100Base-TX以太網(wǎng)物理層一致性測(cè)試技術(shù)研究

楊 洋，韓 璐，沈小青，顧衛(wèi)紅

(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部, 江蘇 江陰 214431)

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100Base-TX以太網(wǎng)物理層一致性測(cè)試技術(shù)研究

楊 洋，韓 璐，沈小青，顧衛(wèi)紅

(中國衛(wèi)星海上測(cè)控部, 江蘇 江陰 214431)

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)使用需求的不斷增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的穩(wěn)定性及安全性直接關(guān)系著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的使用質(zhì)量；依據(jù)《IEEE 802.3-2000和ANSI X3.263-1995標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)以太網(wǎng)物理層的相關(guān)要求，對(duì)100Base-TX型網(wǎng)絡(luò)接口物理層一致性測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一套100Base-TX網(wǎng)絡(luò)接口物理層一致性測(cè)試方法，通過測(cè)試驗(yàn)證表明該方法簡(jiǎn)單有效，能滿足物理層一致性測(cè)試相關(guān)需求。

網(wǎng)絡(luò)接口;物理層;一致性;測(cè)試

0 引言

以太網(wǎng)物理層定義了數(shù)據(jù)傳送與接收所需要的電信號(hào)、線路狀態(tài)、時(shí)鐘基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)編碼和電路特性等，為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸提供物理媒介、并且向數(shù)據(jù)鏈路層提供物理鏈接功能和標(biāo)準(zhǔn)接口[1]。由于網(wǎng)絡(luò)底層設(shè)計(jì)有差錯(cuò)控制機(jī)制，普通情況下數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)的錯(cuò)誤和沖突能夠被及時(shí)修正、不容易被察覺，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信要求接近于理論設(shè)計(jì)上限時(shí)，物理層出現(xiàn)的輕微故障會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信產(chǎn)生較為明顯的影響。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[2-3]。

本文通過研究網(wǎng)絡(luò)設(shè)備測(cè)試模式控制方法、示波器測(cè)試模板編輯方法以及示波器觸發(fā)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一套100Base-TX網(wǎng)絡(luò)接口物理層一致性測(cè)試方法，通過測(cè)試驗(yàn)證表明該方法簡(jiǎn)單有效，能滿足物理層一致性測(cè)試相關(guān)需求。

1 以太網(wǎng)物理層特征信號(hào)分析

對(duì)以太網(wǎng)物理層信號(hào)特征進(jìn)行深入研究，是開展以太網(wǎng)物理層一致性測(cè)試技術(shù)的前提條件，也是測(cè)試技術(shù)研究的重要理論基礎(chǔ)。依據(jù)IEEE802.3協(xié)議規(guī)范[4]，100BASE-TX以太網(wǎng)在強(qiáng)制100 M全雙工通信模式下，輸出差分信號(hào)技術(shù)指標(biāo)特征要求如下：

差分輸出電壓：950～1 050 mV；

過沖：正過沖或負(fù)過沖<5%并且在8 ns內(nèi)衰減到<1%；

信號(hào)對(duì)稱測(cè)試：0.98<正過沖/負(fù)過沖<1.02；

上升與下降時(shí)間測(cè)試：3 ns<上升，下降時(shí)間<5 ns(10%～90%)；

上升與下降時(shí)間對(duì)稱測(cè)試：正脈沖上升與下降時(shí)間之差<0.5 ns,負(fù)脈沖上升與下降時(shí)間之差<0.5 ns。

信號(hào)眼圖模板滿足ANSI X3.263-1995標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)眼圖模型的要求，要求間圖1。

圖1 100Base-TX眼圖測(cè)試模板要求

2 物理層測(cè)試模式設(shè)置方法研究

根據(jù)《IEEE Std 802.3-2000》協(xié)議要求，開展對(duì)100Base-TX網(wǎng)絡(luò)物理層一致性測(cè)試要求捕獲0x55碼型信號(hào)進(jìn)行時(shí)域測(cè)試，112 ns寬度脈沖信號(hào)進(jìn)行幅度域測(cè)試。其中0x55碼型可在網(wǎng)絡(luò)空閑狀態(tài)下，通過設(shè)置數(shù)字示波器觸發(fā)方式，捕獲“01010101”連續(xù)4 個(gè)MLT-3 跳變所對(duì)應(yīng)的脈沖波形(即0x55碼型)，測(cè)試碼型如圖2所示。

圖2 0X55碼型特征信號(hào)

