信產部電信研究院通信標準研究所ip與多媒體標準部高級工程師 柳揚

    信產部電信研究院泰爾實驗室有線終端通信部高級工程師 李巍

    一、快速以太網100Base-TX的PMD測試意義

    在通常的應用環境下，以太網的數據差錯不輕易在應用中表現出來，而是被底層的差錯控制機制自動校正。以太網傳輸質量的好與壞，至多是影響網絡的效率，而在共享帶寬的環境下，這種效率的變化是不輕易被一般用戶感知到的。但是在特定的場合，例如雙絞線長度接近極限距離100m，或者線路負載接近端口標稱的100Mbit/s，此時物理層的差錯對數據傳輸的質量就會產生比較要害的影響了。可以說，100Base-TX接口的物理特性對網絡性能的影響在越是要害的時刻越起著重要的作用，應該得到廣泛的關注和重視。

    二、快速以太網100Base-TX的分層模型

    以太網對應OSI七層模型的數據鏈路層和物理層，對應數據鏈路層的部分又分為邏輯鏈路控制子層和介質訪問控制子層。介質訪問控制子層與物理層連接的接口稱作介質無關接口（MII）。物理層與實際物理介質之間的接口稱作介質相關接口（MDI）。對于10/100Base－TX來說，需要協調子層（RS）將MAC層的業務定義映射成MII接口的信號。在物理層中，又可以分為物理編碼子層（PCS）、物理介質連接子層（PMA）、物理介質相關子層（PMD）。PCS子層的主要功能是4B/5B編解碼、碰撞檢測和并串轉換；PMA子層完成鏈路監測、載波檢測、NRZI編譯碼和發送時鐘合成、接收時鐘恢復的功能。100Base-TX的PMD子層采用ANSIX3.263規定的TP-PMD規范為基礎修改而成，完成數據流的擾碼、解擾，MLT-3編解碼，發送信號波形發生和雙絞線驅動，接收信號自適應均衡和基線漂移校正。具體分層模型如圖1所示。

100Base-TX分層模型

    三、快速以太網100Base-TXPMD子層的內部結構

    PMD子層與物理介質直接相連的是信號發送器、信號接收器和信號檢測模塊。PMD子層的內部結構如圖2所示。信號檢測模塊為PMA子層的功能提供支持。信號發送和接收器之上是MLT-3的編解碼模塊。MLT-3是“多電平傳輸-3電平”的縮寫，它是一種雙極性的編碼（+V、0、-V），信號可以在相鄰兩電平之間躍變，在數據位對應時間有躍變沿表示“1”，無躍變沿表示“0”。使用MLT-3編碼可以使信號相對于NRZI編碼的頻譜由70MHz降低至30MHz，從而不要求更高帶寬的傳輸介質。

PMD子層的內部結構

    在MLT-3編解碼模塊之上是數據流加解擾模塊。重復的數據流會導致線路信號的功率譜密度分布不均勻，而利用擾碼技術可以抑制不連續的頻譜分量，使輸出信號有均勻的功率分布，從而改善發送性能。

    擾碼模塊之上是NRZI和NRZ碼轉換模塊。對100M接口來說，不用10M接口的NRZI碼，而用MLT-3碼，因此需要將PMA子層提供的NRZI碼轉換為NRZ碼提供給MLT-3編解碼器。

    四、局域網各層對數據差錯的控制

    1.物理介質

    100Base-TX的物理介質是五類UTP電纜，其長度要求在100m以內，但是在實際應用中，大部分的場合并不會利用到極限的長度。較短的電纜產生較小的信號衰減和干擾，數據差錯的可能性因此得以降低很多。

    2.物理層

    100Base-TX采用的4B/5B編碼增加了數據的冗余度，對預定義數據和控制碼字以外的碼字被認為是非法數據剔出。PMD接收器的自適應均衡使波形劣化的線路信號能夠被正確接收，均衡的效果取決于對電纜長度的判定，如圖3所示。

波形測試電路

    3.數據鏈路層

    以太網幀有數據校驗段，對出現錯誤的數據可以自動丟棄。

    4.IP層

    以太網常用來承載IP包，TCP/IP協議有較強的數據完整性檢驗機制，對出現差錯的數據可以自動重新發送。

    五、PMD測試的預備工作

    IEEE802.3-2002的第25條規定了100Base-TX的PMD接口電氣指標，本文對其中列出的指標詳述測試的方法。依照ANSIX3.263-1995的要求，對100Base-TX接口PMD子層的測試可以分為發送器和接收器測試兩部分。其中，發送器測試可以分為輸出波形、阻抗特性和時鐘頻率三部分，而接收器測試可以分為阻抗特性、自適應均衡和基線漂移三部分。

    在測試之前，需要預備示波器、網絡分析儀、電纜、衰減器、電橋等。

    1.測試用儀表

    100Base-TX的碼率是125Mbit/s，但經MLT-3編碼后，線路信號的主要能量集中在30MHz以下的頻帶范圍內。

    測試使用的示波器Lecroy9374L的帶寬為1GHz，有源差分探頭HP1141A的帶寬是200MHz，由公式給出各自的上升時間為0.35ns和1.75ns。系統的上升時間根據公式，計算得到1.785ns。因此可以近似地認為系統帶寬是196MHz。

