1000Base-T型網(wǎng)絡(luò)物理層特征信號(hào)測試技術(shù)研究

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

在OSI參考模型中，物理層基于最底層，其功能主要負(fù)責(zé)電參數(shù)信號(hào)的發(fā)送、接收。網(wǎng)絡(luò)物理層出現(xiàn)故障時(shí)，表現(xiàn)出的現(xiàn)象主要有：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通、斷不連續(xù)，實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)不到標(biāo)稱值，通信誤碼率嚴(yán)重偏高，設(shè)備持續(xù)工作在高速率傳輸模式下數(shù)據(jù)丟包嚴(yán)重等。隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)用戶需求的不斷發(fā)展，如何及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備存在的故障，排除設(shè)備隱患成為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供迫切需要解決的問題。對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備物理層電參數(shù)信號(hào)開展一致性測試工作，能夠檢查設(shè)備參數(shù)狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷其提供傳輸信號(hào)完整性的能力。同時(shí)，開展網(wǎng)絡(luò)物理層一致性測試技術(shù)研究工作，能夠迅速準(zhǔn)確判斷網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件工作狀態(tài)，豐富設(shè)備故障排查方法手段，為網(wǎng)絡(luò)故障的及時(shí)解決提供便利條件。

文章通過研究網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測試模式控制方法、以及示波器觸發(fā)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了能夠準(zhǔn)確捕獲特定特征信號(hào)的測試方法，該方法能滿足網(wǎng)絡(luò)物理層一致性測試相關(guān)需求。

1 網(wǎng)絡(luò)物理層一致性特征信號(hào)分析

網(wǎng)絡(luò)物理層一致性特征信號(hào)是表征網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件狀態(tài)的標(biāo)志性參數(shù)，研究特征信號(hào)參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸質(zhì)量的影響，并準(zhǔn)確掌握特征信號(hào)的測試方法是開展測試技術(shù)研究的關(guān)鍵。

網(wǎng)絡(luò)物理層信號(hào)不同于一般的編碼信號(hào)，它是通過信號(hào)電平的跳變來分辨數(shù)據(jù)信息的“0”和“1”，隨著信號(hào)頻率的提升，編碼規(guī)則越加復(fù)雜。1000BASE-T通信標(biāo)準(zhǔn)采用UTP不屏蔽雙絞線里的4對(duì)線，每線同時(shí)收發(fā)，在全雙工工作模式下可以實(shí)現(xiàn)1000 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。1000BASE-T使用8B/10B編碼，以及PAM-5脈沖幅度的調(diào)制方式，其信號(hào)較為復(fù)雜。依據(jù)IEEE802.3協(xié)議規(guī)范， 1000BASE-T型以太網(wǎng)物理層的一致性測試提供4種模式，各測試模式下需要對(duì)不同的特征信號(hào)進(jìn)行指標(biāo)考核，其中測試模式1提供的電信號(hào)和指標(biāo)考核要求最為復(fù)雜和關(guān)鍵，也是文章研究的重點(diǎn)。

1.1 被測特性信號(hào)參數(shù)分析

圖1所示，為測試模式1條件下需要測試的信號(hào)模板。

圖1 1000Base-T型網(wǎng)絡(luò)測試模式1特征信號(hào)

PHY的4個(gè)發(fā)送器將連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)序列：由+2，127個(gè)0，-2， 127個(gè)0, +1， 127 個(gè)0，-1， 127個(gè)0, 接著是128個(gè)+2, 128個(gè)-2, 128個(gè)+2, 128個(gè)-2, 最后是1024個(gè)0組成。模式1使能時(shí)，發(fā)送器將在主時(shí)鐘模式下以125.00 MHz±0.01%的時(shí)鐘頻率發(fā)送數(shù)據(jù)，此序列將不間斷的重復(fù)發(fā)送。

根據(jù)測試要求，對(duì)1000Base-T型以太網(wǎng)卡模板1測試需完成對(duì)圖1中A、B、C、D、F、G、H、J共8各特征點(diǎn)峰值電壓及對(duì)稱性以及信號(hào)衰落測試。其中對(duì)A點(diǎn)、B點(diǎn)間峰值電壓的要求為：A與B點(diǎn)的峰值電壓：670～820 mV(150 mV容限范圍)，A與B點(diǎn)的峰值電壓的差異不能超過1%。

