100Base-TX接口指标的测试和分析(图)

　　 PCB设计网

　1.摘要
　　随着通信业的发展，百兆以太接口已普遍应用在各个领域，100Base-TX接口是基于4B/5B信号编码和使用两对5类双绞线作为传输介质数据率为100Mbps的接口，其传输距离可达100米。为了保证各种不同设备间的良好互通，接口物理特性的一致性和兼容性就显得特别重要，因此在《IEEE Std 802.3-2000》标准中规定了接口的物理特性、指标以及测试方法。本文结合作者在以太网领域多年的测试经验，介绍了100BASE-TX接口指标测试方法和测试仪器的选用，并将使用Tektronix公司CSA7404通信信号分析仪进行测试所获得的图形供大家参考。

　2.术语和定义
　　Return Loss 回波损耗
　　Eye-diagram 眼图
　　FLP：Fast LinkPusle
　　　　　　　　　　　　快速连接脉冲
　　DCD：Duty Cycle Distortion
　　　　　　　　　　　　占空比失真
　　STP：Shielded Twisted Pair
　　　　　　　　　　　　屏蔽双绞线
　　UTP：Unshielded Twisted Pair
　　　　　　　　　　　　非屏蔽双绞线
　　MLT-3：Multi level transmit-3levels
　　　　　　　　　　　　三电平传输码
　　PMD：Physical Medium Dependent
　　　　　　　　　　　　介质物理层
　　DUT：Device Under Test
　　　　　　　　　　　　被测设备 电子技术论文网

　　3.相关技术分析
　　3.1 100Base-TX接口的测试指标表
　　3.2 100Base-TX接口的指标测试特点及波形捕抓
　　在《IEEE Std 802.3-2000》标准中要求使用的测试波形是14位（112ns）的非跳变（transition）波形，然而在实际测试中很难获得这种112ns宽度的脉冲信号。通常在Idle状态下，96ns宽度的脉冲信号非常容易获得，因此采用96ns替代112ns脉冲信号作为测试信号。在使用100电阻作为测试负载时，使被测试端口LinkUP，通过示波器的宽度触发功能捕抓到宽度为96ns信号。
　　3.3 测试负载要求
　　在《IEEE Std 802.3-2000》标准中要求测试负载为满足100Ω±0.2%的电阻器且在频率≤100MHz时，串联感抗≤20nH、并联容抗≤2pF。
　　如果不是使用电阻器作为测试负载（例如使用一个实际的100Base-TX接口），那么它的“阻抗-频率”特性曲线不会是平坦的，这样就会引入较大的不确定误差。建议采用图1的“100ΩUTP测试负载”。
　　3.4 阻抗以及回波损耗的测试原理
　　
　　在两个端口之间的信号传输中，当信号X从端口A传输到端口B的时候，总会有一部分信号X1被反射回到端口A，另一部分信号X2则被传递到端口B。ＷＷ，这个ρ就是我们说的回波损耗（Return Loss）。两个端口之间的回波损耗与端口A、B的特征阻抗的关系为：Ｗ。Zα、Zβ为端口A、B的特征阻抗。由此可见，无论信号从端口A流向端口B，还是从端口B流向端口A，它们的反射衰减是一样的。同时，我们也可以得出这样一个结论：只要知道两个端口的阻抗就可以知道它们之间的回波损耗。因此，我们只　　要测出一个100Base-TX接口在某一个频点的阻抗特性，就可以知道此接口在某一个频点的回波损耗，反之亦然。 嵌入式开发网
使用HP8714ET网络分析仪可以测试端口的回波损耗。将RF-out端口与被测端口连接，从RF-out端口发出扫频信号到被测端口，然后自动测量被反射回来的信号的大小，经过换算就描绘出扫频范围内回波损耗与频点的关系。将网络分析仪的显示模式设定为Smith图格式，显示的就是被测试端口阻抗与频点之间的关系。
　　3.5 眼图测试的基本知识
　　如果将被测信号输入示波器，并且当示波器的触发时钟和被测信号同步时，在示波器上显示的图形很象人的眼睛，因此被称为眼图。二电平信号的眼图只有一只“眼睛”，而100Base-TX接口的MLT-3电平信号则会显示两只“眼睛”，在CSA7000系列示波器中显示两个触发周期所以眼图则有四只“眼睛”。眼图是由各段码元波形叠加而成的，眼图中央的垂直线表示最佳抽样时刻，位于两峰值中间的水平线是判决门限电平。
　　在无码间串扰和噪声的理想情况下，波形无失真“眼”开启得最大。当有码间串扰时，波形失真，引起“眼”部分闭合。由此可知，眼图能直观地表明码间串扰和噪声的影响，可评价一个基带传输系统性能的优劣。眼图有以下特征：（1）眼图张开的宽度决定了接收波形可以不受串扰影响而抽样再生的时间间隔。显然，最佳抽样时刻应选在眼睛张开最大的时刻。（2）眼图斜边的斜率表示系统对定时抖动（或误差）的灵敏度，斜边越陡，系统对定时抖动越敏感。（3）眼图左（右）角阴影部分的水平宽度表示信号零点的变化范围，称为零点失真量，在许多接收设备中，定时信息是由信号零点位置来提取的，对于这种设备零点失真量很重要。（4）在抽样时刻，阴影区的垂直宽度表示最大信号失真量。（5）在抽样时刻，上、下两阴影区间隔的一半是最小噪声容限，噪声瞬时值超过它就有可能发生错误判决。（6）图2中水平方向上虚线位置对应的电压为判决门限电平。 电子技术论文网
　　3.6 测试仪器的选择以及需求
　　3.6.1 示波器以及探头的带宽考虑
　　在《IEEE Std 802.3-2000》标准中，要求被测试端口输出信号的最小上升时间为3.0ns。因此，所选用的测试仪器必须有足够的带宽及采样率。
　　带宽BW和上升时间Tr的经验公式如下：
带宽 (GHＷ
系统带宽 电子电路图

