘進(jìn)而恢復(fù)出數(shù)據(jù)邏輯。

圖1 曼徹斯特編碼規(guī)則

1、2100Base-Tx 編碼方法

100Base-TX又稱為快速以太網(wǎng)，因為通常100Base-TX的PMD是使用CAT5線傳輸，按TIA/EIA-586-A定義只能達(dá)到100MHz，而當(dāng)PCS層將4Bit編譯成5Bit時，使100Mb/s數(shù)據(jù)流變成125Mb/s數(shù)據(jù)流，所以100Base-TX同時采用了MLT-3（三電平編碼）的信道編碼方法，目的是使MDI的5bit輸出的速率降低了。MLT-3定義只有數(shù)據(jù)是“1”時，數(shù)據(jù)信號狀態(tài)才跳變，“0”則保持狀態(tài)不變，以減低信號跳變的頻率，從而減低信號的頻率。

圖2 MLT-3編碼規(guī)則

100Base-Tx的MAC層在數(shù)據(jù)幀與幀之間，會插入IDEL幀（IDEL=11111），告訴網(wǎng)上所連接的終端，鏈路在閑置但正常的工作狀態(tài)中（按CSMA/CD，DTE數(shù)據(jù)終端機(jī)會檢測鏈路是否空閑，才會發(fā)送數(shù)據(jù)）。事實上鏈路絕大部分時間，以IDEL“11111”為主，5Bit IDLE“11111”若每個“1”都跳變的話，MDI信號的頻率將會是125MHz，但是經(jīng)過MLT-3編碼后，原來的125MHz變成31.25MHz的信號，使頻率變成原來的1/4。FCC要求以太網(wǎng)不能產(chǎn)生過大的EMI，因為鏈路絕大部分時間是傳輸IDEL，MLT-3編碼會使頻率集中在31.25MHz范圍，因此，在MLT-3編碼前，PCS層會對數(shù)據(jù)流進(jìn)行偽隨機(jī)的Scrambling擾碼，使“11111”分散，同時將能量與頻譜擴(kuò)散。

1、31000Base-T 以太網(wǎng)編碼方法

1000Base-T在物理層使用5電平4D-PAM編碼，每個電平表示5符號-2，-1，0，1，2中的一個符號，每個符號代表2比特信息（其中4電平中每個電平代表2比特位，分別表示00，01，10，11，還有一個電平表示前向糾錯碼FEC），這比二電平編碼提高了帶寬利用率，并能把波特率和所需信號帶寬減為原來的一半（125Mbps）。但多電平編碼需要用多位A/D，D/A轉(zhuǎn)換，采用更高的傳輸信噪比和更好的接收均衡性能。

五個符號與電平的映射關(guān)系為：-2-＞-1， -1-＞-0.5， 0-＞0， 1-＞0.5， 2-＞1。

圖3 4D-PAM編碼規(guī)則

1000Base-T采用了UTP里所有的4對線，并且同時收發(fā)，在全雙工的模式下，加上使用4D-PMA5編碼方法實現(xiàn)1000MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率。每對線的數(shù)據(jù)率為100Mb/s，經(jīng)8b/10b編碼后變?yōu)?25Mb/s。每個Baud波特碼元代表兩個比特的信息，4對線的總帶寬為

？ 125Mb/s x2 x4=1000Mb/s

所以，盡管是千兆速率，但實際上對示波器的帶寬要求只需能高保真采集125MHz信號即可，原因就是每對線上實際傳輸率是125Mbps。

2 測試參數(shù)說明

負(fù)責(zé)制定以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范的是IEEE學(xué)會下屬的802.3委員會，該規(guī)范的一部分內(nèi)容就是標(biāo)準(zhǔn)測試流程，包括需要分析的參數(shù)集、測試工具的使用、結(jié)果如何判定等，目的是保證世界上各個不同廠家生產(chǎn)的以太網(wǎng)產(chǎn)品能滿足“互操作性”。三種速率以太網(wǎng)物理層由于編碼方法不同，自然而然也就有完全不同的測試規(guī)程。下面逐一解釋標(biāo)準(zhǔn)測試集中各參數(shù)的具體含義。