    同樣，示波器顯示的上升時間也是系統上升時間和信號上升時間的均方根，這樣信號實際的上升時間可以據此估算。

    2.測試用UTP電纜

    測試輸出波形時需要使端口保持在連接狀態，可以用一條雙絞線連接被測端口和另一100Base-TX端口。同時為保證在接收端口的阻抗特性不理想時，信號不反射回發送端口干擾測試，在發送線路中插入阻抗100Ω（UTP電纜的特性阻抗）的6dB衰減電路（根據ANSIX3.263-1995附錄A給出的UTP模型，100m電纜的衰減量近似是7.5dB，70m電纜的衰減量近似是5dB）。衰減電路由四個電阻組成電橋，兩側的阻抗都匹配為100Ω，其電路和實際電纜的照片如圖3所示。

    3.測試反射衰減的電橋

    在給定頻率下，反射衰減與端口的阻抗特性有一一對應的關系。用電橋法測試反射衰減的原理如圖4所示，信號源內阻RI近似等于0。根據ANSIX3.263-1995的要求，RN應取100Ω和85Ω、115Ω分別測試。注重作為負載的端口至電橋的連線應盡可能短，否則測試反映的是電纜的特性阻抗而非端口的阻抗。

反射衰減測試電橋

    最大輸出功率反射衰減

    而

    可見通過測量U1和U2的值可以計算端口的反射衰減。

    4.電感測試電路

    測試方法可以利用RLC諧振電路的原理，用選頻電平表找到如圖5所示電路（直流偏置為0，電感即連接Tx+/Tx-的端口開路電感）的諧振頻率，根據已知電容量用公式計算得到電感。

開路電感測試原理圖

    六、100Base-TXPMD測試項

    以一個8端口快速以太網集線器為例說明測試的內容。

    1.發送器規范

    (1)差模輸出電壓

    指標要求在950mV到1050mV之間，且。測試結果如圖6和7所示。

圖6

圖7

    (2)上升時間和下降時間

    指標要求為3ns到5ns之間，且所有上升下降時間的差別不超過0.5ns。應注重在由0電平向-Vout跳變時是上升時間，反之是下降時間。

    示波器系統上升時間為1.785ns（因篇幅所限，上升、下降時間測試結果圖未提供），根據修正公式計算可知，顯示上升時間為4.4ns時，其實際的信號上升時間為4.02ns，顯示上升時間為4.3ns時，其實際的信號上升時間為3.91ns，顯示上升時間為4.0ns時，其實際的信號上升時間為3.29ns。

    (3)占空比失真

    計算方法如圖8。

圖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

    指標要求em(m=1…6)不超過±0.5ns。因篇幅所限，只提供e1的測試結果供參考，如圖9所示。

圖9

    (4)輸出抖動

    指標要求為不超過1.4ns。此項指標需要示波器能夠測試眼圖，限于儀表條件未測試。

    (5)波形過沖

    如圖10，指標要求。受示波器帶寬限制此項未測試（參考高帶寬示波器的測試波形，端口一般沒有過沖）。

圖10

    (6)發送端口反射衰減

    指標要求如圖11所示。因篇幅所限，這里只提供8個端口中的1個端口的匹配100Ω電阻的測試結果供參考，如圖12所示。

圖11

圖12

    (7)發送器開路電感

    指標要求在0～8mA直流偏置電流下都至少達到350μH。測試結果如圖5所示電路的諧振頻率2050kHz，電容33pF，計算得到電感為182.65μH。

    2.接收器規范

    (1)差分輸入阻抗

    指標同發送端口反射衰減。標準要求在100Ω、115Ω和85Ω三種匹配電阻下測試結果均應滿足要求。因篇幅所限，這里只提供匹配電阻100Ω下的測試結果，如圖13所示。

圖13

    (2)自適應均衡和基線漂移測試

    自適應均衡和基線漂移測試的方法是在各種電纜長度下接收特定包長度或圖案的數據，觀察數據包錯誤率，要求在一定范圍內才是符合要求。時間所限未測試。

    七、總結

    100Base-TX接口已經是使用非常普遍的以太網接口了，然而對100Base-TX接口的PMD電氣特性的測試卻一直沒有廣泛的進行，這對于我們也是一個新的嘗試。本文中還有很多地方有待改進和補充，算是對該類測試的一種有益探索和嘗試。

    綜合上面的測試結果，我們看到在測試過的指標中,發送端口反射衰減（匹配電阻為100Ω）、發送器開路電感以及接收器差分輸入阻抗（匹配電阻為100Ω和115Ω時）等指標不符合標準要求，因此對100Base-TX接口的測試還是很有必要的，應引起設備制造者和使用者的重視，相應的檢測檢驗工作也應跟進，把好100Base-TX接口的質量關，提高快速以太網接口的質量。