快速以太网100Base-TX-PMD电气特性测试

一 快速以太网 100Base TX 的 PMD 测试意义 在通常的应用环境下 以太网的数据差错不容易在应用中表现出来 而是被底层的差错控制 机制自动校正 以太网传输质量的好与坏 至多是影响网络的效率 而在共享带宽的环境下 这种效率的变化是不容易被一般用户感知到的 但是在特定的场合 例如双绞线长度接近极限 距离 100m 或者线路负载接近端口标称的 100Mbit s 此时物理层的差错对数据传输的质量 就会产生比较关键的影响了 可以说 100Base TX 接口的物理特性对网络性能的影响在越是 关键的时刻越起着重要的作用 应该得到广泛的关注和重视 二 快速以太网 100Base TX 的分层模型 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 控制子层和介质访问控制子层 介质访问控制子层与物理层连接的接口称作介质无关接口 MI I 物理层与实际物理介质之间的接口称作介质相关接口 MDI 对于 10 100Base TX 来说 需要协调子层 RS 将 MAC 层的业务定义映射成 MII 接口的信号 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 P CS 子层的主要功能是 4B 5B 编解码 碰撞检测和并串转换 PMA 子层完成链路监测 载波检 测 NRZI 编译码和发送时钟合成 接收时钟恢复的功能 100Base TX 的 PMD 子层采用 AN SIX3 263 规定的 TP PMD 规范为基础修改而成 完成数据流的扰码 解扰 MLT 3 编解码 发送信号波形发生和双绞线驱动 接收信号自适应均衡和基线漂移校正 具体分层模型如图 1 所示 100Base TX 分层模型 三 快速以太网 100Base TXPMD 子层的内部结构 PMD 子层与物理介质直接相连的是信号发送器 信号接收器和信号检测模块 PMD 子层 的内部结构如图 2 所示 信号检测模块为 PMA 子层的功能提供支持 信号发送和接收器之上 是 MLT 3 的编解码模块 MLT 3 是 多电平传输 3 电平 的缩写 它是一种双极性的编码 V 0 V 信号可以在相邻两电平之间跃变 在数据位对应时间有跃变沿表示 1 无 跃变沿表示 0 使用 MLT 3 编码可以使信号相对于 NRZI 编码的频谱由 70MHz 降低至 30 MHz 从而不要求更高带宽的传输介质 PMD 子层的内部结构 在 MLT 3 编解码模块之上是数据流加解扰模块 重复的数据流会导致线路信号的功率谱密 度分布不均匀 而利用扰码技术可以抑制不连续的频谱分量 使输出信号有均匀的功率分布 从而改善发送性能 扰码模块之上是 NRZI 和 NRZ 码转换模块 对 100M 接口来说 不用 10M 接口的 NRZI 码 而用 MLT 3 码 因此需要将 PMA 子层提供的 NRZI 码转换为 NRZ 码提供给 MLT 3 编解码器 四 局域网各层对数据差错的控制 1 物理介质 100Base TX 的物理介质是五类 UTP 电缆 其长度要求在 100m 以内 但是在实际应用中 大部分的场合并不会利用到极限的长度 较短的电缆产生较小的信号衰减和干扰 数据差错 的可能性因此得以降低很多 2 物理层 100Base TX 采用的 4B 5B 编码增加了数据的冗余度 对预定义数据和控制码字以外的码 字被认为是非法数据剔出 PMD 接收器的自适应均衡使波形劣化的线路信号能够被正确接收 均衡的效果取决于对电缆长度的判断 如图 3 所示 波形测试电路 3 数据链路层 以太网帧有数据校验段 对出现错误的数据可以自动丢弃 4 IP 层 以太网常用来承载 IP 包 TCP IP 协议有较强的数据完整性检验机制 对出现差错的数据可 以自动重新发送 五 PMD 测试的准备工作 IEEE802 3 2002 的第 25 条规定了 100Base TX 的 PMD 接口电气指标 本文对其中列出 的指标详述测试的方法 依照 ANSIX3 263 1995 的要求 对 100Base TX 接口 PMD 子层的 测试可以分为发送器和接收器测试两部分 其中 发送器测试可以分为输出波形 阻抗特性和 时钟频率三部分 而接收器测试可以分为阻抗特性 自适应均衡和基线漂移三部分 在测试之前 需要准备示波器 网络分析仪 电缆 衰减器 电桥等 1 测试用仪表 100Base TX 的码率是 125Mbit s 