2、1 10 Base-T測試項目

1 DOV Mask and Voltage Test（差分輸出電壓的模板以及電壓測試）

？ DOV Mask MAU Ext for external MAU testing （ MAC 模塊與PHY模塊分離情況下的差分輸出電壓模板測試）

？ DOV Mask MAU Ext Inv for external MAU testing of the negative-going pulses （ MAC 模塊與PHY模塊分離情況下的差分輸出電壓負(fù)脈沖模板測試）

？ DOV Mask MAU for internal MAU testing （ MAC 模塊與PHY模塊集成情況下的差分輸出電壓負(fù)脈沖模板測試）

？ DOV Mask MAU Inv for internal MAU testing of the negative-going pulses（ MAC 模塊與PHY模塊集成情況下的差分輸出電壓負(fù)脈沖模板測試）

2 Link Test Pulse Mask （鏈接脈沖測試）

？ Link Test Pulse head Mask （鏈接脈沖幀頭模板測試）

？ Link Test Pulse tail Mask （鏈接脈沖幀尾模板測試）

3 TP_IDL Mask Test （空閑信號模板測試）

？ TP_IDL Head Mask（空閑信號幀頭模板測試）

？ TP_IDL Tail Mask （空閑信號幀尾模板測試）

4 Output Timing Jitter （輸出抖動測試）

？ Output Timing Jitter 8 BT （觸發(fā)點后8 bit的抖動測試）

？ Output Timing Jitter 8 BT （觸發(fā)點后8.5 bit的抖動測試）

2、2 100Base-Tx測試項目

1 Mask Test （眼圖/模板測試）

2 Jitter（抖動測試）

3 Duty cycle distortion （占空比失真）

4 Amplitude， Symmetry， and Overshoot（信號幅度，對稱性，以及過沖測試）

5 Rise and Fall Time（信號上升，下降時間測試）

3 1000Base-Tx測試項目

測試模式1：模板測試、峰值電壓測試、衰落測試

模式1信號是由+2，然后接著127個0，-2，然后接著127個0，+1，然后接著127個0，-1，然后接著127個0，接著是128個+2，128個-2，128個+2，128個-2，最后是1024個0。

驗證的目的是：

？ 接口有否驅(qū)動足夠的能量將信號傳送100米距離。

？ 上升時間是否足夠快得以實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換

？ 接口有否發(fā)射過多的EMI，？ 超過FCC Class A的要求

？ 信號是否對稱，？ 即A與B，？ C與D是否對稱

圖4 模式1各點示意圖

4 對測試模式1信號的F點500nS后的G點以及H點500nS后的J點，測量他們的電壓驗證插入磁損耗是否過大。規(guī)范要求，G點的幅度需要大于73.1% F點的幅度，同樣J點的幅度需要大于73.1%H點的幅度。

