列車以太網物理層一致性測試的應用*

孔 元， 李元軒,2， 黃志平,2， 趙紅衛， 張 波

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

近年來，鐵路機車車輛技術的發展作為鐵路領域先進制造業的代表，呈現著日新月異的變化。動車組網絡控制系統通信技術也在逐步發展，目前正處在從TCN技術體系[1]中MVB/WTB技術向著以太網方向演進，實現從中低速總線向著高速數據連接的技術跨越，設計上從封閉的工業總線向著開放的工業、商業等多用途網絡連接方式變化，使得列車通信網絡通信能力進一步提升。國際電工技術標準化組織IEC(International Electrotechnical Commission)針對列車以太網的應用相繼發布了IEC 61375-3-4[2]、IEC 61375-2-5[3]、IEC 61375-2-3[4]、IEC 61375-2-4[5]等相關標準規范，確立了列車以太網技術的通信體系的整體架構和通信方式。在該體系中，現已明確列車以太網通信的相關特性，諸如：列車以太網采用100 Mb/s全雙工以太網通信方式、規定了相關延時小于10 ms、通信數據包結構建議采用列車實時數據通信協議TRDP(Train Realtime Data Protocol)等特性。當前，以太網技術作為一種較為成熟的網絡通信技術，其產品及解決方案繁多，如何保障動車組上各系統采用的以太網設備遵循統一的實現標準成為了動車組系統集成需要解決的重要問題。為保障動車組列車上所使用的以太網設備均符合相關IEC、IEEE以太網規范要求，需驗證特定網絡系統設備的通信符合性，需設計測試步驟、完善測試平臺等相關手段，對以太網的通信能力、通信特征進行陳述和檢定。受限于測試環境、技術因素，不可能做到完全徹底的測試，經濟上的考慮也限制了測試內容，需圍繞核心參數進行測試，因此測試方案是對設備指標參數提煉與概括。

不同于一般商業及民用以太網，為實現以太網在列車上正常運行，除通信協議的差異外，與傳統以太網的主要區別在于需要考慮列車上更為復雜的電磁環境，以太網信號傳輸將受到更多的干擾。接入列車以太網的終端設備，必須通過其在復雜的電磁環境中保障數據傳輸質量的以太網傳輸標準的符合性驗證。因此，以太網的物理層研究對于保障列車以太網信號的完整性和準確性具有重要意義。

文中對列車以太網物理層信號的特征進行了梳理，總結了以太網信號的相關特征，針對以太網物理層信號的一致性測試項點進行了描述，設計了以太網一致性試驗臺的基本架構和測試方案。實踐證明以太網物理層一致性測試平臺不僅可以對不合格被測設備進行鑒別，并且還可以列出測試結果和參數，對后續被測設備優化改進提供數據支持，為中國標準動車組中的以太網技術應用和系統集成提供基礎。

1 以太網信號的特征

IEEE 802.3以太網標準[6]定義的開放式通信系統互聯參考模型OSI(Open System Interconnection, OSI/RM, Open Systems Interconnection Reference Model)七層模型中，以太網數據傳輸使用的物理層定義包括物理編碼PCS(Physical Coding Sublayer)子層、物理介質連接子層PMA(Physical Medium Attachment)和物理介質相關PMD(Physical Medium Dependent)子層。100 Mb/s以太網通信標準的PCS子層與PMA子層，同時支持光接口通信和電接口通信，并在IEC 61375標準中進一步規定了列車以太網通信規范標準統一為電接口通信類型100BASE-TX。列車以太網數據的傳輸使用超5類屏蔽雙絞線，并使用D型編碼M12圓形連接器，保證良好的屏蔽與數據傳輸效果。針對超5類以太網傳輸的線纜特征，在ANSI X3.263-1995標準[7]中定義了與傳輸信號物理特性相關的PMD子層的特征。關于以太網物理層的幅值、信號對稱度、上升與下降時間、占空比失真抖動、傳輸抖動以及過沖等特性規定了限值范圍，以太網物理層特征如表1所示。

表1 雙絞線有源輸出接口的特征

2 以太網物理層一致性測試的項點

根據一致性測試指示的程度可分為以下3種類型的測試：基本互聯測試、能力測試和行為測試?；净ヂ摐y試提供了IUT(Implementation Under Test)一致性的初步證據；能力測試檢驗IUT的可觀測能力是否與靜態一致性要求和在PICS(Protocol implementation conformance statement)中聲明的能力一致；行為測試在IUT能力的動態一致性要求的整個范圍內盡量提供最全面的測試。

列車以太網物理層一致性測試平臺應在被測設備完成基本互聯測試和能力測試的基礎上進一步對以太網物理層通信進行詳細的行為測試，,以實現對被測設備的以太網通信特性全面度量。對照ANSI X3.263—1995標準，測試項點具體包括：以太網差模輸出電壓檢測、波形過沖檢測、信號幅度對稱度檢測、上升/下降時間檢測、占空比失真檢測、發送抖動檢測、輸出信號模板檢測、發送器阻抗回輸損耗檢測、接收器阻抗回輸損耗檢測等。具體測試指標及限值要求，如表2所示。

3 以太網物理層一致性測試臺的設計方案

列車以太網物理層一致性測試平臺主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要包括工控機、顯示屏、示波器、交換機和電源等通用設備以及高靈敏度差分探頭、矢量網絡分析儀等專用設備。軟件部分主要包括物理層電氣特性測試軟件、設備狀態分析一致性測試軟件、測試結果導出報告生成軟件。

