以太網(wǎng)是個(gè)人電腦和消費(fèi)電子非常重要的外圍通訊接口。隨著新一代以太網(wǎng)協(xié)議10GBASE-T的登場，在傳輸速度大幅提升的同時(shí)，對測試測量也帶來了新的挑戰(zhàn)。本文將重點(diǎn)介紹10GBASE-T以太網(wǎng)一致性測試面臨的新的挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的測量方案。
IEEE組織于2006年推出802.3an協(xié)議，即10GBASE-T以太網(wǎng)協(xié)議。該協(xié)議定義了基于RJ-45接口和雙絞線傳輸介質(zhì)的10Gbps以太網(wǎng)傳輸速率，與千兆網(wǎng)相比，速率提高了10倍。經(jīng)歷了三年的技術(shù)儲(chǔ)備和市場醞釀，10GBASE-T以太網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品在2009年開始面世。在可以預(yù)見的未來幾年內(nèi)，10GBASE-T以太網(wǎng)將逐步取代千兆網(wǎng)成為市場的主流。對于這樣一種新興的個(gè)人電腦和消費(fèi)電子外圍通訊協(xié)議，泰克公司(Tektronix Inc.)第一時(shí)間推出了全套自動(dòng)測量方案，包括示波器、信號(hào)源、自動(dòng)測量軟件、夾具和探頭，為廣大研發(fā)公司的技術(shù)創(chuàng)新提供了信號(hào)完整性保證。
10GBASE-T以太網(wǎng)簡介
以太網(wǎng)協(xié)議發(fā)展至今已歷經(jīng)四代，從最早的10BASE-T到100BASE-T，再到目前市場主流的1000BASE-T，再到方興未艾的10GBASE-T，每次更新?lián)Q代都是以10倍的速率在刷新，并且都是向下兼容。10GBASE-T沿用以太網(wǎng)規(guī)范，仍然采用RJ-45接口作為連接器，采用四對雙絞線作為傳輸介質(zhì)。每對線的傳輸速率為2.5Gbps，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)100m。對于所有認(rèn)可的傳輸距離和傳輸介質(zhì)，可以達(dá)到10E-12的BER(誤碼率)。10GBASE-T采用PAM16(16級(jí)脈沖幅度調(diào)制)方式，每個(gè)脈沖幅度(稱為字符Symbol)可以表征3.125bit的信息。因而每對傳輸線的實(shí)際傳輸率僅為800M Symbol /秒，大大降低了對傳輸鏈路帶寬的要求，增加了有效傳輸距離，對測試儀器的要求也相應(yīng)地變得寬松。
一致性測試的挑戰(zhàn)
測試上10GBASE-T的復(fù)雜程度比之前的以太網(wǎng)協(xié)議都高。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)測試一般分為幅度域測試、時(shí)間相關(guān)測試、失真測試、回波損耗測試四塊。對于幅度域測試而言，10GBASE-T測試的難點(diǎn)來源于PAM16的調(diào)制方式。16級(jí)脈沖幅度的復(fù)雜性使得常用的眼圖測試(如100BASE-T)和模板測試(如1000BASE-T)都難以實(shí)現(xiàn)。IEEE組織巧妙地避開了幅度測試方面的難點(diǎn)，轉(zhuǎn)而用一個(gè)頻譜方面的測量-功率譜密度(PSD)來衡量這樣一個(gè)多級(jí)電平的復(fù)雜調(diào)制。失真測試采用傳輸線性度(Transmitter Linearity)進(jìn)行衡量，也是一個(gè)頻譜域的測試項(xiàng)目。針對頻率域測量，有兩種可行的方案，其一是用示波器的FFT功能進(jìn)行測量，由于示波器是一致性測量必需的儀器，這種方法無需任何額外的成本；其二是用頻率分析儀進(jìn)行測量，雖然精度略高，但是需要額外添置一臺(tái)頻譜分析儀，且需要多臺(tái)儀器的互聯(lián)工作，比較麻煩。事實(shí)上，示波器FFT和頻譜分析儀都能滿足傳輸線性度和功率譜密度這兩個(gè)測量對精度的要求。
回波損耗測試部分，仍然需要一臺(tái)信號(hào)源來提供掃頻信號(hào)輸入，掃頻信號(hào)的頻率要求達(dá)到500MHZ，遠(yuǎn)高于1000BASE-T要求的100MHZ。
時(shí)間相關(guān)測試則沒有什么大的改變，只是對抖動(dòng)的要求變得更高。
測量項(xiàng)目
