快速以太网100BaseTX PMD电气特性测试.docx

快速以太网100BaseTX PMD电气特性测试.docx

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快速以太网100BaseTXPMD电气特性测试

一、快速以太网100Base-TX的PMD测试意义

   在通常的应用环境下，以太网的数据差错不容易在应用中表现出来，而是被底层的差错控制机制自动校正。

以太网传输质量的好与坏，至多是影响网络的效率，而在共享带宽的环境下，这种效率的变化是不容易被一般用户感知到的。

但是在特定的场合，例如双绞线长度接近极限距离100m，或者线路负载接近端口标称的100Mbit/s，此时物理层的差错对数据传输的质量就会产生比较关键的影响了。

可以说，100Base-TX接口的物理特性对网络性能的影响在越是关键的时刻越起着重要的作用，应该得到广泛的关注和重视。

   二、快速以太网100Base-TX的分层模型

   以太网对应OSI七层模型的数据链路层和物理层，对应数据链路层的部分又分为逻辑链路控制子层和介质访问控制子层。

介质访问控制子层与物理层连接的接口称作介质无关接口（MII）。

物理层与实际物理介质之间的接口称作介质相关接口（MDI）。

对于10/100Base－TX来说，需要协调子层（RS）将MAC层的业务定义映射成MII接口的信号。

在物理层中，又可以分为物理编码子层（PCS）、物理介质连接子层（PMA）、物理介质相关子层（PMD）。

PCS子层的主要功能是4B/5B编解码、碰撞检测和并串转换；PMA子层完成链路监测、载波检测、NRZI编译码和发送时钟合成、接收时钟恢复的功能。

100Base-TX的PMD子层采用ANSIX3.263规定的TP-PMD规范为基础修改而成，完成数据流的扰码、解扰，MLT-3编解码，发送信号波形发生和双绞线驱动，接收信号自适应均衡和基线漂移校正。

具体分层模型如图1所示。

100Base-TX分层模型

    三、快速以太网100Base-TXPMD子层的内部结构

   PMD子层与物理介质直接相连的是信号发送器、信号接收器和信号检测模块。

PMD子层的内部结构如图2所示。

信号检测模块为PMA子层的功能提供支持。

信号发送和接收器之上是MLT-3的编解码模块。

MLT-3是“多电平传输-3电平”的缩写，它是一种双极性的编码（+V、0、-V），信号可以在相邻两电平之间跃变，在数据位对应时间有跃变沿表示“1”，无跃变沿表示“0”。

使用MLT-3编码可以使信号相对于NRZI编码的频谱由70MHz降低至30MHz，从而不要求更高带宽的传输介质。

PMD子层的内部结构

   在MLT-3编解码模块之上是数据流加解扰模块。

重复的数据流会导致线路信号的功率谱密度分布不均匀，而利用扰码技术可以抑制不连续的频谱分量，使输出信号有均匀的功率分布，从而改善发送性能。

扰码模块之上是NRZI和NRZ码转换模块。

对100M接口来说，不用10M接口的NRZI码，而用MLT-3码，因此需要将PMA子层提供的NRZI码转换为NRZ码提供给MLT-3编解码器。

    四、局域网各层对数据差错的控制

    1.物理介质

   100Base-TX的物理介质是五类UTP电缆，其长度要求在100m以内，但是在实际应用中，大部分的场合并不会利用到极限的长度。

较短的电缆产生较小的信号衰减和干扰，数据差错的可能性因此得以降低很多。

    2.物理层

   100Base-TX采用的4B/5B编码增加了数据的冗余度，对预定义数据和控制码字以外的码字被认为是非法数据剔出。

PMD接收器的自适应均衡使波形劣化的线路信号能够被正确接收，均衡的效果取决于对电缆长度的判断，如图3所示。

波形测试电路

    3.数据链路层

   以太网帧有数据校验段，对出现错误的数据可以自动丢弃。

    4.IP层

   以太网常用来承载IP包，TCP/IP协议有较强的数据完整性检验机制，对出现差错的数据可以自动重新发送。

    五、PMD测试的准备工作

   IEEE802.3-2002的第25条规定了100Base-TX的PMD接口电气指标，本文对其中列出的指标详述测试的方法。

依照ANSIX3.263-1995的要求，对100Base-TX接口PMD子层的测试可以分为发送器和接收器测试两部分。

其中，发送器测试可以分为输出波形、阻抗特性和时钟频率三部分，而接收器测试可以分为阻抗特性、自适应均衡和基线漂移三部分。

   在测试之前，需要准备示波器、网络分析仪、电缆、衰减器、电桥等。

    1.测试用仪表

   100Base-TX的码率是125Mbit/s，但经MLT-3编码后，线路信号的主要能量集中在30MHz以下的频带范围内。

   测试使用的示波器Lecroy9374L的带宽为1GHz，有源差分探头HP1141A的带宽是200MHz，由公式

给出各自的上升时间为0.35ns和1.75ns。

系统的上升时间根据公式

，计算得到1.785ns。

因此可以近似地认为系统带宽是196MHz。

   同样，示波器显示的上升时间也是系统上升时间和信号上升时间的均方根，这样信号实际的上升时间可以据此估算。

2.测试用UTP电缆

   测试输出波形时需要使端口保持在连接状态，可以用一条双绞线连接被测端口和另一100Base-TX端口。

同时为保证在接收端口的阻抗特性不理想时，信号不反射回发送端口干扰测试，在发送线路中插入阻抗100Ω（UTP电缆的特性阻抗）的6dB衰减电路（根据ANSIX3.263-1995附录A给出的UTP模型，100m电缆的衰减量近似是7.5dB，70m电缆的衰减量近似是5dB）。