表2 物理層一致性測試指標

從功能結構上如圖1所示可分為人機交互、數據通信、測試儀器和被測單元4部分。人機交互部分主要由1臺工控機及其安裝的人機交互界面軟件構成；數據通信部分主要由工控機、交換機和安裝于工控機上的測試軟件組成；測試儀器主要包含示波器、矢量網絡分析儀、測試夾具等。

圖1 測試平臺功能結構框圖

在測試過程中需要對被測設備的以太網物理層信號進行測量，但因以太網網卡并不會主動發送標準數據包用于觀測，測量存在一定的困難。一般采用兩種方式進行測試：①主流網卡芯片如英特爾Intel、博通Broadcom等網卡，通過修改寄存器或使用廠商提供的發包工具主動發出待測數據包；②通過標準化誘導裝置誘導被測設備發包。誘導發包的方法配置較為方便，試驗臺設計陪測裝置用于激勵被測設備包，結構示意圖如圖2所示誘導裝置的發送端與被測設備IUT的接收端相連，被測設備的發送端連接測試夾具，并由高精度示波器獲取連接至測試夾具的以太網物理層信號。

圖2 誘導發包裝置連接示意圖

測試平臺的軟件如圖3所示可分為3個主要模塊，分別為管理程序、采集處理程序和數據存檔程序。管理程序負責驅動示波器、矢量網絡分析儀以及測試系統的驅動工作，使得各獨立測試儀器協同工作完成相關測試參數和測試環境的設置。采集處理程序負責對測試儀接收到的物理層信號進行接收、變換和采集，對以太網線路中的電流、電壓、頻率及周期等信號特征進行讀取，并在處理程序中對原始信號進行線性、非線性和濾波處理，獲取準確信息。數據存檔程序分別運行于測試儀器與工控機中，工控機作為上位機調用測試儀器中的結果在顯示屏中顯示，操作人員可通過顯示屏的顯示對于測試結果進行確認，并由操作人員控制將相關測試結果進行保存，輸出測試報告存檔。

圖3 測試平臺軟件結構框圖

考慮到列車運行中的復雜電磁環境，一般建議在標準以太網物理層信號特征要求的基礎上在限制內提升物理層信號質量要求。因鐵路跨車連接器使用重載連接器，內部使用以太網模塊，可能因施工質量差異引入更多的線路損耗，在標準限值范圍內，建議如表3所示，調整差模輸出電壓正負值范圍至±1 000～±1 050 mV。實際測試中發現執行更高的輸出電壓要求，也有利于改善AOI模板眼圖的測試結果。

表3 鐵路環境建議修正使用的測試指標

4 以太網物理層一致性測試的應用

以太網物理層一致性測試可有效鑒別以太網被測設備的性能指標，除檢定不合格被測樣品外，實際應用中還可通過對比分析為被測設備給出相應的修正建議，有助于提升設備通信質量。通常產品一致性測試質量不高主要集中在信號幅值、抖動以及回波損耗等3個方面。

(1)修正幅值改善質量

以太網信號的幅值很大程度體現了以太網信號的抗衰減能力，如圖4(a)所示，被測設備測得幅值為952 mV，接近標準規定下限950 mV。被測設備因信號放大電路設計不完善，造成輸出差分信號幅值偏低，在傳輸中信號強度偏弱，較易受信號、電源等波動造成的干擾影響。此外，由于貼近幅值指標下限在實際產品制造過程中的生產差異可能造成量產產品易出現批量不合格。對被測設備提出整改建議后，如圖4(b)所示，被測設備經優化電路設計改善幅值輸出至1 022 mV，解決該問題提升了通信質量。

圖4 信號幅值

(2)改善信號抖動問題

以太網信號在發送過程中由于內部晶振或外部環境的影響，信號的時間屬性或出現誤差，如圖5(a)所示，被測設備測得信號抖動為1.095 ns，接近標準規定上線1.4 ns，信號形成眼圖包絡不清晰。查找原因確定了被測設備因電路電源對電源輸入端質量要求高，對輸入端的防護抗擾設計不完善，造成信號抖動范圍大，接收設備易出現誤碼判斷，最終影響通信質量。對改進設備電源模塊重新設計，提升了設備的抗擾能力，如圖5(b)所示，被測設備信號抖動范圍壓縮至0.573 ns，提升了信號的時間準確性。

圖5 信號抖動范圍

(3)改進阻抗匹配性能

回波損耗是被測設備端口的反射波功率與入射波功率之比，該指標體現了被測設備的以太網接口阻抗匹配特性，該參數的設計是以超五類以太網線阻抗為匹配對象進行設計，符合阻抗匹配的設備接口才能在傳輸中損耗低。如圖6(a)所示，被測設備的以太網接口的高頻回波損耗出現了超過限值的情況，證明在高頻段信號出現了與以太網網線阻抗失配。通過重新調整接口的阻性、容性器件的參數，并重新調整了整體板卡的布線，如圖6(b)所示，測得的回波損耗值小于限值，接口阻抗匹配特性得到改善。

圖6 回波損耗值超限情況

5 總 結

動車組以太網技術的應用將大大提升列車網絡的通信能力，研究以太網測試方法有助于改善列車以太網通信質量，實際測試結果表明可有效鑒別存在缺陷的以太網被測設備，并有助于排查設計源頭質量缺陷，為以太網設備的通信質量提升提供數據指導，有效提高整體列車以太網網絡通信可靠性。以太網物理層試驗方法是以太網通信的基礎，隨著測試標準和測試手段的進一步完善，未來將會有更多的面向通信協議的測試方法或面向整體列車網絡質量的測試方法和手段出現。