Ethernet 信号测试方法(Angilen)

Ethernet信号测试方法一、Ethernet物理层测试1、简介在PC和数据通信等领域中，以太网的应用非常广泛。以太网的技术从1990年10Base-T标准推出以来，发展非常迅速，目前普及的是基于双绞线介质的10兆/百兆/千兆以太网，同时10G以太网的技术也逐渐开始应用。为了保证不同以太网设备间的互通性，就需要按照规范要求进行响应得一致性测试。测试所依据的标准主要是IEEE802.3和ANSIX3.263-1995中的相应章节。根据不同的信号速率和上升时间，要求的示波器和探头的带宽也不一样。对于10Base-T/100Base-Tx/1000Base-T的测试需要1GHz带宽。对于10G以太网的测试，由于其标准非常多，如10GBase-CX、10GBase-T、10GBase-S等，有的是电接口，有的是光接口，不同接口的信号速率也不一样。10GBase-CX、XAUI、10GBase-T的测试至少需要8G带宽的实时示波器，10GBase-S等光接口的测试，根据不同速率则需要相应带宽的采样示波器。要进行一致性测试，首先要保证的是测量的重复性，由于以太网信号的摆幅不大，如1000Base-T的信号幅度只有670~820mv，XAUI信号最小摆幅只有200mv，如果测量仪器噪声比较大，就会造成比较大的测量误差。2、10M/100M/1000M以太网测试方法对于10M/100M/1000M以太网的信号测试，可以选择Agilent9000系列示波器，也可以选择90000系列示波器。要进行Ethernet信号的测试，只有示波器是不够的，为了方便地进行以太网信号的分析，还需要有测试夹具和测试软件。测试夹具的目的是把以太网信号引出，提供一个标准的测试接口以方便测试，测试夹具的型号是N5395B。下图是夹具的图示。在N5395B测试夹具上划分了不同的区域，可以分别进行10Base-T/100Base-Tx/1000Base-T的测量。另外还有专门区域可以连接网络分析仪进行回波损耗的测量。夹具附带的短电缆可以连接夹具和被测件，附带的小板用于回波损耗的测量时进行网络仪校准。IEEE802.3规定了很多以太网信号的参数，对于10Base-T/100Base-Tx/1000Base-T的电气参数，可以分别参考IEEE802.3规范的14、25和40节。如果不借助相应的软件，要完全手动进行这些参数的测量是一件非常烦琐和耗时耗力的工作，为了便于用户完成以太网信号的测量，Agilent在8000/90000系列的Infiniium系列示波器上都提供了以太网的一致性测试软件N5392A。下图是N5392A以太网一致性测试软件提供的测试项目。这个软件的使用也非常简便，用户只需要顺序选择好测试速率、测试项目并根据提示进行连接，然后运行测试软件即可。下图是一个连接的示意图：软件运行后，示波器会自动设置时基、垂直增益、触发等参数并进行测量，测量结果会汇总成一个html格式的测试报告，报告中列出了测试的项目、是否通过、spec的要求、实测值、margin等。如下图所示：值得注意的是，以太网的信号测试并不是用探头搭在正常工作的电缆上完成的，因为以太网信号属于高速信号，测试必须在信号末端的端接电阻处做测量，这也就是使用测试夹具的目的。在测试过程中，测试软件会提示用户把被测设备设置成不同的测试模式以完成不同项目的测试，如千兆以太网中就规定了4种测试模式针对不同的测试，因此用户要能够把自己的被测设备设置成相应的测试模式。对于千兆以太网的抖动测试来说，规范要求用一根由5段不同阻抗部分组成的电缆模拟传输通道，所以千兆以太网的抖动测试还需要用到N5396A抖动测试电缆。下图是测试电缆和对其的要求。另外，对于以太网测试来说，还需要测试被测件的returnloss，也就是回波损耗，以考量被测件的阻抗匹配情况。Returnloss过大会引起信号反射、失真、串扰等，特别是对于千兆以太网来说，由于其是4对电缆同时双向工作，所以对returnloss要求更高，以下是千兆以太网对Returnloss的要求。要进行ReturnLoss的测量，只依靠示波器是不够的，还需要用到网络分析仪，但是网络仪的使用对于做数字电路的工程师可能不太熟悉，所以N5392A测试软件里提供了网络分析仪的控制功能，可以用示波器的主机通过GPIB接口控制网络仪完成ReturnLoss的测试，并能对测试数据进行分析运算，把测试结果附加到测试报告里。