以太网收发器工作原理及其信号质量测试

以太网收发器工作原理及其信号质量测试主要内容•以太网简介•以太网收发器工作原理详解•以太网物理层信号质量测试•以太网收发器常见问题分析和调试•附录：以太网信号质量测试指标以太网简介【以太网】使用IEEE802.3标准（即采用CSMA/CD访问控制技术）的网络系统。•由美国Xerox（施乐）公司和Stanford（斯坦福）大学联合开发并于75年推出，原为总线型，现已扩展到星形、星形总线、树形等。81年Xerox、DEC、Intel联合推出商业产品。85年IEEE802委员会在此基础上颁布了802.3标准•由于以太网与其他LAN类型相比，具有易用、易安装、易维护、低成本等诸多优点，目前世界上80～85%与LAN相连的PC和工作站使用以太网连接。•以太网为基带系统，采用曼彻斯特等编码技术，且只支持LLC层的类型1操作——不确认的无连接服务（数据报服务）。以太网简介•按照网络传输速率可以分为10BASE-T、100BASE-T、1000BASE-T。•以太网物理层传输介质双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)，现在使用的UTP可分为3类、4类、五类和超五类四种。•在美国线缆标准(AWG)中对3类、4类、五类和超五类双绞线都定义为4对，在千兆位以太网中更是要求使用全部的4对线进行通信。所以，标准五类线缆中应该有4对线。以太网简介CSMA/CD协议的基本思想每站在发送数据前，先监听信道是否空闲；若是，则发送数据，并继续监听下去，一旦监听到冲突，立即停止发送，并在短时间内连续向信道发出一串阻塞信号（JAM）强化冲突，如果信道忙，则暂不发送，退避一随机时间后再尝试。CSMA/CD协议在CSMA协议基础上增加了发送期间检测冲突的功能。其最大特点是“先听后说,边说边听”。该协议已被IEEE802委员会采纳，并以此为依据制定了IEEE802.3标准。CSMA/CD协议同样可分为非坚持、1坚持和p坚持3种。以太网通常采用非分隙1坚持CSMA/CD。。主要内容•以太网简介•以太网收发器工作原理详解•以太网物理层信号质量测试•以太网收发器常见问题分析和调试•附录：以太网信号质量测试指标以太网收发器工作原理详解•PHY=PHYSICALLAYERDEVICE即物理层器件。此次培训中提到的10/100/1000MPHY是指专用于以太网，支持IEEE802.310Mbps、100Mbps、1000Mbps物理层应用的收发器。即通过双绞线可使用在10Mbps和100Mbps、1000Mbps以太网的物理层器件。有些PHY可通过光纤收发器支持100Mbps(100BASE-FX)以太网，和此相关部分本次培训不涉及。以下将10/100/1000Mbps以太网收发器简称为PHY。•问题在OSI基准模型中，PHY属于哪一层？以太网收发器工作原理详解•在OSI的7层基准模型中我们使用的PHY属于第一层--物理层(PHY)。物理层协议可定义电气信号、线的状态、时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。数据链路层可以通过定义好的接口而与物理层通话。例如MAC可以利用介质无关性接口(MII)与PHY进行数据交换。•PHY的基本作用：•(1)对端口LINK状态的判断；•(2)自动协商，当然MAC可以修改PHY的寄存器间接控制•(3)完成MII（RMII）数据和串行数据流之间的转化：包括4B/5B的编码的转化（不包括10BASET）；串并转换；最后转换成低压信号，根据端口不同的工作模式，转换方式也有所不同。例如在100BASE-T下是MLT-3；在10BASE-T下是曼彻斯特编码•(4)在MII的工作方式下，完成冲突检测。若是工作于RMII模式下则此项任务由MAC完成。以太网收发器工作原理详解•PHYBlockDiagram以太网收发器工作原理详解•一PHY主要组成部分•(1)PCS(PHYSICALCODINGSUBLAYER)：在100BASE-X模式时，提供RMII接口、4B/5B编码、串并转换以及冲突检测功能，同时只要TXEN无效就提供“idle”信号给PMD层。在10BASE-T模式下只提供接口和串并转换功能。•(2)PMA(PHYSICALMEDIUMATTACHMENT)：提供对LINK状态的判断和载波侦听的功能，完成串行信号和NRZI信号之间的转化。PMA使用标准的方法来判断端口的LINK状态。当PMA判断到对方设备存在的时候，如果自动协商使能，就会开始同对方进行自动协商确定端口的工作模式；当对方不支持自动协商的时候，端口的工作模式根据并行探测的结果。•(3)PMD(PHYSICALMEDIUMDEPENDENT)：提供对信号的scrambling/descrambling；对信号进行编码，在100TX下是MLT-3,在10T下是Manchester；polaritycorrection；baselinewandercorrection等功能。其中的scrambling(扰频)/descrambling（解扰）和baselinewander（基线漂移）功能是100BASETX专有的以太网收发器工作原理详解•(4)MII(MEDIAINDEPENDENTINTERFACE):媒体无关接口,是PHY和控制期间之间的数据通路.•(5)MDI(MEDIUMDEPENDENTINTERFACE):介质相关接口,不同的PMD对应着不同的MDI接口•(6)SMI(SERIALMANAGEMENTINTERFACE):这个接口允许上层器件监控PHY。物理接口包括一个数据线（MDIO）和一根时钟线（MDC）。MAC利用SMI可以完成读写状态寄存器的功能以太网收发器工作原理详解•二PHY主要功能部分•(1)Auto-negotiation与ParallelDetection：•当连接的双方都有自动协商能力的时候，PHY通过发送FLP（FastLinkPulse快速链路脉冲）来决定端口的工作模式，每一个FLP脉冲群包括33个脉冲，每个脉冲间隔62.5us，脉冲群的间隔为16±8ms。