1000Base-T型网络物理层特征信号测试技术研究

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

0 引言

在OSI参考模型中，物理层基于最底层，其功能主要负责电参数信号的发送、接收。网络物理层出现故障时，表现出的现象主要有：网络设备通、断不连续，实际数据传输率达不到标称值，通信误码率严重偏高，设备持续工作在高速率传输模式下数据丢包严重等。随着通信技术和网络用户需求的不断发展，如何及时发现网络设备存在的故障，排除设备隐患成为网络设备提供迫切需要解决的问题。对网络设备物理层电参数信号开展一致性测试工作，能够检查设备参数状态，准确判断其提供传输信号完整性的能力。同时，开展网络物理层一致性测试技术研究工作，能够迅速准确判断网络设备硬件工作状态，丰富设备故障排查方法手段，为网络故障的及时解决提供便利条件。

文章通过研究网络设备测试模式控制方法、以及示波器触发设计方法，设计了能够准确捕获特定特征信号的测试方法，该方法能满足网络物理层一致性测试相关需求。

1 网络物理层一致性特征信号分析

网络物理层一致性特征信号是表征网络设备硬件状态的标志性参数，研究特征信号参数对网络信号传输质量的影响，并准确掌握特征信号的测试方法是开展测试技术研究的关键。

网络物理层信号不同于一般的编码信号，它是通过信号电平的跳变来分辨数据信息的“0”和“1”，随着信号频率的提升，编码规则越加复杂。1000BASE-T通信标准采用UTP不屏蔽双绞线里的4对线，每线同时收发，在全双工工作模式下可以实现1000 Mb/s的数据传输率。1000BASE-T使用8B/10B编码，以及PAM-5脉冲幅度的调制方式，其信号较为复杂。依据IEEE802.3协议规范， 1000BASE-T型以太网物理层的一致性测试提供4种模式，各测试模式下需要对不同的特征信号进行指标考核，其中测试模式1提供的电信号和指标考核要求最为复杂和关键，也是文章研究的重点。

1.1 被测特性信号参数分析

图1所示，为测试模式1条件下需要测试的信号模板。

图1 1000Base-T型网络测试模式1特征信号

PHY的4个发送器将连续发送数据序列：由+2，127个0，-2， 127个0, +1， 127 个0，-1， 127个0, 接着是128个+2, 128个-2, 128个+2, 128个-2, 最后是1024个0组成。模式1使能时，发送器将在主时钟模式下以125.00 MHz±0.01%的时钟频率发送数据，此序列将不间断的重复发送。

根据测试要求，对1000Base-T型以太网卡模板1测试需完成对图1中A、B、C、D、F、G、H、J共8各特征点峰值电压及对称性以及信号衰落测试。其中对A点、B点间峰值电压的要求为：A与B点的峰值电压：670～820 mV(150 mV容限范围)，A与B点的峰值电压的差异不能超过1%。

1.2 被测网络接口测试模式设置

根据网络产品业界对质量控制的要求，各厂商网卡均开放寄存器控制接口进行网络物理层一致性测试。在带有GMII的PHY接口，测试模式通过使能GMII Management register的9.13:15位进行设置，见下表。测试模式仅修改发送器电路发送的数据，不会修改在非测试模式下发送器和接收器的电气和抖动设置。本文的研究重点为寄存器状态设置为测试模式1条件下进行特征信号测试。

表1 GMII Management Register测试模式设置

2 特征信号测试方法研究

网络接口物理层特征信号测试系统，由测试仪器及测试夹具组成。其中测试仪器完成对被测信号电参数的捕获分析，测试夹具引入被测信号并向测试仪器完整输入，触发设计方法稳定触发捕获被测信号，实现准确测试技术指标[1]。

2.1 测试夹具及测试仪器选择

《IEEE Std 802.3-2000》标准中对测试夹具负载要求为：满足100 Ω±0.2%的电阻器且在频率≤100 MHz时，串联感抗≤20 nH、并联容抗≤ 2 pF，要求被测试端口输出信号的最小上升时间为3.0 ns[2]。测试上升时间为3.0 ns信号，测试用示波器需具备足够的带宽和采样率，根据测试系统测量误差小于1/3测试指标的技术要求，测试用示波器带宽应至少选择350 MHz以上，综合考虑示波器探头带宽对测试误差产生的影响并结合文献[1]研究成果，本文选用如图2所示测试夹具及带宽2.5 GHz实时示波器和带宽3.5 GHz差分探头组合构建测试系统。

图2 测试夹具及示波器探头电路结构

2.2 示波器触发方式设计

测试模式1模板信号各特征点的测试，需要分别使用“欠幅脉冲”触发方式和“欠幅脉冲+时基延迟”触发方式两种方法完成。

(1)“欠幅脉冲”触发方式。

“欠幅脉冲”触发方式，其定义为：“触发脉冲振幅通过第一个阈值，但重新通过第一个阈值前未能通过第2个阈值，可以检测正欠幅或负欠幅，或只能检测那些宽于指定宽度的欠幅”。可理解为：示波器能够通过设计电压阀值，捕获幅度符合电压阀值范围内的脉冲信号。分析测试模式1特征信号特点，发现A点、C点、H点为正电压信号，根据技术指标A点电压应为0.67 V～0.82 V，C点电压应为A点电压的0.5倍、误差±2%，H点电压≥A点；B点、D点、F点为负电压信号，根据技术指标B点电压应为0.67 V～0.82 V，D点电压应为B点电压的0.5倍、误差±2%，F点电压≥B点。特征信号A点、C点、H点，B点、D点、F点符合欠幅脉冲特性，可通过电压阀值设计、使用“欠幅脉冲”高级触发方式准确捕获特征信号各测试点波形，分析信号参数。

