10GBASE-T以太網(wǎng)信號(hào)完整性測(cè)量設(shè)計(jì)方法

10GBASE-T以太網(wǎng)信號(hào)完整性測(cè)量設(shè)計(jì)方法

本文將重點(diǎn)介紹10GBASE-T以太網(wǎng)一致性測(cè)試面臨的新的挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的測(cè)量方案。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(chǎng)，在傳輸速度大幅提升的同時(shí)，對(duì)測(cè)試測(cè)量也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。
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(chǎng)醞釀，10GBASE-T以太網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品在2009年開(kāi)始面世。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)幾年內(nèi)，10GBASE-T以太網(wǎng)將逐步取代千兆網(wǎng)成為市場(chǎng)的主流。對(duì)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(cè)量方案，包括示波器、信號(hào)源、自動(dòng)測(cè)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(jiǎn)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(chǎng)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(duì)雙絞線作為傳輸介質(zhì)。每對(duì)線的傳輸速率為2.5Gbps，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)100m。對(duì)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(duì)傳輸線的實(shí)際傳輸率僅為800M Symbol /秒，大大降低了對(duì)傳輸鏈路帶寬的要求，增加了有效傳輸距離，對(duì)測(cè)試儀器的要求也相應(yīng)地變得寬松。

一致性測(cè)試的挑戰(zhàn)

測(cè)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(cè)試一般分為幅度域測(cè)試、時(shí)間相關(guān)測(cè)試、失真測(cè)試、回波損耗測(cè)試四塊。對(duì)于幅度域測(cè)試而言，10GBASE-T測(cè)試的難點(diǎn)來(lái)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(cè)試(如100BASE-T)和模板測(cè)試(如1000BASE-T)都難以實(shí)現(xiàn)。IEEE組織巧妙地避開(kāi)了幅度測(cè)試方面的難點(diǎn)，轉(zhuǎn)而用一個(gè)頻譜方面的測(cè)量-功率譜密度(PSD)來(lái)衡量這樣一個(gè)多級(jí)電平的復(fù)雜調(diào)制。失真測(cè)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(cè)試項(xiàng)目。針對(duì)頻率域測(cè)量，有兩種可行的方案，其一是用示波器的FFT功能進(jìn)行測(cè)量，由于示波器是一致性測(cè)量必需的儀器，這種方法無(wú)需任何額外的成本；其二是用頻率分析儀進(jìn)行測(cè)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(cè)量對(duì)精度的要求。

回波損耗測(cè)試部分，仍然需要一臺(tái)信號(hào)源來(lái)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(cè)試則沒(méi)有什么大的改變，只是對(duì)抖動(dòng)的要求變得更高。

測(cè)量項(xiàng)目

802.3an中列出了10GBASE-T一致性測(cè)量所需的測(cè)量項(xiàng)目，包括七個(gè)單項(xiàng)的測(cè)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(lái)大致看看這些測(cè)試的目的和達(dá)成方法：

最大輸出跌落需要配置待測(cè)設(shè)備(DUT)進(jìn)入測(cè)試模式6，由待測(cè)設(shè)備同時(shí)在四對(duì)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(cè)的是從方波過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始的第10ns到第90ns，要求電壓的跌落不超過(guò)10%。該測(cè)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(cè)設(shè)備進(jìn)入測(cè)試模式2，由待測(cè)設(shè)備同時(shí)在四對(duì)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(cè)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(cè)試與發(fā)送端時(shí)鐘頻率測(cè)試非常類似，同樣是進(jìn)入測(cè)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(cè)量的要求非常高，協(xié)會(huì)推薦測(cè)量時(shí)使用中頻為200MHZ、帶寬為2MHZ的中頻濾波器，以濾除與測(cè)試無(wú)關(guān)的噪聲和雜波的影響。在泰克的自動(dòng)測(cè)量方案中，就可以選擇采用軟件濾波器來(lái)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(cè)試需要有一個(gè)連接伙伴(Link Partner)來(lái)輔助測(cè)量，即與另一臺(tái)支持10GBASE-T的設(shè)備互連。Link Partner進(jìn)入測(cè)試模式1，在主模式下同時(shí)往A、B、C三對(duì)數(shù)據(jù)鏈路上發(fā)送偽隨機(jī)碼(PRBS33)。DUT進(jìn)入測(cè)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(duì)上發(fā)送出來(lái)。需要測(cè)量的就是D數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)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(cè)試模式4，由DUT同時(shí)往四對(duì)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(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)來(lái)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(cè)試的SFDR應(yīng)滿足:

SFDR ≥ 2.5 + min{52, 58 – 20 × log10(f/25)}

此測(cè)試中需要分別測(cè)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(qǐng)參考表1。考慮到信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(duì)其它頻率的信號(hào)產(chǎn)生影響了。