1.2 被測網(wǎng)絡(luò)接口測試模式設(shè)置

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品業(yè)界對(duì)質(zhì)量控制的要求，各廠商網(wǎng)卡均開放寄存器控制接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)物理層一致性測試。在帶有GMII的PHY接口，測試模式通過使能GMII Management register的9.13:15位進(jìn)行設(shè)置，見下表。測試模式僅修改發(fā)送器電路發(fā)送的數(shù)據(jù)，不會(huì)修改在非測試模式下發(fā)送器和接收器的電氣和抖動(dòng)設(shè)置。本文的研究重點(diǎn)為寄存器狀態(tài)設(shè)置為測試模式1條件下進(jìn)行特征信號(hào)測試。

表1 GMII Management Register測試模式設(shè)置

2 特征信號(hào)測試方法研究

網(wǎng)絡(luò)接口物理層特征信號(hào)測試系統(tǒng)，由測試儀器及測試夾具組成。其中測試儀器完成對(duì)被測信號(hào)電參數(shù)的捕獲分析，測試夾具引入被測信號(hào)并向測試儀器完整輸入，觸發(fā)設(shè)計(jì)方法穩(wěn)定觸發(fā)捕獲被測信號(hào)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測試技術(shù)指標(biāo)[1]。

2.1 測試夾具及測試儀器選擇

《IEEE Std 802.3-2000》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)測試夾具負(fù)載要求為：滿足100 Ω±0.2%的電阻器且在頻率≤100 MHz時(shí)，串聯(lián)感抗≤20 nH、并聯(lián)容抗≤ 2 pF，要求被測試端口輸出信號(hào)的最小上升時(shí)間為3.0 ns[2]。測試上升時(shí)間為3.0 ns信號(hào)，測試用示波器需具備足夠的帶寬和采樣率，根據(jù)測試系統(tǒng)測量誤差小于1/3測試指標(biāo)的技術(shù)要求，測試用示波器帶寬應(yīng)至少選擇350 MHz以上，綜合考慮示波器探頭帶寬對(duì)測試誤差產(chǎn)生的影響并結(jié)合文獻(xiàn)[1]研究成果，本文選用如圖2所示測試夾具及帶寬2.5 GHz實(shí)時(shí)示波器和帶寬3.5 GHz差分探頭組合構(gòu)建測試系統(tǒng)。

圖2 測試夾具及示波器探頭電路結(jié)構(gòu)

2.2 示波器觸發(fā)方式設(shè)計(jì)

測試模式1模板信號(hào)各特征點(diǎn)的測試，需要分別使用“欠幅脈沖”觸發(fā)方式和“欠幅脈沖+時(shí)基延遲”觸發(fā)方式兩種方法完成。

(1)“欠幅脈沖”觸發(fā)方式。

“欠幅脈沖”觸發(fā)方式，其定義為：“觸發(fā)脈沖振幅通過第一個(gè)閾值，但重新通過第一個(gè)閾值前未能通過第2個(gè)閾值，可以檢測正欠幅或負(fù)欠幅，或只能檢測那些寬于指定寬度的欠幅”。可理解為：示波器能夠通過設(shè)計(jì)電壓閥值，捕獲幅度符合電壓閥值范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)。分析測試模式1特征信號(hào)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)A點(diǎn)、C點(diǎn)、H點(diǎn)為正電壓信號(hào)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)A點(diǎn)電壓應(yīng)為0.67 V～0.82 V，C點(diǎn)電壓應(yīng)為A點(diǎn)電壓的0.5倍、誤差±2%，H點(diǎn)電壓≥A點(diǎn)；B點(diǎn)、D點(diǎn)、F點(diǎn)為負(fù)電壓信號(hào)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)B點(diǎn)電壓應(yīng)為0.67 V～0.82 V，D點(diǎn)電壓應(yīng)為B點(diǎn)電壓的0.5倍、誤差±2%，F(xiàn)點(diǎn)電壓≥B點(diǎn)。特征信號(hào)A點(diǎn)、C點(diǎn)、H點(diǎn)，B點(diǎn)、D點(diǎn)、F點(diǎn)符合欠幅脈沖特性，可通過電壓閥值設(shè)計(jì)、使用“欠幅脈沖”高級(jí)觸發(fā)方式準(zhǔn)確捕獲特征信號(hào)各測試點(diǎn)波形，分析信號(hào)參數(shù)。