在網(wǎng)卡實(shí)際電路中，112 ns寬度脈沖信號(hào)通常不可能產(chǎn)生。對(duì)于無法捕獲112 ns寬度脈沖問題，業(yè)界有著不同的測(cè)試意見，其中泰克公司建議捕獲80 ns寬度脈沖信號(hào)進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，Cisco公司要求捕獲16 ns寬度脈沖信號(hào)進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試。本文通過研究發(fā)現(xiàn)：在網(wǎng)絡(luò)空閑狀態(tài)下，96 ns寬度的脈沖信號(hào)非常容易獲得，采用96 ns替代112 ns脈沖信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)也最為接近《IEEE Std 802.3-2000》協(xié)議對(duì)測(cè)試的要求。捕獲96 ns脈沖信號(hào)首先需要將待測(cè)網(wǎng)口的Scramble功能關(guān)閉，強(qiáng)制待測(cè)網(wǎng)口發(fā)出Idal空閑信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，也就是設(shè)置網(wǎng)卡進(jìn)入百兆全雙工(100M Full duplex)模式。

2.1 測(cè)試模式操作系統(tǒng)直接設(shè)置方法

多數(shù)以太網(wǎng)卡支持通信速率自適應(yīng)或固定模式，可以通過操作系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)卡狀態(tài)寄存器設(shè)置網(wǎng)卡通信模式，將待測(cè)網(wǎng)卡強(qiáng)制設(shè)置為百兆全雙工(100M Full duplex)模式。

設(shè)置方法以Windows xp操作系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)工作模式設(shè)置為例：

打開系統(tǒng)設(shè)備管理器->點(diǎn)擊展開“網(wǎng)絡(luò)適配器”選項(xiàng)->點(diǎn)擊“待測(cè)網(wǎng)卡”選擇屬性選項(xiàng)->點(diǎn)擊“高級(jí)”狀態(tài)欄選擇“速度和雙工”選項(xiàng)->在“值”選項(xiàng)中選擇網(wǎng)絡(luò)工作模式為“100Mbps全雙工”。方法如圖3所示。

圖3 網(wǎng)卡百兆全雙工模式寄存器設(shè)置方法

2.2 測(cè)試模式“誘騙式”設(shè)置方法

對(duì)無法強(qiáng)制設(shè)置通信速率的以太網(wǎng)卡，本文通過使用“誘騙式”設(shè)置方法將網(wǎng)卡通信速率強(qiáng)制為百兆全雙工模式。

其工作原理為：以太網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)備之間通信基本都采用自協(xié)商模式，其原理是通過某個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將自己所支持的工作模式的信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上的接收端，并接收對(duì)端可能發(fā)送過來的相應(yīng)信息，從而解決雙工模式和10 M/100 M/1 000 M速率的自協(xié)商問題。它允許設(shè)備雙方用一種方式“商討”可行的傳輸速率，然后選擇其中可接受的最高速率。

“誘騙式”設(shè)置方法為：使用一塊能夠強(qiáng)制設(shè)置通信速率的以太網(wǎng)卡，向被測(cè)網(wǎng)卡(DUT)的RX 端輸入強(qiáng)制100 M全雙工速率的Idle 信號(hào)，被測(cè)網(wǎng)卡(DUT)依據(jù)通信速率自協(xié)商模式以及速率并行檢測(cè)機(jī)制，會(huì)認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)完整并同步100 M全雙工速率，此時(shí)被測(cè)網(wǎng)卡的TX 端就會(huì)發(fā)出同步100 M全雙工Idle碼流，從而方便測(cè)試中可捕獲96ns寬度的脈沖。

電路連接示意如圖4所示。

圖4 “誘騙式”方法示意圖

3 物理層一致性特征信號(hào)測(cè)試方法研究

3.1 測(cè)試夾具選擇

《IEEE Std 802.3-2000》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)測(cè)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。為保證使用測(cè)試夾具滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且夾具的“阻抗-頻率”特性曲線平坦，標(biāo)準(zhǔn)建議使用下圖所示電路結(jié)構(gòu)及采用的元器件符合相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)。

圖5 測(cè)試夾具電路結(jié)構(gòu)

3.2 測(cè)試儀器選擇

在《IEEE Std 802.3-2000》標(biāo)準(zhǔn)中，要求被測(cè)試端口輸出信號(hào)的最小上升時(shí)間為3.0 ns。因此，所選用的測(cè)試儀器必須有足夠的帶寬及采樣率。

本文設(shè)計(jì)使用帶寬2.5 GHz的實(shí)時(shí)示波器和帶寬3.5 GHz差分探頭組合作為測(cè)試儀器，2.5 GHz的實(shí)時(shí)示波器脈沖快沿建立時(shí)間為160 ps、3.5 GHz差分探頭脈沖快沿建立時(shí)間為110 ps，測(cè)試儀器+被測(cè)信號(hào)脈沖快沿建立時(shí)間為：