5 測試模式2：主模式抖動

6 測試模式3：從模式抖動

7 測試模式4：波形失真測試、共模輸出電壓

3、測試配置

3、1 示波器的選擇

·10/100M 以太網(wǎng)電口測試

要求示波器帶寬高于400MHz，支持型號有力科WaveRunnerXi-A，WavePro7Zi，WaveMaster8Zi。

·1000M 以太網(wǎng)電口測試

每路數(shù)據(jù)線傳輸速率是125Mbps；

示波器主機(jī)帶寬至少為 1GHz；

支持型號包括 WaveRunner 104Xi-A，204Xi-A；WavePro7Zi，WaveMaster8 Zi。

3、2 測試夾具

測試夾具的主要功能是將雙絞線信號轉(zhuǎn)換成示波器能夠直接識別的探頭或通道信號。

力科為測試工程師提供的新型以太網(wǎng)測試夾具TF-ENET-B，具有優(yōu)勢特性包括：

·同時支持10/100/1000Mbps三種 以太網(wǎng)速率級別

·免探頭設(shè)計，只需使用SMA線纜，降低費(fèi)用，操作便利

·高信號質(zhì)量轉(zhuǎn)發(fā)，支持全部以太網(wǎng)測試項目

圖5 無需探頭的TF-ENET-B測試夾具

3、3 測試激勵生成

802.3標(biāo)準(zhǔn)委員會規(guī)定，完全測試以太網(wǎng)必須DUT（被測設(shè)備）發(fā)出專門的測試報文，物理層PHY芯片內(nèi)部都有測試寄存器。底層驅(qū)動設(shè)計工程師通過編程置位此寄存器，PHY芯片就會向UTP線路上發(fā)出特定的測試序列報文。有些廠商，比如Intel和Realtek公司提供高層應(yīng)用軟件，允許測試人員能夠直接操作以Intel（或RealTek）以太網(wǎng)芯片為核心處理單元的網(wǎng)卡，并驅(qū)動該網(wǎng)卡發(fā)送特定測試序列報文到雙絞線，示波器采集這種測試序列并加以后處理與分析！

4. 力科以太網(wǎng)物理層測試方案

力科的以太網(wǎng)物理層信號測試和分析解決方案包括全系列帶寬的數(shù)字示波器、串行數(shù)據(jù)分析儀、測試夾具和功能強(qiáng)大、易于使用的QualiPHY軟件包，其具有的優(yōu)勢特性包括：

4.1、用戶可定制測量項目

完整的一致性測試包含十幾個甚至幾十個項目，但不是每次測試都要遍歷全部項目。

圖6 100Base-Tx測試項目定制窗口

QualiPHY軟件支持用戶可定制化測試項目，可以選擇單個或多個項目分別測試，從而大大提高了靈活性。圖5描述的是100Base-T測試項目定制窗口。

4.2、 自動化測試

根據(jù)選擇好的測試項目，QualiPHY隨即展開一系列自動化測試過程：自動設(shè)置示波器工作參數(shù)包括采樣率、存儲深度、采集時間、縱軸刻度、觸發(fā)電平等；自動定義測量參數(shù)；自動調(diào)用第三方軟件如Matlab對波形運(yùn)算，自動分析波形和測量結(jié)果，自動輸出分析結(jié)果，整個測試過程完全是自動化的，無需任何人工干預(yù)。在測試過程中會同步顯示測試狀態(tài)和過程提示。

4.3、圖表化提示

QualiPHY軟件的用戶界面設(shè)計非常人性化和直觀實用，它會以圖表化的方式顯示出一致性測試的每個環(huán)節(jié)中測試夾具、示波器主機(jī)和DUT三者之間的拓?fù)潢P(guān)系，使用者無需記憶，就能正確設(shè)置測試環(huán)境。下圖7清晰 顯示了100Base-T測試中的夾具、DUT和示波器連接關(guān)系。

圖7 100Base-T測試連接示意圖

4.4、自動分析測量數(shù)據(jù)

示波器采集波形并按規(guī)程測量參數(shù)后，QualiPHY軟件會自動將其與標(biāo)準(zhǔn)值做對比，并輸出此參數(shù)通過或失敗的結(jié)論。下圖8展示了QualiPHY軟件包對上升時間分析的結(jié)果，實際測量值為4.323ns，802.3標(biāo)準(zhǔn)合格范圍是3ns到5ns，顯然此參數(shù)測試通過。

圖8 QualiPHY自動分析上升時間

4.6、自動輸出報告

QualiPHY軟件在完成所有指定項目的測量和分析任務(wù)后，會自動生成美觀、實用、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的測試報告，如圖9所示，報告格式可以選擇是XML、HTML或PDF格式。節(jié)省了編寫測試報告的時間，工程師就可以把更多精力放在產(chǎn)品設(shè)計上，而不是測試上。

圖9 QualiPHY軟件自動生成100Base-T一致性測試報告

5、結(jié)束語

美國力科公司推出的QualiPHY自動化一致性測試軟件，運(yùn)行在中高端數(shù)字示波器或串行數(shù)據(jù)分析儀上，針對以太網(wǎng)物理層 一致性測試的流程特點，提供了易用操作和人性化的操作界面，全面而豐富的軟件功能，有效降低了工程師操作儀器的復(fù)雜度，提高了測試效率，從而使得一致性測試成為一件

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