10GBASE-T以太網(wǎng)信號完整性測量方案

以太網(wǎng)是個人電腦和消費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，對測試測量也帶來了新的挑戰(zhàn)。本文將重點介紹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人電腦和消費電子外圍通訊協(xié)議，泰克公司(Tektronix Inc.)第一時間推出了全套自動測量方案，包括示波器、信號源、自動測量軟件、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級脈沖幅度調(diào)制)方式，每個脈沖幅度(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 測試的難點來源于PAM16的調(diào)制方式。16級脈沖幅度的復(fù)雜性使得常用的眼圖測試(如100BASE-T)和模板測試(如1000BASE-T)都難以實現(xiàn)。IEEE組織巧妙地避開了幅度測試方面的難點，轉(zhuǎn)而用一個頻譜方面的測量-功率譜密度(PSD)來衡量這樣一個多級電平的復(fù)雜調(diào)制。失真測試采用傳輸線性度(Transmitter Linearity)進(jìn)行衡量，也是一個頻譜域的測試項目。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頻譜分析儀，且需要多臺儀器的互聯(lián)工作，比較麻煩。事實上，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測量對精度的要求。

回波損耗測試部分，仍然需要一臺信號源來提供掃頻信號輸入，掃頻信號的頻率要求達(dá)到500MHZ，遠(yuǎn)高于1000BASE-T要求的100MHZ。

時間相關(guān)測試則沒有什么大的改變，只是對抖動的要求變得更高。

測量項目

802.3an中列出了10GBASE-T 一致性測量所需的測量項目，包括七個單項的測量，分別是最大輸出跌落(Maximum Output Droop), 發(fā)送端時鐘頻率(Transmitter Clock Frequency ), 發(fā)送端抖動-主模式(Transmitter TIming Jitter-Master), 發(fā)送端抖動-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 “+16” Symbol, 連續(xù)128個”-16” Symbol…}，形成一個3.125MHZ的低頻方波信號。需要量測的是從方波過零點開始的第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)備同時在四對傳輸鏈路上發(fā)出如下數(shù)據(jù)循環(huán){2個 “+16” Symbol, 2個”-16” Symbol…}, 形成一個200MHZ的偽時鐘。測量這個時鐘的的頻率，規(guī)范要求結(jié)果需在200MHZ的50ppm范圍之內(nèi)。

發(fā)送端抖動-主模式此測試與發(fā)送端時鐘頻率測試非常類似，同樣是進(jìn)入測試模式2。規(guī)范要求抖動的RMS值應(yīng)在5.5ps范圍之內(nèi)。值得一提的是，由于抖動測量的要求非常高，協(xié)會推薦測量時使用中頻為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-從模式 與主模式不同，從模式下的抖動測試需要有一個連接伙伴(Link Partner)來輔助測量，即與另一臺支持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的信號之后，從中恢復(fù)出一個200MHZ的時鐘，以數(shù)據(jù)循環(huán){2個 “+16” Symbol, 2個”-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)對上偽時鐘的抖動，規(guī)范要求仍為抖動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同時往四對傳輸鏈路發(fā)出一組雙音信號(Dual Tone), 即兩個頻率非常接近、幅度相等的正弦波信號。傳輸線性度用無雜散動態(tài)范圍(SFDR)來衡量, 即載波頻率(最大信號成分)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。雙音信號的頻率以及規(guī)范的要求請參考表1?？紤]到信號經(jīng)過長距離傳輸之后，不可避免的產(chǎn)生抖動和失真，信號的頻率會在小范圍內(nèi)波動。每組雙音信號就是模擬最壞的抖動狀況，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，那就不會對其它頻率的信號產(chǎn)生影響了。