以下是进行ReturnLoss测量的组网。如果要进行1000M以太网抖动的测试需要增加N5396A抖动测试电缆并增加一套1130A+E2678A探头。如果要进行Returnloss的测试则还需要增加VNA和82357USB-GPIB适配器。3、XAUI和10GBASE-CX测试方法10G以太网常用到的测试项目是XAUI（XGMIIExtenderSublayer）的测试，从XAUI的命名我们可以看出，XAUI本来是用来扩展10G以太网MAC和PHY层间的XGMII接口，由于XGMII共有36根单端信号，不太适合于较长距离的信号传输，比如过连接器或背板的情况。XAUI把XGMII接口转换为8对（4收4发）3.125G的高速差分线，可以传输最远50cm，非常适合于构建高速的数据交换平台。XAUI数据速率为3.125Gbps,为了保证高速信号的传输，XAUI使用差分线提供双向数据收发，因此可以用比较小的信号摆幅提供更高的传输速率，而且差分线本身具有更好的抗干扰能力和更小的EMI，可以支持更长的电缆传输。由于XAUI的信号速率比较高，因此要对XAUI信号进行可靠的探测，对于示波器和探头的要求也非常高，通常测量要求使用8GHz~12GHz带宽的示波器。Agilent的DSA90000系列示波器由于具有业内最小的底噪声和触发抖动，最平坦的带内频响特性和很小的ReturnLoss，因此非常适合于进行象XAUI这样的高速信号的测量。同时Agilent的DSA90000系列示波器还具有业内最深的存储深度（每通道的内存可以到1Gpts），适合用于复杂事件的记录和分析。为了验证XAUI的信号质量，通常会要求进行眼图、模板的测试，这就还需要借助Agilent的高速串行数据分析软件，它可以灵活设置XAUI时钟恢复所需要的锁相环形状及带宽，还可以提供XAUI信号的眼图和模板测试功能。XAUI信号在传输时还会进行8b/10b的编码，下图是XAUI的眼图测试和8b/10b解码的结果。对于模板测试失败的波形，Agilent的90000示波器还有一个非常独特的功能：失效bit定位，即可以将模板测试的波形展开，看到造成模板测试的各个特定的bit，这对于定位问题的原因非常有用。下图是个失效bit定位的例子。高速信号产生问题的原因很多时候都是由于抖动造成的，信号中抖动的成因是很复杂的的，总的抖动成分TJ中包含了确定性抖动DJ和随机抖动RJ，而DJ和RJ又分别是由很多因素构成。因此XAUI的测试中应包含各抖动分量的测量项目。XAUI要准确测量TJ和DJ，需要借助于相应的抖动分析软件。下图是用90000示波器的EzJItPlus抖动分析软件进行抖动分解的一个测试例子。XAUI信号的测试依据是802.3规范，如果用户只是想快速验证XAUI信号是否符合规范要求，可以选择Agilent的N5431AXAUI的一致性测试软件，其使用方法和步骤和以太网测试软件N5395B类似，主要针对XAUI信号质量测试，测试完成后也可以直接生成测试报告。10G以太网中一种常见的标准是10GBase-CX，其信号电气特性参考的是XAUI标准，物理连接参考的是InfiniBand4x标准。Agilent的N5431A软件同样也可以针对10GBase-CX做一致性测试。4、基于双绞线的10GBASE-T测试方法对于10GBASE-T信号的测试，即用双绞线做传输介质的10G以太网方案，Agilent也推出了目前业界唯一的一致性测试方案。由于10GBASE-T的测试涉及到信号质量测试、频谱测试和回波损耗测试，所以需要多台仪器配合才能完成相关工作。以下是一个测试的组网图。10GBASE-T测试中测试夹具U7237A用于把4对10GBASE-T差分信号引出，U7236A安装在示波器上，完成测试项目的设置和自动的一致性测试，并可以控制频谱仪或网络仪完成频谱、回损等的测试。其使用和测试方法和前面介绍的10M/100M/1000M以太网方法类似，只是信号速率更高，测试项目和测试标准不太一样。5、基于光接口的10GE信号的测试对于一些采用光纤连接的10G以太网标准来说，如10GBase-S、10GBase-LX4等，通常要测试其光信号的输出功率、消光比、信号眼图、接收灵敏度、误码率等指标。这些测试需要使用误码仪、光电模块、光衰减器、采样示波器等仪器。以下是进行10GBase-S接收机压力测试的一个例子。