楊 洋，韓 璐，沈小青，顧衛(wèi)紅

(中國衛(wèi)星海上測控部, 江蘇 江陰 214431)

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100Base-TX以太網(wǎng)物理層一致性測試技術研究

楊 洋，韓 璐，沈小青，顧衛(wèi)紅

(中國衛(wèi)星海上測控部, 江蘇 江陰 214431)

隨著通信技術的不斷發(fā)展以及網(wǎng)絡使用需求的不斷增長，網(wǎng)絡設備的穩(wěn)定性及安全性直接關系著互聯(lián)網(wǎng)技術的使用質量；依據(jù)《IEEE 802.3-2000和ANSI X3.263-1995標準》對以太網(wǎng)物理層的相關要求，對100Base-TX型網(wǎng)絡接口物理層一致性測試項目進行研究，設計了一套100Base-TX網(wǎng)絡接口物理層一致性測試方法，通過測試驗證表明該方法簡單有效，能滿足物理層一致性測試相關需求。

網(wǎng)絡接口;物理層;一致性;測試

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、線路狀態(tài)、時鐘基準、數(shù)據(jù)編碼和電路特性等，為網(wǎng)絡數(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準接口[1]。由于網(wǎng)絡底層設計有差錯控制機制，普通情況下數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)的錯誤和沖突能夠被及時修正、不容易被察覺，但當網(wǎng)絡通信要求接近于理論設計上限時，物理層出現(xiàn)的輕微故障會對網(wǎng)絡通信產生較為明顯的影響。以太網(wǎng)接口的物理特性對網(wǎng)絡性能的影響在越是在關鍵的時刻越起著重要的作用，十分值得廣泛的關注和重視[2-3]。

本文通過研究網(wǎng)絡設備測試模式控制方法、示波器測試模板編輯方法以及示波器觸發(fā)設計方法，設計了一套100Base-TX網(wǎng)絡接口物理層一致性測試方法，通過測試驗證表明該方法簡單有效，能滿足物理層一致性測試相關需求。

1 以太網(wǎng)物理層特征信號分析

對以太網(wǎng)物理層信號特征進行深入研究，是開展以太網(wǎng)物理層一致性測試技術的前提條件，也是測試技術研究的重要理論基礎。依據(jù)IEEE802.3協(xié)議規(guī)范[4]，100BASE-TX以太網(wǎng)在強制100 M全雙工通信模式下，輸出差分信號技術指標特征要求如下：

差分輸出電壓：950～1 050 mV；

過沖：正過沖或負過沖<5%并且在8 ns內衰減到<1%；

信號對稱測試：0.98<正過沖/負過沖<1.02；

上升與下降時間測試：3 ns<上升，下降時間<5 ns(10%～90%)；

上升與下降時間對稱測試：正脈沖上升與下降時間之差<0.5 ns,負脈沖上升與下降時間之差<0.5 ns。

信號眼圖模板滿足ANSI X3.263-1995標準中對眼圖模型的要求，要求間圖1。

圖1 100Base-TX眼圖測試模板要求

2 物理層測試模式設置方法研究

根據(jù)《IEEE Std 802.3-2000》協(xié)議要求，開展對100Base-TX網(wǎng)絡物理層一致性測試要求捕獲0x55碼型信號進行時域測試，112 ns寬度脈沖信號進行幅度域測試。其中0x55碼型可在網(wǎng)絡空閑狀態(tài)下，通過設置數(shù)字示波器觸發(fā)方式，捕獲“01010101”連續(xù)4 個MLT-3 跳變所對應的脈沖波形(即0x55碼型)，測試碼型如圖2所示。

圖2 0X55碼型特征信號

在網(wǎng)卡實際電路中，112 ns寬度脈沖信號通常不可能產生。對于無法捕獲112 ns寬度脈沖問題，業(yè)界有著不同的測試意見，其中泰克公司建議捕獲80 ns寬度脈沖信號進行指標測試，Cisco公司要求捕獲16 ns寬度脈沖信號進行指標測試。本文通過研究發(fā)現(xiàn)：在網(wǎng)絡空閑狀態(tài)下，96 ns寬度的脈沖信號非常容易獲得，采用96 ns替代112 ns脈沖信號作為測試信號也最為接近《IEEE Std 802.3-2000》協(xié)議對測試的要求。捕獲96 ns脈沖信號首先需要將待測網(wǎng)口的Scramble功能關閉，強制待測網(wǎng)口發(fā)出Idal空閑信號進行測試，也就是設置網(wǎng)卡進入百兆全雙工(100M Full duplex)模式。

