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10GBASE-T以太网信号完整性测量方案
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更新于2023-03-03
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以太网是个人电脑和消费电子非常重要的外围通讯接口。随着新一代以太网协议10GBASE-T的登场,在传输速度大幅提升的同时,对测试测量也带来了新的挑战。本文将重点介绍10GBASE-T以
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10GBASE-T以太网信号完整性测量方案以太网信号完整性测量方案
以太网是个人电脑和消费电子非常重要的外围通讯接口。随着新一代以太网协议10GBASE-T的登场,在传输速
度大幅提升的同时,对测试测量也带来了新的挑战。本文将重点介绍10GBASE-T以
IEEE组织于2006年推出802.3an协议,即10GBASE-T以太网协议。该协议定义了基于RJ-45接口和双绞线传输介质的
10Gbps以太网传输速率,与千兆网相比,速率提高了10倍。经历了三年的技术储备和市场酝酿,10GBASE-T以太网相关产
品在2009年开始面世。在可以预见的未来几年内,10GBASE-T以太网将逐步取代千兆网成为市场的主流。对于这样一种新兴
的个人电脑和消费电子外围通讯协议,泰克公司(Tektronix Inc.)第一时间推出了全套自动测量方案,包括示波器、信号源、自
动测量软件、夹具和探头,为广大研发公司的技术创新提供了
10GBASE-T以太网简介以太网简介
以太网协议发展至今已历经四代,从最早的10BASE-T到100BASE-T,再到目前市场主流的1000BASE-T,再到方兴未
艾的10GBASE-T,每次更新换代都是以10倍的速率在刷新,并且都是向下兼容。10GBASE-T沿用以太网规范,仍然采用RJ-
45接口作为连接器,采用四对双绞线作为传输介质。每对线的传输速率为2.5Gbps,最远传输距离可达100m。对于所有认可
的传输距离和传输介质,可以达到10E-12的BER(误码率)。10GBASE-T采用PAM16(16级脉冲幅度调制)方式,每个脉冲幅度
(称为字符Symbol)可以表征3.125bit的信息。因而每对传输线的实际传输率仅为800M Symbol /秒,大大降低了对传输链路带
宽的要求,增加了有效传输距离,对测试仪器的要求也相应地变得宽松。
一致性测试的挑战一致性测试的挑战
测试上10GBASE-T的复杂程度比之前的以太网协议都高。传统的以太网测试一般分为幅度域测试、时间相关测试、失真
测试、回波损耗测试四块。对于幅度域测试而言,10GBASE-T测试的难点来源于PAM16的调制方式。16级脉冲幅度的复杂性
使得常用的眼图测试(如100BASE-T)和模板测试(如1000BASE-T)都难以实现。IEEE组织巧妙地避开了幅度测试方面的难点,
转而用一个频谱方面的测量-功率谱密度(PSD)来衡量这样一个多级电平的复杂调制。失真测试采用传输线性度(Transmitter
Linearity)进行衡量,也是一个频谱域的测试项目。针对频率域测量,有两种可行的方案,其一是用示波器的FFT功能进行测
量,由于示波器是一致性测量必需的仪器,这种方法无需任何额外的成本;其二是用频率分析仪进行测量,虽然精度略高,但
是需要额外添置一台频谱分析仪,且需要多台仪器的互联工作,比较麻烦。事实上,示波器FFT和频谱分析仪都能满足传输线
性度和功率谱密度这两个测量对精度的要求。
回波损耗测试部分,仍然需要一台信号源来提供扫频信号输入,扫频信号的频率要求达到500MHZ,远高于1000BASE-T
要求的100MHZ。
时间相关测试则没有什么大的改变,只是对抖动的要求变得更高。
测量项目测量项目
802.3an中列出了10GBASE-T一致性测量所需的测量项目,包括七个单项的测量,分别是最大输出跌落(Maximum
Output Droop), 发送端时钟频率(Transmitter Clock Frequency ), 发送端抖动-主模式(Transmitter Timing Jitter-Master), 发送端
抖动-从模式(Transmitter Timing Jitter -Slave) , 传输线性度(Transmitter Linearity),发送端功率谱密度和功率值(Transmitter
Power Spectral Density (PSD) and Power Level), 回波损耗(Return Loss)。我们来大致看看这些测试的目的和达成方法:
最大输出跌落需要配置待测设备(DUT)进入测试模式6,由待测设备同时在四对传输链路上发出如下数据循环{连续128个
“+16” Symbol, 连续128个”-16” Symbol…},形成一个3.125MHZ的低频方波信号。需要量测的是从方波过零点开始的第10ns
到第90ns,要求电压的跌落不超过10%。该测试的主要目的是确保Symbol连续高度重复的情况下,幅度的跌落仍然在可允许
的范围之内,不至于出现Symbol误判的情况。
发送端时钟频率需要配置待测设备进入测试模式2,由待测设备同时在四对传输链路上发出如下数据循环{2个 “+16”
Symbol, 2个”-16” Symbol…}, 形成一个200MHZ的伪时钟。测量这个时钟的的频率,规范要求结果需在200MHZ的50ppm范围
之内。
发送端抖动-主模式此测试与发送端时钟频率测试非常类似,同样是进入测试模式2。规范要求抖动的RMS值应在5.5ps范
围之内。值得一提的是,由于抖动测量的要求非常高,协会推荐测量时使用中频为200MHZ、带宽为2MHZ的中频滤波器,以
滤除与测试无关的噪声和杂波的影响。在泰克的自动测量方案中,就可以选择采用软件滤波器来进行滤波。
发送端抖动-从模式与主模式不同,从模式下的抖动测试需要有一个连接伙伴(Link Partner)来辅助测量,即与另一台支持
10GBASE-T的设备互连。Link Partner进入测试模式1,在主模式下同时往A、B、C三对数据链路上发送伪随机码
(PRBS33)。DUT进入测试模式3,在接收到Link Partner的信号之后,从中恢复出一个200MHZ的时钟,以数据循环{2个 “+16”
Symbol, 2个”-16” Symbol…}的方式往D数据对上发送出来。需要测量的就是D数据对上伪时钟的抖动,规范要求仍为抖动
RMS值在5.5ps之内。此测量同样推荐使用中频滤波器进行滤波。
传输线性度需要配置DUT进入测试模式4,由DUT同时往四对传输链路发出一组双音信号(Dual Tone), 即两个频率非常接
近、幅度相等的正弦波信号。传输线性度用无杂散动态范围(SFDR)来衡量, 即载波频率(最大信号成分)的RMS幅度与次最大噪
声成分或谐波失真成分(仅考虑1 MHz to 400 MHz之间的谐波成分)的RMS值之比。规范要求此测试的SFDR应满足:
SFDR ≥ 2.5 + min{52, 58 – 20 × log10(f/25)}
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