快速以太網(wǎng)100Base-TX-PMD電氣特性測(cè)試

1、一、快速以太網(wǎng)100Base-TX的PMD測(cè)試意義 在通常的應(yīng)用環(huán)境下，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)差錯(cuò)不容易在應(yīng)用中表現(xiàn)出來(lái)，而是被底層的差錯(cuò)控制機(jī)制自動(dòng)校正。以太網(wǎng)傳輸質(zhì)量的好與壞，至多是影響網(wǎng)絡(luò)的效率，而在共享帶寬的環(huán)境下，這種效率的變化是不容易被一般用戶感知到的。但是在特定的場(chǎng)合，例如雙絞線長(zhǎng)度接近極限距離100m，或者線路負(fù)載接近端口標(biāo)稱的100Mbit/s，此時(shí)物理層的差錯(cuò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量就會(huì)產(chǎn)生比較關(guān)鍵的影響了?？梢哉f(shuō)，100Base-TX接口的物理特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響在越是關(guān)鍵的時(shí)刻越起著重要的作用，應(yīng)該得到廣泛的關(guān)注和重視。 二、快速以太網(wǎng)100Base-TX的分層模型 以太網(wǎng)對(duì)應(yīng)OSI七層

2、模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層的部分又分為邏輯鏈路控制子層和介質(zhì)訪問控制子層。介質(zhì)訪問控制子層與物理層連接的接口稱作介質(zhì)無(wú)關(guān)接口（MII）。物理層與實(shí)際物理介質(zhì)之間的接口稱作介質(zhì)相關(guān)接口（MDI）。對(duì)于10/100BaseTX來(lái)說(shuō)，需要協(xié)調(diào)子層（RS）將MAC層的業(yè)務(wù)定義映射成MII接口的信號(hào)。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）。PCS子層的主要功能是4B/5B編解碼、碰撞檢測(cè)和并串轉(zhuǎn)換；PMA子層完成鏈路監(jiān)測(cè)、載波檢測(cè)、NRZI編譯碼和發(fā)送時(shí)鐘合成、接收時(shí)鐘恢復(fù)的功能。100Base-TX的PMD子層采用ANSIX3

3、.263規(guī)定的TP-PMD規(guī)范為基礎(chǔ)修改而成，完成數(shù)據(jù)流的擾碼、解擾，MLT-3編解碼，發(fā)送信號(hào)波形發(fā)生和雙絞線驅(qū)動(dòng)，接收信號(hào)自適應(yīng)均衡和基線漂移校正。具體分層模型如圖1所示。100Base-TX分層模型三、快速以太網(wǎng)100Base-TXPMD子層的內(nèi)部結(jié)構(gòu) PMD子層與物理介質(zhì)直接相連的是信號(hào)發(fā)送器、信號(hào)接收器和信號(hào)檢測(cè)模塊。PMD子層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。信號(hào)檢測(cè)模塊為PMA子層的功能提供支持。信號(hào)發(fā)送和接收器之上是MLT-3的編解碼模塊。MLT-3是“多電平傳輸-3電平”的縮寫，它是一種雙極性的編碼（+V、0、-V），信號(hào)可以在相鄰兩電平之間躍變，在數(shù)據(jù)位對(duì)應(yīng)時(shí)間有躍變沿表示“1”，無(wú)躍

4、變沿表示“0”。使用MLT-3編碼可以使信號(hào)相對(duì)于NRZI編碼的頻譜由70MHz降低至30MHz，從而不要求更高帶寬的傳輸介質(zhì)。PMD子層的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在MLT-3編解碼模塊之上是數(shù)據(jù)流加解擾模塊。重復(fù)的數(shù)據(jù)流會(huì)導(dǎo)致線路信號(hào)的功率譜密度分布不均勻，而利用擾碼技術(shù)可以抑制不連續(xù)的頻譜分量，使輸出信號(hào)有均勻的功率分布，從而改善發(fā)送性能。擾碼模塊之上是NRZI和NRZ碼轉(zhuǎn)換模塊。對(duì)100M接口來(lái)說(shuō)，不用10M接口的NRZI碼，而用MLT-3碼，因此需要將PMA子層提供的NRZI碼轉(zhuǎn)換為NRZ碼提供給MLT-3編解碼器。四、局域網(wǎng)各層對(duì)數(shù)據(jù)差錯(cuò)的控制1.物理介質(zhì) 100Base-TX的物理介質(zhì)是五類UT