奇数脉冲代表时钟长有，偶数脉冲表示数据，有脉冲信号为“1”，没有脉冲信号为“0”。每个FLP包含16bits数据即所谓的“page”。所有的支持Auto-negotiation的器件必须能够读懂“basepage”。有些phy支持“nextpage”功能。通过交换“basepage互相相连的两方可告知对方它的实际能力（速度、双工等）。PHY选择双方都有的最高能力作为端口的工作模式。•当连接的双方只有一方支持自动协商的时候，没有自协商能力的一方发送NLP(normallinkpulsesin10Mbps)或者IdleSymbols（100Mbps）；有自动协商能力的PHY探测线路上的速度信息，配置端口为10M半双工或者是100M半双工。NLP是每间隔16±8ms发送一个脉冲，IDLE就是全“1”信号以太网收发器工作原理详解•所以当强制端口工作于全双工的时候，就必须保证连接的对方也是强制于此种工作状态，否则对方（具有自协商能力的一方）会选择端口的工作状态为半双工，双方能够连接上且按照各自的模式工作。当连接的双方都没有自协商能力的时候，双方都发送NLP(normallinkpulsesin10Mbps)或者IdleSymbols（100Mbps），如果探测到的速度信息与自己发送的一致，双方就按照自己的工作模式LINK上且开始工作。如果一方强制为100M全双工，另一方为强制为100M半双工的时候，能够连接上且按照各自的模式工作。案例分析以太网收发器工作原理详解•(2)AutoMDI/MDIXCrossover：Crossover是PHY的一个可选的功能，具有此功能的PHY能•够根据对方的发送和接收信号，使用MDI或者是MDIX。连接的双方，只要有一方具有Crossover，•就可实现功能。此时双方无论使用正线还是反线都能连接上•(3)PolarityDetectionandCorrection•极性检测和纠正是防止差分输出TP+和TP-出现反接导致传输错误.•问题:为什么只是10M采用极性检测和纠正?案例分析以太网收发器工作原理详解•三PHY简单工作过程•以100Mbps为例，在接收方向上，PHY必须把125M的串行的MLT-3信号转化为MII（RMII、SMII）信号。PHY从双绞线上接收MLT-3信号。首先，AGC模块对MLT-3信号进行处理，去除信号中的直流分量，实现baselinewandercorrection；数字锁相环会从接收到的数据恢复出125M的时钟，ADC模块利用此时钟对MLT-3信号进行采样；把MLT-3信号转化为NRZI信号；然后按照与发送相反的流程完成NRZI到NRZ信号的转化，DESCRAMBLE，串并转化，4B/5B的译码；最后把处理完的信号送入FIFO，准备发送给MAC。使用FIFO的主要原因是纠正恢复时钟与系统时钟之间存在的差别。•问题:为什么需要baselinewandercorrection?•问题:为什么需要DESCRAMBLE?主要内容•以太网简介•以太网收发器工作原理详解•以太网物理层信号质量测试•以太网收发器常见问题分析和调试•附录：以太网信号质量测试指标以太网物理层信号质量测试•10BASE-T采用Manchester编码方法，即“0”=由“+”跳变到“-”，“1”=由“-”跳变到“+”,因为不论是”0”或是”1”,都有跳变,所以总体来说,信号是DC平衡的,并且接收端很容易就能从信号的跳变周期中恢复时钟.•100BASE-T时采用了MLT-3（三电平编码）的信道编码方法.(MLT-3定义只有数据是“1”时数据信号状态才跳变,数据为“0”则保持不变)•1000BASE-T使用5电平4D-PAM编码,每个电平表示5符号-2,-1,0,1,2中的一个符合,每个符号代表2比特信息(其中4电平中每个电平代表2比特位,分别表示00，01，10，11，还有一个电平表示前向纠错码FEC)以太网物理层信号质量测试•10Mbps和100Mbps以太网的物理层信号质量测试采用诱导发包的测试方法以太网物理层信号质量测试•诱导发包方法(10M/100M)•上述图示的Ethernetprocessor以及AuxiliaryBoard为辅助发包设备,设置Ethernetprocessor为10M/100M模式,使得DUT工作在相应的工作模式。将其发送管脚(3,6)引出至测试Module进行信号质量的测试.•1000M信号质量的测试采用修改PHY寄存器的方法使得PHY强制工作在测试模式来进行测试.四种测试模式的设定通过改写MII寄存器9[15:13]来进行设定.这个标准测试寄存器在IEEE802.3条款40.6中被定义.以太网物理层信号质量测试•100Base-TX接口的指标测试特点及波形捕抓•在《IEEEStd802.3-2000》标准中要求使用的测试波形是14位（112ns）的非跳变（transition）波形，然而在实际测试中很难获得这种112ns宽度的脉冲信号。通常在Idle状态下，96ns宽度的脉冲信号非常容易获得，因此采用96ns替代112ns脉冲信号作为测试信号。在使用100电阻作为测试负载时，使被测试端口LinkUP，通过示波器的宽度触发功能捕抓到宽度为96ns信号。•测试负载负载要求•在《IEEEStd802.3-2000》标准中要求测试负载为满足100Ω±0.2%的电阻器且在频率≤100MHz时，串联感抗≤20nH、并联容抗≤2pF。如果不是使用电阻器作为测试负载（例如使用一个实际的100Base-TX接口），那么它的“阻抗-频率”特性曲线不会是平坦的，这样就会引入较大的不确定误差。以太网物理层信号质量测试•100BASE-TX信号质量测试指标(ANSIX3.263-1995)•MASKTEST(网口眼图测试)•RiseandFallTime(上升/下降时间测试)•DutyCycleDistortion(占空比失真测试)•Amplitude/Sym