系统上升时间

总上升时间

电子技术书籍网

　　根据上面公式，如果选择带宽1GHz的TDS784D示波器和差分探头P6247（1GHz带宽、上升时间<350ps、低输入电容<1pF），可以计算得到：（Trtotal表示在总体上升时间值） 电子技术论文网

Ｗ

　　由此可见，1GHz带宽的示波器加上1GHz带宽的探头，对上升/下降时间的测试误差在0.04ns左右（约为1.3%）。而本文所采用CSA7404通信信号分析仪（带宽4GHz上升时间约为87.5ps）和P7330差分探头（带宽3.5GHz，上升时间<140ps），则Trtotal等于3.0045ns，误差为0.0045ns左右（约为0.15%），完全满足测试精度的要求。可见，选择CSA7404可获得非常高的测试精度，且根据Tektronix公司的经验，选用10倍于信号频率的采样率进行测试，测试误差为0.5%左右。CSA7404的采样率符合要求。
　　3.6.2 网络分析仪的校准
网络分析仪在使用的时候需要进行校准。校准的内容包括：Short、Open、Load三项。网络分析仪在与Northhills转接头正确连接之后就可以进行校准了。Short校准时将Northhills接头的平衡端短路；Open校准时候将将Northhills接头的平衡端开路；Load校准时将Northhills接头的平衡端接上100的标准电阻。校准件需要按照图3自制。应当注意，Northhills转换器平衡端的电磁屏蔽，在电磁干扰尽可能小的地方进行校准。
3.7 “欺骗性UP”定义
　　 RFID技术网

　　在采用100Ω电阻负载进行黑盒测试时，对于不能强制为100M模式的设备，建议采用如图4所示的方法使设备Link UP。给DUT的RX端输入100M的Idle信号，DUT就会认为网络完整并Link UP，此时DUT的TX端就会发出Idle码流，从中可捕获96ns宽度的脉冲。文中所用之处全部称为“欺骗性UP”。
　



　 电子技术书籍网

  电子电路图

　　3.8 测量仪器和设备 PCB设计网

RFID技术网
　　3.9 测试装置图

嵌入式开发网

　　3.10 测试项目1：差模输出电压（Differential output voltage）
测试条件：
　　1. 测试仪器Textronix CSA7404通信信号分析仪（带P7330差分探头1台）。
　　
　　2. 测试负载采用100Ω电阻。
　　3. 被测端口：设定为100M状态，输出口即RJ45的TD+、TD－两信号脚两端连接P7330。
　　4. 测试组网图：见图5。
测试用例和步骤：
　　1. 按测试条件的要求搭建测试环境并准备好仪器。
　　2. 设置示波器，并捕获96ns脉冲波形。
　　3. 在示波器Measure功能中调出参数：High、Maximum参数。
　　4. 记录屏幕右边Measure参数中High即为+Vout，Maximum即为脉冲峰值，并存储波形。
　　5. 将触发电平改为－500mV，触发方式改为Negative，重复上述步骤，记录下负向脉冲波形幅度参数为－Vout，并存储波形。