衰减电路由四个电阻组成电桥，两侧的阻抗都匹配为100Ω，其电路和实际电缆的照片如图3所示。

    3.测试反射衰减的电桥

   在给定频率下，反射衰减与端口的阻抗特性有一一对应的关系。

用电桥法测试反射衰减的原理如图4所示，信号源内阻RI近似等于0。

根据ANSIX3.263-1995的要求，RN应取100Ω和85Ω、115Ω分别测试。

注意作为负载的端口至电桥的连线应尽可能短，否则测试反映的是电缆的特性阻抗而非端口的阻抗。

反射衰减测试电桥

   最大输出功率反射衰减

   而

   可见通过测量U1和U2的值可以计算端口的反射衰减。

    4.电感测试电路

   测试方法可以利用RLC谐振电路的原理，用选频电平表找到如图5所示电路（直流偏置为0，电感即连接Tx+/Tx-的端口开路电感）的谐振频率，根据已知电容量用公式

计算得到电感。

开路电感测试原理图

    六、100Base-TXPMD测试项

   以一个8端口快速以太网集线器为例说明测试的内容。

    1.发送器规范

（1）差模输出电压

   指标要求

在950mV到1050mV之间，且

。

测试结果如图6和7所示。

图6

图7

（2）上升时间和下降时间

   指标要求为3ns到5ns之间，且所有上升下降时间的差别不超过0.5ns。

应注意在由0电平向-Vout跳变时是上升时间，反之是下降时间。

   示波器系统上升时间为1.785ns（因篇幅所限，上升、下降时间测试结果图未提供），根据修正公式计算可知，显示上升时间为4.4ns时，其实际的信号上升时间为4.02ns，显示上升时间为4.3ns时，其实际的信号上升时间为3.91ns，显示上升时间为4.0ns时，其实际的信号上升时间为3.29ns。

   （3）占空比失真

   计算方法如图8。

图8

   e1=t2-t1-16ns；e2=t3-t2-16ns；e3=t4-t3-16ns；e4=t3-t1-32ns；e5=t4-t2-32ns；e6=t4-t1-48ns

   指标要求em（m=1…6）不超过±0.5ns。

因篇幅所限，只提供e1的测试结果供参考，如图9所示。

图9

   （4）输出抖动

   指标要求为不超过1.4ns。

此项指标需要示波器能够测试眼图，限于仪表条件未测试。

   （5）波形过冲

   如图10，指标要求

。

受示波器带宽限制此项未测试（参考高带宽示波器的测试波形，端口一般没有过冲）。

图10

   （6）发送端口反射衰减

   指标要求如图11所示。

因篇幅所限，这里只提供8个端口中的1个端口的匹配100Ω电阻的测试结果供参考，如图12所示。

图11

图12

 （7）发送器开路电感

   指标要求在0～8mA直流偏置电流下都至少达到350μH。

测试结果如图5所示电路的谐振频率2050kHz，电容33pF，计算得到电感为182.65μH。

   2.接收器规范

（1）差分输入阻抗

   指标同发送端口反射衰减。

标准要求在100Ω、115Ω和85Ω三种匹配电阻下测试结果均应满足要求。

因篇幅所限，这里只提供匹配电阻100Ω下的测试结果，如图13所示。

图13

（2）自适应均衡和基线漂移测试

   自适应均衡和基线漂移测试的方法是在各种电缆长度下接收特定包长度或图案的数据，观察数据包错误率，要求在一定范围内才是符合要求。

时间所限未测试。

    七、总结

   100Base-TX接口已经是使用非常普遍的以太网接口了，然而对100Base-TX接口的PMD电气特性的测试却一直没有广泛的进行，这对于我们也是一个新的尝试。

本文中还有很多地方有待改进和补充，算是对该类测试的一种有益探索和尝试。

   综合上面的测试结果，我们看到在测试过的指标中,发送端口反射衰减（匹配电阻为100Ω）、发送器开路电感以及接收器差分输入阻抗（匹配电阻为100Ω和115Ω时）等指标不符合标准要求，因此对100Base-TX接口的测试还是很有必要的，应引起设备制造者和使用者的重视，相应的检测检验工作也应跟进，把好100Base-TX接口的质量关，提高快速以太网接口的质量。