2.1 測試模式操作系統(tǒng)直接設置方法

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

設置方法以Windows xp操作系統(tǒng)下網(wǎng)絡工作模式設置為例：

打開系統(tǒng)設備管理器->點擊展開“網(wǎng)絡適配器”選項->點擊“待測網(wǎng)卡”選擇屬性選項->點擊“高級”狀態(tài)欄選擇“速度和雙工”選項->在“值”選項中選擇網(wǎng)絡工作模式為“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置方法

2.2 測試模式“誘騙式”設置方法

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

其工作原理為：以太網(wǎng)組網(wǎng)設備之間通信基本都采用自協(xié)商模式，其原理是通過某個網(wǎng)絡設備將自己所支持的工作模式的信息發(fā)送到網(wǎng)絡上的接收端，并接收對端可能發(fā)送過來的相應信息，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”設置方法為：使用一塊能夠強制設置通信速率的以太網(wǎng)卡，向被測網(wǎng)卡(DUT)的RX 端輸入強制100 M全雙工速率的Idle 信號，被測網(wǎng)卡(DUT)依據(jù)通信速率自協(xié)商模式以及速率并行檢測機制，會認為網(wǎng)絡完整并同步100 M全雙工速率，此時被測網(wǎng)卡的TX 端就會發(fā)出同步100 M全雙工Idle碼流，從而方便測試中可捕獲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測試方法研究

3.1 測試夾具選擇

《IEEE Std 802.3-2000》標準中對測試夾具負載要求為：滿足100 Ω±0.2%的電阻器且在頻率≤100 MHz時，串聯(lián)感抗≤20 nH、并聯(lián)容抗≤2 pF。為保證使用測試夾具滿足標準要求，且夾具的“阻抗-頻率”特性曲線平坦，標準建議使用下圖所示電路結構及采用的元器件符合相應技術指標。

圖5 測試夾具電路結構

3.2 測試儀器選擇

在《IEEE Std 802.3-2000》標準中，要求被測試端口輸出信號的最小上升時間為3.0 ns。因此，所選用的測試儀器必須有足夠的帶寬及采樣率。

本文設計使用帶寬2.5 GHz的實時示波器和帶寬3.5 GHz差分探頭組合作為測試儀器，2.5 GHz的實時示波器脈沖快沿建立時間為160 ps、3.5 GHz差分探頭脈沖快沿建立時間為110 ps，測試儀器+被測信號脈沖快沿建立時間為：

對上升/下降時間的測試誤差在0.01ns左右(約為0.3%)，完全滿足測試精度的要求，且根據(jù)計量測試經(jīng)驗值，選用10倍于信號頻率的采樣率進行測試，測試誤差為0.5%左右。本文選擇的測試系統(tǒng)采樣率符合要求。

3.3 示波器觸發(fā)方式設計

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

對于以太網(wǎng)卡通用參數(shù)測試，待測信號唯一特征為96ns脈寬，本文使用示波器“脈寬”觸發(fā)方式對96ns脈寬信號進行穩(wěn)定觸發(fā)，并通過垂直偏置和局部放大觀察待測參數(shù)細節(jié)，確保測試數(shù)據(jù)準確。觸發(fā)模式設置方法如下：

將觸發(fā)模式選擇為“脈寬觸發(fā)方式”，使用指定時間范圍以內觸發(fā)模式，對正電壓96ns脈寬信號的捕獲，設置觸發(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。

對于占空比失真項目測試，待測信號唯一特征為‘01010101’連續(xù)4個MLT-3 跳變脈沖波形，本文使用可視化觸發(fā)設計完成對特定波形的匹配觸發(fā)捕獲，觸發(fā)方式設計界面如下圖所示，分別通過6個信號關鍵特征點的匹配窗觸發(fā)特定波形。