各特征信號(hào)點(diǎn)觸發(fā)設(shè)計(jì)如圖3～6所示。

圖3 信號(hào)A點(diǎn)欠幅觸發(fā)設(shè)計(jì)示意圖

圖4 信號(hào)C點(diǎn)欠幅觸發(fā)設(shè)計(jì)示意圖

圖5 信號(hào)B點(diǎn)欠幅觸發(fā)設(shè)計(jì)示意圖

圖6 信號(hào)D點(diǎn)欠幅觸發(fā)設(shè)計(jì)示意圖

(2) “欠幅脈沖+時(shí)基延遲”觸發(fā)方式。

特征信號(hào)F點(diǎn)、G點(diǎn)、H點(diǎn)、J點(diǎn)分別位于兩個(gè)脈沖寬帶、幅度相等的脈沖信號(hào)頂部及底部，由于被測信號(hào)特征一致，無法使用單一的觸發(fā)模型準(zhǔn)確捕獲信號(hào)，基于使用“欠幅脈沖”觸發(fā)方式能夠準(zhǔn)確捕獲特征信號(hào)D點(diǎn)的成果，設(shè)計(jì)使用“欠幅脈沖+時(shí)基延遲”觸發(fā)方式對(duì)信號(hào)F點(diǎn)、H點(diǎn)進(jìn)觸發(fā)設(shè)計(jì)。

寬帶數(shù)字示波器DPO7254C具備5 ns～250 s時(shí)基延遲功能，延遲精度為±2.5×10-6根據(jù)《IEEE Std 802.3-2000》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測試模式1特征信號(hào)的定義，F(xiàn)點(diǎn)、H點(diǎn)與信號(hào)D點(diǎn)分別間隔2.0 μs、3.0 μs。選擇DPO7254C寬帶示波器高級(jí)觸發(fā)功能，將觸發(fā)模式選擇為“欠幅脈沖觸發(fā)方式”，設(shè)置觸發(fā)高電平為-400 mV、低電平為-200 mV、如圖7所示，觸發(fā)延遲為0 ns，負(fù)極性電壓,調(diào)整示波器延遲設(shè)置，延遲時(shí)間分別設(shè)置為：“2.0 μs”、“3.0 μs”，分別用于捕獲信號(hào)F點(diǎn)、H點(diǎn)。

圖7 “欠幅脈沖+時(shí)基延遲”觸發(fā)設(shè)計(jì)示意圖

3 測試試驗(yàn)

根據(jù)上述分析，選擇使用TF-GBE-BTP型測試夾具、寬帶數(shù)字示波器及測試探頭搭建測試環(huán)境，設(shè)置示波器觸發(fā)模式，穩(wěn)定捕獲測試模式1特征信號(hào)(如圖1)用于指標(biāo)分析。

3.1 峰值電壓(信號(hào)幅度對(duì)稱性測試)

測試特征信號(hào)峰值電壓的實(shí)質(zhì)是為了驗(yàn)證端口的驅(qū)動(dòng)能力，即是否具有足夠遠(yuǎn)的信號(hào)傳遞能力，同時(shí)也確保設(shè)備輸出信號(hào)電壓正確。其中“峰值電壓”即“信號(hào)幅度對(duì)稱度”項(xiàng)目需要對(duì)測試模式1特征信號(hào)中A、B、C、D，4個(gè)點(diǎn)的峰值電壓值進(jìn)行測試，以驗(yàn)證其是否在IEEE802.3協(xié)議規(guī)范所容許的范圍內(nèi)。測試首先使用“欠幅脈沖”觸發(fā)方式分別穩(wěn)定捕獲各個(gè)信號(hào)特征點(diǎn)，使用示波器自動(dòng)測量(Measure)功能中峰值電壓high/low測量功能及通過|+Vout/-Vout|數(shù)據(jù)計(jì)算完成狀態(tài)判斷。以A點(diǎn)、B點(diǎn)測試為例，測試界面如圖8所示。