但经 MLT 3 编码后 线路信号的主要能量集中在 30M Hz 以下的频带范围内 测试使用的示波器 Lecroy9374L 的带宽为 1GHz 有源差分探头 HP1141A 的带宽是 200 MHz 由公式给出各自的上升时间为 0 35ns 和 1 75ns 系统的 上升时间根据公式 计算得到 1 785ns 因此可以近似地认为系 统带宽是 196MHz 同样 示波器显示的上升时间也是系统上升时间和信号上升时间的均方根 这样信号实际的 上升时间可以据此估算 2 测试用 UTP 电缆 测试输出波形时需要使端口保持在连接状态 可以用一条双绞线连接被测端口和另一 100B ase TX 端口 同时为保证在接收端口的阻抗特性不理想时 信号不反射回发送端口干扰测试 在发送线路中插入阻抗 100 UTP 电缆的特性阻抗 的 6dB 衰减电路 根据 ANSIX3 263 1 995 附录 A 给出的 UTP 模型 100m 电缆的衰减量近似是 7 5dB 70m 电缆的衰减量近似是 5dB 衰减电路由四个电阻组成电桥 两侧的阻抗都匹配为 100 其电路和实际电缆的照 片如图 3 所示 3 测试反射衰减的电桥 在给定频率下 反射衰减与端口的阻抗特性有一一对应的关系 用电桥法测试反射衰减的原 理如图 4 所示 信号源内阻 RI 近似等于 0 根据 ANSIX3 263 1995 的要求 RN 应取 100 和 85 115 分别测试 注意作为负载的端口至电桥的连线应尽可能短 否则测试反映的是 电缆的特性阻抗而非端口的阻抗 反射衰减测试电桥 最大输出功率反射衰减 而 可见通过测量 U1 和 U2 的值可以计算端口的反射衰减 4 电感测试电路 测试方法可以利用 RLC 谐振电路的原理 用选频电平表找到如图 5 所示电路 直流偏置为 0 电感即连接 Tx Tx 的端口开路电感 的谐振频率 根据已知电容量用公式 计算得到电感 开路电感测试原理图 六 100Base TXPMD 测试项 以一个 8 端口快速以太网集线器为例说明测试的内容 1 发送器规范 1 差模输出电压 指标要求在 950mV 到 1050mV 之间 且 测试结果如图 6 和 7 所示 图 6 图 7 2 上升时间和下降时间 指标要求为 3ns 到 5ns 之间 且所有上升下降时间的差别不超过 0 5ns 应注意在由 0 电 平向 Vout 跳变时是上升时间 反之是下降时间 示波器系统上升时间为 1 785ns 因篇幅所限 上升 下降时间测试结果图未提供 根据 修正公式计算可知 显示上升时间为 4 4ns 时 其实际的信号上升时间为 4 02ns 显示上升时 间为 4 3ns 时 其实际的信号上升时间为 3 91ns 显示上升时间为 4 0ns 时 其实际的信号上 升时间为 3 29ns 3 占空比失真 计算方法如图 8 图 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 指标要求 em m 1 6 不超过 0 5ns 因篇幅所限 只提供 e1 的测试结果供参考 如图 9 所示 图 9 4 输出抖动 指标要求为不超过 1 4ns 此项指标需要示波器能够测试眼图 限于仪表条件未测试 5 波形过冲 如图 10 指标要求 受示波器带宽限制此项未测试 参考 高带宽示波器的测试波形 端口一般没有过冲 图 10 6 发送端口反射衰减 指标要求如图 11 所示 因篇幅所限 这里只提供 8 个端口中的 1 个端口的匹配 100 电阻 的测试结果供参考 如图 12 所示 图 11 图 12 7 发送器开路电感 指标要求在 0 8mA 直流偏置电流下都至少达到 350 H 测试结果如图 5 所示电路的谐振 频率 2050kHz 电容 33pF 计算得到电感为 182 65 H 2 接收器规范 1 差分输入阻抗 指标同发送端口反射衰减 标准要求在 100 115 和 85 三种匹配电阻下测试结果均应 满足要求 因篇幅所限 这里只提供匹配电阻 100 下的测试结果 如图 13 所示 图 13 2 自适应均衡和基线漂移测试 自适应均衡和基线漂移测试的方法是在各种电缆长度下接收特定包长度或图案的数据 观察 数据包错误率 要求在一定范围内才是符合要求 时间所限未测试 七 总结 100Base TX 接口已经是使用非常普遍的以太网接口了 然而对 100Base TX 接口的 PMD 电气特性的测试却一直没有广泛的进行 这对于我们也是一个新的尝试 本文中还有很多地方 有待改进和补充 算