圖6 可視化觸發(fā)方式設計示意圖

4 測試試驗

搭建測試環(huán)境，設置示波器觸發(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 信號幅度及過沖測試

其中“差模輸出電壓”、及“信號幅度對稱度”項目測試使用示波器自動測量(Measure)功能中峰值電壓high/low測量功能及通過|+Vout/-Vout|數(shù)據(jù)計算完成，“波形過沖”測量在示波器穩(wěn)定捕獲96 ns脈沖波形后，設置垂直偏置用于觀察波形頂(底)部波形細節(jié)(其中正電壓選擇700～1 050 mV偏置范圍、負電壓選擇-700～-1 050 mV偏置范圍)，使用示波器自動測量(Measure)功能中+Overshoot/-Overshoot參數(shù)測量完成。測試界面如圖7所示。

圖7 信號幅度及過沖測試示意圖

4.2 信號快沿測試

由于100Base-TX接口基于4B/5B信號編碼方式，當出現(xiàn)下圖所示信號波形時，示波器自動測量功能會誤將“101”碼型信號作為一個脈沖波形上升沿，出現(xiàn)測試錯誤。為避免以上錯誤并滿足脈沖波形上升沿測試水平時基分辨率需求，在示波器穩(wěn)定捕獲96 ns脈寬待測信號后，需使用“垂直偏置+局部放大”方法準確測試波形上升沿及下降沿數(shù)據(jù)。

信號上升時間為0.0～5.0 ns，根據(jù)測試要求示波器水平時基分辨率應達到1～2 ns/div。示波器穩(wěn)定捕獲96 ns信號后，由于觸發(fā)點位置在96 ns脈寬下降沿處，受示波器存儲深度能力限制，在示波器水平時基分辨率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位置信號波形。調用示波器局部放大輔助功能，根據(jù)示波器主時基參數(shù)選擇局部放大倍數(shù)，放大后的水平時基分辨率應控制在1～2 ns/div條件范圍，將局部放大窗口調整至預觀察波形細節(jié)處實現(xiàn)該參數(shù)的準確測試。測試界面如圖8所示。

圖8 信號快沿測試示意圖

4.3 占空比失真測試

該項目測試需捕獲‘01010101’連續(xù)4個MLT-3 跳變所對應的脈沖波形，分別測試出圖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)定捕獲待測波形，由于占空比失真是指信號在傳輸過程中由于變形、時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)時間的比例改變了。測試過程中應控制脈寬測量位置在脈沖的Vout/2上進行。測試界面如圖9所示。

圖9 占空比失真測試示意圖

5 總結

物理層基于網(wǎng)絡結構底層，負責網(wǎng)絡電信號的發(fā)送、接收，當物理層性能狀態(tài)出現(xiàn)問題時，通常容易導致網(wǎng)絡出現(xiàn)設備通/斷不連續(xù)、數(shù)據(jù)傳輸速率不滿足指標要求、高速傳輸模式下丟包嚴重等故障現(xiàn)象。積極開展網(wǎng)絡物理層一致性測試工作，可以通過檢查網(wǎng)絡設備的硬件參數(shù)狀態(tài)，分析網(wǎng)絡信號特征的完整性，判斷被測設備狀態(tài)是否滿足通信指標要求，網(wǎng)絡物理層誘發(fā)故障的可能。當系統(tǒng)網(wǎng)絡互連性出現(xiàn)問題時，可以通過一致性測試結果來排除本段信號質量導致問題的可能性。此外在網(wǎng)絡設備的日常維護過程中，通過定期進行物理層一致性測試，通過測試結果的比對來判斷網(wǎng)絡端口芯片是否存在參數(shù)飄移、性能老化現(xiàn)象，判斷設備傳輸速率及質量是否滿足通信要求。

[1] 羅 昶，黎連業(yè).計算機網(wǎng)絡故障診斷與排除[M].北京：清華大學出版社，2011，01-02.

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

[3] 孫燈亮.數(shù)字示波器原理和應用.上海交通大學出版社[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,主要從事無線電計量方向的研究。

1671-4598(2016)09-0074-03

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

TP3

A