對(duì)上升/下降時(shí)間的測(cè)試誤差在0.01ns左右(約為0.3%)，完全滿足測(cè)試精度的要求，且根據(jù)計(jì)量測(cè)試經(jīng)驗(yàn)值，選用10倍于信號(hào)頻率的采樣率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試誤差為0.5%左右。本文選擇的測(cè)試系統(tǒng)采樣率符合要求。

3.3 示波器觸發(fā)方式設(shè)計(jì)

(2)將“無障礙網(wǎng)絡(luò)課程”打造成特色。目前國內(nèi)所有殘障人士幾乎都是在專門的學(xué)校接受教育。但是這種教育并不是終身的，而無障礙網(wǎng)絡(luò)課程則使他們能夠繼續(xù)學(xué)習(xí)。因此，應(yīng)該將無障礙網(wǎng)絡(luò)課程打造成特色，一方面可以滿足障礙人士終身學(xué)習(xí)的需求，另一方面還可以利用網(wǎng)絡(luò)課程給他們頒發(fā)相應(yīng)的證書。

對(duì)于以太網(wǎng)卡通用參數(shù)測(cè)試，待測(cè)信號(hào)唯一特征為96ns脈寬，本文使用示波器“脈寬”觸發(fā)方式對(duì)96ns脈寬信號(hào)進(jìn)行穩(wěn)定觸發(fā)，并通過垂直偏置和局部放大觀察待測(cè)參數(shù)細(xì)節(jié)，確保測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。觸發(fā)模式設(shè)置方法如下：

將觸發(fā)模式選擇為“脈寬觸發(fā)方式”，使用指定時(shí)間范圍以內(nèi)觸發(fā)模式，對(duì)正電壓96ns脈寬信號(hào)的捕獲，設(shè)置觸發(fā)電平為500mV、脈寬范圍選擇94.0～98.0ns、觸發(fā)延遲為0ns、正極性電壓。

對(duì)于占空比失真項(xiàng)目測(cè)試，待測(cè)信號(hào)唯一特征為‘01010101’連續(xù)4個(gè)MLT-3 跳變脈沖波形，本文使用可視化觸發(fā)設(shè)計(jì)完成對(duì)特定波形的匹配觸發(fā)捕獲，觸發(fā)方式設(shè)計(jì)界面如下圖所示，分別通過6個(gè)信號(hào)關(guān)鍵特征點(diǎn)的匹配窗觸發(fā)特定波形。

圖6 可視化觸發(fā)方式設(shè)計(jì)示意圖

4 測(cè)試試驗(yàn)

搭建測(cè)試環(huán)境，設(shè)置示波器觸發(fā)模式，使用“脈沖寬帶觸發(fā)”模式用于穩(wěn)定捕獲96 ns脈沖波形[5]。

4.1 信號(hào)幅度及過沖測(cè)試

其中“差模輸出電壓”、及“信號(hào)幅度對(duì)稱度”項(xiàng)目測(cè)試使用示波器自動(dòng)測(cè)量(Measure)功能中峰值電壓high/low測(cè)量功能及通過|+Vout/-Vout|數(shù)據(jù)計(jì)算完成，“波形過沖”測(cè)量在示波器穩(wěn)定捕獲96 ns脈沖波形后，設(shè)置垂直偏置用于觀察波形頂(底)部波形細(xì)節(jié)(其中正電壓選擇700～1 050 mV偏置范圍、負(fù)電壓選擇-700～-1 050 mV偏置范圍)，使用示波器自動(dòng)測(cè)量(Measure)功能中+Overshoot/-Overshoot參數(shù)測(cè)量完成。測(cè)試界面如圖7所示。

圖7 信號(hào)幅度及過沖測(cè)試示意圖

4.2 信號(hào)快沿測(cè)試

由于100Base-TX接口基于4B/5B信號(hào)編碼方式，當(dāng)出現(xiàn)下圖所示信號(hào)波形時(shí)，示波器自動(dòng)測(cè)量功能會(huì)誤將“101”碼型信號(hào)作為一個(gè)脈沖波形上升沿，出現(xiàn)測(cè)試錯(cuò)誤。為避免以上錯(cuò)誤并滿足脈沖波形上升沿測(cè)試水平時(shí)基分辨率需求，在示波器穩(wěn)定捕獲96 ns脈寬待測(cè)信號(hào)后，需使用“垂直偏置+局部放大”方法準(zhǔn)確測(cè)試波形上升沿及下降沿?cái)?shù)據(jù)。