802.3an中列出了10GBASE-T一致性測量所需的測量項(xiàng)目，包括七個(gè)單項(xiàng)的測量，分別是最大輸出跌落(Maximum Output Droop), 發(fā)送端時(shí)鐘頻率(Transmitter Clock Frequency ), 發(fā)送端抖動(dòng)-主模式(Transmitter Timing Jitter-Master), 發(fā)送端抖動(dòng)-從模式(Transmitter Timing Jitter -Slave) , 傳輸線性度(Transmitter Linearity),發(fā)送端功率譜密度和功率值(Transmitter Power Spectral Density (PSD) and Power Level), 回波損耗(Return Loss)。我們來大致看看這些測試的目的和達(dá)成方法：
最大輸出跌落 需要配置待測設(shè)備(DUT)進(jìn)入測試模式6，由待測設(shè)備同時(shí)在四對傳輸鏈路上發(fā)出如下數(shù)據(jù)循環(huán){連續(xù)128個(gè) “+16” Symbol, 連續(xù)128個(gè)”-16” Symbol…}，形成一個(gè)3.125MHZ的低頻方波信號(hào)。需要量測的是從方波過零點(diǎn)開始的第10ns到第90ns，要求電壓的跌落不超過10%。該測試的主要目的是確保Symbol連續(xù)高度重復(fù)的情況下，幅度的跌落仍然在可允許的范圍之內(nèi)，不至于出現(xiàn)Symbol誤判的情況。
發(fā)送端時(shí)鐘頻率 需要配置待測設(shè)備進(jìn)入測試模式2，由待測設(shè)備同時(shí)在四對傳輸鏈路上發(fā)出如下數(shù)據(jù)循環(huán){2個(gè) “+16” Symbol, 2個(gè)”-16” Symbol…}, 形成一個(gè)200MHZ的偽時(shí)鐘。測量這個(gè)時(shí)鐘的的頻率，規(guī)范要求結(jié)果需在200MHZ的50ppm范圍之內(nèi)。
發(fā)送端抖動(dòng)-主模式 此測試與發(fā)送端時(shí)鐘頻率測試非常類似，同樣是進(jìn)入測試模式2。規(guī)范要求抖動(dòng)的RMS值應(yīng)在5.5ps范圍之內(nèi)。值得一提的是，由于抖動(dòng)測量的要求非常高，協(xié)會(huì)推薦測量時(shí)使用中頻為200MHZ、帶寬為2MHZ的中頻濾波器，以濾除與測試無關(guān)的噪聲和雜波的影響。在泰克的自動(dòng)測量方案中，就可以選擇采用軟件濾波器來進(jìn)行濾波。
發(fā)送端抖動(dòng)-從模式 與主模式不同，從模式下的抖動(dòng)測試需要有一個(gè)連接伙伴(Link Partner)來輔助測量，即與另一臺(tái)支持10GBASE-T的設(shè)備互連。Link Partner進(jìn)入測試模式1，在主模式下同時(shí)往A、B、C三對數(shù)據(jù)鏈路上發(fā)送偽隨機(jī)碼(PRBS33)。DUT進(jìn)入測試模式3，在接收到Link Partner的信號(hào)之后，從中恢復(fù)出一個(gè)200MHZ的時(shí)鐘，以數(shù)據(jù)循環(huán){2個(gè) “+16” Symbol, 2個(gè)”-16” Symbol…}的方式往D數(shù)據(jù)對上發(fā)送出來。需要測量的就是D數(shù)據(jù)對上偽時(shí)鐘的抖動(dòng)，規(guī)范要求仍為抖動(dòng)RMS值在5.5ps之內(nèi)。此測量同樣推薦使用中頻濾波器進(jìn)行濾波。
傳輸線性度 需要配置DUT進(jìn)入測試模式4，由DUT同時(shí)往四對傳輸鏈路發(fā)出一組雙音信號(hào)(Dual Tone), 即兩個(gè)頻率非常接近、幅度相等的正弦波信號(hào)。傳輸線性度用無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)來衡量, 即載波頻率(最大信號(hào)成分)的RMS幅度與次最大噪聲成分或諧波失真成分(僅考慮1 MHz to 400 MHz之間的諧波成分)的RMS值之比。規(guī)范要求此測試的SFDR應(yīng)滿足:
SFDR ≥ 2.5 + min{52, 58 – 20 × log10(f/25)}
此測試中需要分別測試五組不同頻率的雙音信號(hào)。雙音信號(hào)的頻率以及規(guī)范的要求請參考表1�？紤]到信號(hào)經(jīng)過長距離傳輸之后，不可避免的產(chǎn)生抖動(dòng)和失真，信號(hào)的頻率會(huì)在小范圍內(nèi)波動(dòng)。每組雙音信號(hào)就是模擬最壞的抖動(dòng)狀況，如果在此情況下都能保證產(chǎn)生的諧波失真成分能量足夠小，那就不會(huì)對其它頻率的信號(hào)產(chǎn)生影響了。
功率譜密度和功率值 需配置DUT進(jìn)入測試模式5，即正常操作模式。發(fā)送端功率需介于3.2dBm和5.2dBm之間。其功率譜密度(100 ohm負(fù)載下)需滿足協(xié)議規(guī)定的上下限要求。協(xié)議規(guī)定如圖1所示。泰克科技方案的實(shí)測案例波形如圖2所示，其中紅色波形為頻譜圖，綠色波形為功率譜密度，白色線條為功率譜密度的上下限。