5、P電纜，其長(zhǎng)度要求在100m以內(nèi)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，大部分的場(chǎng)合并不會(huì)利用到極限的長(zhǎng)度。較短的電纜產(chǎn)生較小的信號(hào)衰減和干擾，數(shù)據(jù)差錯(cuò)的可能性因此得以降低很多。2.物理層 100Base-TX采用的4B/5B編碼增加了數(shù)據(jù)的冗余度，對(duì)預(yù)定義數(shù)據(jù)和控制碼字以外的碼字被認(rèn)為是非法數(shù)據(jù)剔出。PMD接收器的自適應(yīng)均衡使波形劣化的線路信號(hào)能夠被正確接收，均衡的效果取決于對(duì)電纜長(zhǎng)度的判斷，如圖3所示。波形測(cè)試電路3.數(shù)據(jù)鏈路層 以太網(wǎng)幀有數(shù)據(jù)校驗(yàn)段，對(duì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)丟棄。4.IP層 以太網(wǎng)常用來(lái)承載IP包，TCP/IP協(xié)議有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)完整性檢驗(yàn)機(jī)制，對(duì)出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)可以自動(dòng)重新發(fā)送。五、PMD測(cè)試的

6、準(zhǔn)備工作 IEEE802.3-2002的第25條規(guī)定了100Base-TX的PMD接口電氣指標(biāo)，本文對(duì)其中列出的指標(biāo)詳述測(cè)試的方法。依照ANSIX3.263-1995的要求，對(duì)100Base-TX接口PMD子層的測(cè)試可以分為發(fā)送器和接收器測(cè)試兩部分。其中，發(fā)送器測(cè)試可以分為輸出波形、阻抗特性和時(shí)鐘頻率三部分，而接收器測(cè)試可以分為阻抗特性、自適應(yīng)均衡和基線漂移三部分。 在測(cè)試之前，需要準(zhǔn)備示波器、網(wǎng)絡(luò)分析儀、電纜、衰減器、電橋等。1.測(cè)試用儀表 100Base-TX的碼率是125Mbit/s，但經(jīng)MLT-3編碼后，線路信號(hào)的主要能量集中在30MHz以下的頻帶范圍內(nèi)。 測(cè)試使用的示波器Lecroy

7、9374L的帶寬為1GHz，有源差分探頭HP1141A的帶寬是200MHz，由公式給出各自的上升時(shí)間為0.35ns和1.75ns。系統(tǒng)的上升時(shí)間根據(jù)公式，計(jì)算得到1.785ns。因此可以近似地認(rèn)為系統(tǒng)帶寬是196MHz。 同樣，示波器顯示的上升時(shí)間也是系統(tǒng)上升時(shí)間和信號(hào)上升時(shí)間的均方根，這樣信號(hào)實(shí)際的上升時(shí)間可以據(jù)此估算。2.測(cè)試用UTP電纜 測(cè)試輸出波形時(shí)需要使端口保持在連接狀態(tài)，可以用一條雙絞線連接被測(cè)端口和另一100Base-TX端口。同時(shí)為保證在接收端口的阻抗特性不理想時(shí)，信號(hào)不反射回發(fā)送端口干擾測(cè)試，在發(fā)送線路中插入阻抗100（UTP電纜的特性阻抗）的6dB衰減電路（根據(jù)ANSIX3

8、.263-1995附錄A給出的UTP模型，100m電纜的衰減量近似是7.5dB，70m電纜的衰減量近似是5dB）。衰減電路由四個(gè)電阻組成電橋，兩側(cè)的阻抗都匹配為100，其電路和實(shí)際電纜的照片如圖3所示。3.測(cè)試反射衰減的電橋 在給定頻率下，反射衰減與端口的阻抗特性有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。用電橋法測(cè)試反射衰減的原理如圖4所示，信號(hào)源內(nèi)阻RI近似等于0。根據(jù)ANSIX3.263-1995的要求，RN應(yīng)取100和85、115分別測(cè)試。注意作為負(fù)載的端口至電橋的連線應(yīng)盡可能短，否則測(cè)試反映的是電纜的特性阻抗而非端口的阻抗。反射衰減測(cè)試電橋 最大輸出功率反射衰減 而 可見通過(guò)測(cè)量U1和U2的值可以計(jì)算端口的反