信號(hào)上升時(shí)間為0.0～5.0 ns，根據(jù)測(cè)試要求示波器水平時(shí)基分辨率應(yīng)達(dá)到1～2 ns/div。示波器穩(wěn)定捕獲96 ns信號(hào)后，由于觸發(fā)點(diǎn)位置在96 ns脈寬下降沿處，受示波器存儲(chǔ)深度能力限制，在示波器水平時(shí)基分辨率1～2 ns/div條件下，無法直接通過延遲功能觀察延遲或超前96 ns位置信號(hào)波形。調(diào)用示波器局部放大輔助功能，根據(jù)示波器主時(shí)基參數(shù)選擇局部放大倍數(shù)，放大后的水平時(shí)基分辨率應(yīng)控制在1～2 ns/div條件范圍，將局部放大窗口調(diào)整至預(yù)觀察波形細(xì)節(jié)處實(shí)現(xiàn)該參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)試。測(cè)試界面如圖8所示。

圖8 信號(hào)快沿測(cè)試示意圖

4.3 占空比失真測(cè)試

該項(xiàng)目測(cè)試需捕獲‘01010101’連續(xù)4個(gè)MLT-3 跳變所對(duì)應(yīng)的脈沖波形，分別測(cè)試出圖8中的W1、W2、W3 的寬度值，并記錄。使用可視化觸發(fā)方式穩(wěn)定捕獲待測(cè)波形，由于占空比失真是指信號(hào)在傳輸過程中由于變形、時(shí)延等原因脈沖寬度所發(fā)生的變化，該變化使有脈沖和無脈沖持續(xù)時(shí)間的比例改變了。測(cè)試過程中應(yīng)控制脈寬測(cè)量位置在脈沖的Vout/2上進(jìn)行。測(cè)試界面如圖9所示。

圖9 占空比失真測(cè)試示意圖

5 總結(jié)

物理層基于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)底層，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)的發(fā)送、接收，當(dāng)物理層性能狀態(tài)出現(xiàn)問題時(shí)，通常容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)設(shè)備通/斷不連續(xù)、數(shù)據(jù)傳輸速率不滿足指標(biāo)要求、高速傳輸模式下丟包嚴(yán)重等故障現(xiàn)象。積極開展網(wǎng)絡(luò)物理層一致性測(cè)試工作，可以通過檢查網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件參數(shù)狀態(tài)，分析網(wǎng)絡(luò)信號(hào)特征的完整性，判斷被測(cè)設(shè)備狀態(tài)是否滿足通信指標(biāo)要求，網(wǎng)絡(luò)物理層誘發(fā)故障的可能。當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互連性出現(xiàn)問題時(shí)，可以通過一致性測(cè)試結(jié)果來排除本段信號(hào)質(zhì)量導(dǎo)致問題的可能性。此外在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的日常維護(hù)過程中，通過定期進(jìn)行物理層一致性測(cè)試，通過測(cè)試結(jié)果的比對(duì)來判斷網(wǎng)絡(luò)端口芯片是否存在參數(shù)飄移、性能老化現(xiàn)象，判斷設(shè)備傳輸速率及質(zhì)量是否滿足通信要求。

[1] 羅 昶，黎連業(yè).計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)故障診斷與排除[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011，01-02.

[2] 泰克公司.眼圖和抖動(dòng)[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2006(1):99-100.

[3] 孫燈亮.數(shù)字示波器原理和應(yīng)用.上海交通大學(xué)出版社[M].2012.

[4] IEEE Std 802.3, 2000 Edition Part 3:Carrier sense multiple access with collision detection (CSMA/CD) access method and physical layer specifications[S].

[5] LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society.IEEE Standard for Information technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific requirements[S]，2008.

Research on Consistency Testing Technology of 100Base-TX Ethernet physical layer

Yang Yang,Han Lu,Shen Xiaoqing,Gu Weihong

(China Satellite Maritime Telemetry and Telecontrol Department，Jiangyin 214431,China)

With the continuous development of communication technology and the increasing demand of network usage, the stability and security of network equipment directly related to the quality of Internet technology. According to the "《IEEE 802.3-2000 and ANSI X3.263-1995 standard》" requirements on Ethernet physical layer, to 100Base-TX Network Interface Physical Layer Conformance Test project research, design a network interface Physical Layer Conformance Test method, through test results show that the method is simple and effective, which can meet the requirements related to the physical layer conformance test.

network interface; physical layer; consistency; test

2016-03-12；

2016-05-18。

楊 洋(1983-),男,福建邵武人,碩士研究生,工程師,主要從事無線電計(jì)量方向的研究。

1671-4598(2016)09-0074-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.020

TP3

A