以太網(wǎng)物理層信號測試與分析

1 物理層信號特點(diǎn)

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)