9、射衰減。4.電感測(cè)試電路 測(cè)試方法可以利用RLC諧振電路的原理，用選頻電平表找到如圖5所示電路（直流偏置為0，電感即連接Tx+/Tx-的端口開路電感）的諧振頻率，根據(jù)已知電容量用公式計(jì)算得到電感。開路電感測(cè)試原理圖六、100Base-TXPMD測(cè)試項(xiàng) 以一個(gè)8端口快速以太網(wǎng)集線器為例說(shuō)明測(cè)試的內(nèi)容。1.發(fā)送器規(guī)范 (1)差模輸出電壓 指標(biāo)要求在950mV到1050mV之間，且。測(cè)試結(jié)果如圖6和7所示。圖6圖7(2)上升時(shí)間和下降時(shí)間 指標(biāo)要求為3ns到5ns之間，且所有上升下降時(shí)間的差別不超過(guò)0.5ns。應(yīng)注意在由0電平向-Vout跳變時(shí)是上升時(shí)間，反之是下降時(shí)間。 示波器系統(tǒng)上升時(shí)間為1.7

10、85ns（因篇幅所限，上升、下降時(shí)間測(cè)試結(jié)果圖未提供），根據(jù)修正公式計(jì)算可知，顯示上升時(shí)間為4.4ns時(shí)，其實(shí)際的信號(hào)上升時(shí)間為4.02ns，顯示上升時(shí)間為4.3ns時(shí)，其實(shí)際的信號(hào)上升時(shí)間為3.91ns，顯示上升時(shí)間為4.0ns時(shí)，其實(shí)際的信號(hào)上升時(shí)間為3.29ns。 (3)占空比失真 計(jì)算方法如圖8。圖8 e1=t2-t1-16ns；e2=t3-t2-16ns；e3=t4-t3-16ns；e4=t3-t1-32ns；e5=t4-t2-32ns；e6=t4-t1-48ns 指標(biāo)要求em(m=16)不超過(guò)0.5ns。因篇幅所限，只提供e1的測(cè)試結(jié)果供參考，如圖9所示。圖9 (4)輸出抖動(dòng) 指標(biāo)

11、要求為不超過(guò)1.4ns。此項(xiàng)指標(biāo)需要示波器能夠測(cè)試眼圖，限于儀表?xiàng)l件未測(cè)試。 (5)波形過(guò)沖 如圖10，指標(biāo)要求。受示波器帶寬限制此項(xiàng)未測(cè)試（參考高帶寬示波器的測(cè)試波形，端口一般沒有過(guò)沖）。圖10 (6)發(fā)送端口反射衰減 指標(biāo)要求如圖11所示。因篇幅所限，這里只提供8個(gè)端口中的1個(gè)端口的匹配100電阻的測(cè)試結(jié)果供參考，如圖12所示。圖11圖12(7)發(fā)送器開路電感 指標(biāo)要求在08mA直流偏置電流下都至少達(dá)到350H。測(cè)試結(jié)果如圖5所示電路的諧振頻率2050kHz，電容33pF，計(jì)算得到電感為182.65H。 2.接收器規(guī)范 (1)差分輸入阻抗 指標(biāo)同發(fā)送端口反射衰減。標(biāo)準(zhǔn)要求在100、115和85三種匹配電阻下測(cè)試結(jié)果均應(yīng)滿足要求。因篇幅所限，這里只提供匹配電阻100下的測(cè)試結(jié)果，如圖13所示。圖13 (2)自適應(yīng)均衡和基線漂移測(cè)試 自適應(yīng)均衡和基線漂移測(cè)試的方法是在各種電纜長(zhǎng)度下接收特定包長(zhǎng)度或圖案的數(shù)據(jù)，觀察數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率，要求在一定范圍內(nèi)才是符合要求。時(shí)間所限未測(cè)試。七、總結(jié) 100Base-TX接口已經(jīng)是使用非常普遍的以太網(wǎng)接口了，然而對(duì)100Base-TX接口的PMD電氣特性的測(cè)試卻一直沒有廣泛的進(jìn)行，這對(duì)于我們也是一個(gè)新的嘗試。本文中還有很多地方有待改進(jìn)和補(bǔ)充，算是對(duì)該類測(cè)試