圖8 信號(hào)峰值電壓測試示意圖

使用示波器自動(dòng)測量(Measure)功能中High、Maximum參數(shù)測量功能，記錄屏幕左下方Measure參數(shù)中High即為+Vout(信號(hào)A點(diǎn)幅度)，Maximum即為脈沖峰值；更改觸發(fā)設(shè)置，重復(fù)上述步驟，記錄下負(fù)向脈沖波形過沖參數(shù)為-Vout(信號(hào)B點(diǎn)幅度)，參數(shù)計(jì)算方法為：0.82≤|+Vout/-Vout|≤1.22，特征信號(hào)A點(diǎn)+Vout=819.0 mV，B點(diǎn)-Vout=-775.3 mV，A點(diǎn)、B點(diǎn)電壓均滿足0.67 V～0.82 V技術(shù)指標(biāo)要求，|+Vout/-Vout|測試值為1.06，符合對(duì)稱性技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 信號(hào)衰落測試

信號(hào)衰落指的是信號(hào)幅度在經(jīng)過某特定時(shí)刻，相對(duì)其參考幅度的衰減量，IEEE802.3協(xié)議規(guī)范將衰落時(shí)刻規(guī)定為500 ns。信號(hào)衰落測試需要準(zhǔn)確測試模式1特征信號(hào)中H點(diǎn)、J點(diǎn)、F點(diǎn)、G點(diǎn)信號(hào)幅度，驗(yàn)證插入的磁損耗是否過大。測試中首先設(shè)置示波器觸發(fā)模式，使用“欠幅脈沖+時(shí)基延遲”模式穩(wěn)定捕獲，并準(zhǔn)確分辨各特征信號(hào)波形，使用示波器游標(biāo)測量功能，同時(shí)在時(shí)基和幅度兩個(gè)坐標(biāo)參數(shù)下，測試信號(hào)衰落值。以F點(diǎn)、G點(diǎn)測試為例，測試界面如圖9所示。

圖9 信號(hào)衰落測試示意圖

設(shè)置示波器觸發(fā)高電平為-400 mV、低電平為-200 mV，將示波器穩(wěn)定觸發(fā)于特征信號(hào)D點(diǎn)，設(shè)置延遲時(shí)基為2.0 μs，將待測信號(hào)F點(diǎn)、G點(diǎn)穩(wěn)定觸發(fā)在測試區(qū)域中心，游標(biāo)1置于特征信號(hào)F點(diǎn)幅度最高值，游標(biāo)2設(shè)置于距離特征信號(hào)F點(diǎn)500.0 ns時(shí)基位置、即為特征信號(hào)G點(diǎn)，記錄屏幕左下方Measure 參數(shù)中游標(biāo)1測試值即為V1、V1=1.101 V，游標(biāo)2測試值即為V2、V2=-1.051 V，信號(hào)衰落值V2/V1=95.4%，測試結(jié)果滿足V2/V1≥73.1%，滿足指標(biāo)技術(shù)要求。

4 總結(jié)

以太網(wǎng)物理層處于OSI參考模型的最底層，定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電信號(hào)、光信號(hào)、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路特性等，不僅承擔(dān)了為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砻浇楣δ芏蚁驍?shù)據(jù)鏈路層提供了傳輸原始比特流的物理鏈接功能和標(biāo)準(zhǔn)接口。以太網(wǎng)接口的物理特性對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響在越是在關(guān)鍵的時(shí)刻越起著重要的作用，十分值得廣泛的關(guān)注和重視。本文通過分析網(wǎng)絡(luò)設(shè)備物理層特征信號(hào)參數(shù)特點(diǎn)、生成方法，并基于數(shù)字示波器高級(jí)觸發(fā)功能，設(shè)計(jì)了能夠準(zhǔn)確捕獲特定特征信號(hào)的測試方法，能夠滿足對(duì)物理層一致性特征信號(hào)測試分析需求，通過測試實(shí)驗(yàn)表明該方法穩(wěn)定、可靠，可用于工程實(shí)踐。