各特征信号点触发设计如图3～6所示。

图3 信号A点欠幅触发设计示意图

图4 信号C点欠幅触发设计示意图

图5 信号B点欠幅触发设计示意图

图6 信号D点欠幅触发设计示意图

(2) “欠幅脉冲+时基延迟”触发方式。

特征信号F点、G点、H点、J点分别位于两个脉冲宽带、幅度相等的脉冲信号顶部及底部，由于被测信号特征一致，无法使用单一的触发模型准确捕获信号，基于使用“欠幅脉冲”触发方式能够准确捕获特征信号D点的成果，设计使用“欠幅脉冲+时基延迟”触发方式对信号F点、H点进触发设计。

宽带数字示波器DPO7254C具备5 ns～250 s时基延迟功能，延迟精度为±2.5×10-6根据《IEEE Std 802.3-2000》标准对测试模式1特征信号的定义，F点、H点与信号D点分别间隔2.0 μs、3.0 μs。选择DPO7254C宽带示波器高级触发功能，将触发模式选择为“欠幅脉冲触发方式”，设置触发高电平为-400 mV、低电平为-200 mV、如图7所示，触发延迟为0 ns，负极性电压,调整示波器延迟设置，延迟时间分别设置为：“2.0 μs”、“3.0 μs”，分别用于捕获信号F点、H点。

图7 “欠幅脉冲+时基延迟”触发设计示意图

3 测试试验

根据上述分析，选择使用TF-GBE-BTP型测试夹具、宽带数字示波器及测试探头搭建测试环境，设置示波器触发模式，稳定捕获测试模式1特征信号(如图1)用于指标分析。

3.1 峰值电压(信号幅度对称性测试)

测试特征信号峰值电压的实质是为了验证端口的驱动能力，即是否具有足够远的信号传递能力，同时也确保设备输出信号电压正确。其中“峰值电压”即“信号幅度对称度”项目需要对测试模式1特征信号中A、B、C、D，4个点的峰值电压值进行测试，以验证其是否在IEEE802.3协议规范所容许的范围内。测试首先使用“欠幅脉冲”触发方式分别稳定捕获各个信号特征点，使用示波器自动测量(Measure)功能中峰值电压high/low测量功能及通过|+Vout/-Vout|数据计算完成状态判断。以A点、B点测试为例，测试界面如图8所示。

图8 信号峰值电压测试示意图

使用示波器自动测量(Measure)功能中High、Maximum参数测量功能，记录屏幕左下方Measure参数中High即为+Vout(信号A点幅度)，Maximum即为脉冲峰值；更改触发设置，重复上述步骤，记录下负向脉冲波形过冲参数为-Vout(信号B点幅度)，参数计算方法为：0.82≤|+Vout/-Vout|≤1.22，特征信号A点+Vout=819.0 mV，B点-Vout=-775.3 mV，A点、B点电压均满足0.67 V～0.82 V技术指标要求，|+Vout/-Vout|测试值为1.06，符合对称性技术指标要求。

3.2 信号衰落测试

信号衰落指的是信号幅度在经过某特定时刻，相对其参考幅度的衰减量，IEEE802.3协议规范将衰落时刻规定为500 ns。信号衰落测试需要准确测试模式1特征信号中H点、J点、F点、G点信号幅度，验证插入的磁损耗是否过大。测试中首先设置示波器触发模式，使用“欠幅脉冲+时基延迟”模式稳定捕获，并准确分辨各特征信号波形，使用示波器游标测量功能，同时在时基和幅度两个坐标参数下，测试信号衰落值。以F点、G点测试为例，测试界面如图9所示。

图9 信号衰落测试示意图

设置示波器触发高电平为-400 mV、低电平为-200 mV，将示波器稳定触发于特征信号D点，设置延迟时基为2.0 μs，将待测信号F点、G点稳定触发在测试区域中心，游标1置于特征信号F点幅度最高值，游标2设置于距离特征信号F点500.0 ns时基位置、即为特征信号G点，记录屏幕左下方Measure 参数中游标1测试值即为V1、V1=1.101 V，游标2测试值即为V2、V2=-1.051 V，信号衰落值V2/V1=95.4%，测试结果满足V2/V1≥73.1%，满足指标技术要求。

4 总结

以太网物理层处于OSI参考模型的最底层，定义了数据传送与接收所需要的电信号、光信号、线路状态、时钟基准、数据编码和电路特性等，不仅承担了为整个网络进行数据传输的物理媒介功能而且向数据链路层提供了传输原始比特流的物理链接功能和标准接口。以太网接口的物理特性对网络性能的影响在越是在关键的时刻越起着重要的作用，十分值得广泛的关注和重视。本文通过分析网络设备物理层特征信号参数特点、生成方法，并基于数字示波器高级触发功能，设计了能够准确捕获特定特征信号的测试方法，能够满足对物理层一致性特征信号测试分析需求，通过测试实验表明该方法稳定、可靠，可用于工程实践。