测试通过的条件：
950mV≤│±Vout│≤1050mV。
其他说明和注意事项：
实测结果：
3.11测试项目2波形过冲（Waveform overshoot）
　　测试条件：
　　1. 测试仪器Textronix CSA7404通信信号分析仪（带P7330差分探头）1台。 电子电路图
　　2. 测试负载采用100Ω电阻。
　　3. 被测端口：设定为100M状态，输出口即RJ45的TD+、TD－两信号脚两端连接P7330。
　　4. 测试组网图：见图5。
　　测试用例和步骤：
　　1. 按测试条件的要求搭建测试环境并准备好仪器。
　　2. 设置示波器，并捕获96ns脉冲波形。
　　3. 在示波器Measure功能中调出参数：High、Maximum参数。
　　4. 记录屏幕右边Measure参数中High即为+Vout，Maximum即为脉冲峰值，并存储波形。
　　5. 将触发电平改为－500mV、触发方式改为Negative，重复上述步骤，记录下负向脉冲波形幅度参数为－Vout，并存储波形。
　　测试通过的条件：
　　Vovershoot/Vout≤5%，且在8ns的时间内衰减到1%以下。
　　其他说明和注意事项：
　　实测结果：
　　1. 波形图见“测试项目1”的实测结果波形。
　　2. 正向OverShoot为1.478%，负向OverShoot为0.0%。
3.12 测试项目：信号幅度对称度
测试条件：
　　1. 测试仪器Textronix CSA7404通信信号分析仪（带P7330差分探头）1台，测试负载采用100Ω电阻。
　　2　被测端口：设定为100M状态，输出口即RJ45的TD+、TD－两信号脚两端连接P7330。

电子电路图

其他／－＋＋＊／９５说明和注意事项：
实测结果：
1. 波形图见“测试项目1”的实测结果波形
2. 正向电压+Vout为0.996V，负向电压－Vout为01.006V，所以，满足要求。
3.13 测试项目4：上升/下降时间（Rise/fall time）
测试条件：
　　1. 测试仪器Textronix CSA7404通信信号分析仪（带P7330差分探头）1台，测试负载采用100Ω电阻。
　　2. 被测端口：设定为100M状态，输出口即RJ45的TD+、TD－两信号脚两端连接P7330。
　　3. 测试组网图：见图5。
测试用例和步骤：
　　1. 按测试条件的要求搭建测试环境并准备好仪器。
　　2. 设置示波器，并捕获96ns脉冲波形。
　　3. 在示波器Measure功能中调出参数：Rise/Fall time 参数，同时设置HighRef为900mV、LowRef为100mV。
　　4. 记录屏幕右边Measure参数中Rise/Fall time值，并存储波形。
　　5. 将触发电平改为－500mV，触发方式改为Negative，重复上述步骤，记录Rise/Fall time值，并存储波形。
测试通过的条件：
　　3.0ns≤trise/fall≤5.0ns，且所有测试的最大最小的trise和tfall之间的最大差别≤0.5ns。
其他说明和注意事项：

电子技术论文网

3.17 测试项目8：发送回输损耗（Transmitter Return Loss）

　　



4.被测端口：100Base-TX的平衡输出口即RJ45的TD+、TD－两信号脚两端
测试组网图：
测试用例和步骤：
　　1. 将被测试负载或配件、网络分析仪和被测设备（DUT）按组网图连接好。
　　2. 打开网络分析仪预热5～10分，将网络分析仪设定在Reflact模式并按照网络分析仪的菜单逐步进行校准。
　　3. 按照下表配置网络分析仪：　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　6. 使用网络分析仪的Mark功能在曲线上均匀的放置Mark点以获取回波损耗值。
应达到的要求、指标和预期结果：
　　UTP标称阻抗100Ω，在2.0～80.0MHz范围内阻抗回输损耗应满足下列要求：
　　2～30MHz：＞16dB
　30～60MHz：＞16～20lg（f/30）dB f：频率，以MHz计
　　60～80MHz：＞10dB
其他说明和注意事项：
　　网络分析仪在测试之前必须先预热并且进行校准。
实测结果：
3.18 测试项目9：接收器阻抗回输损耗（Receiver Return loss）
测试条件：

电子技术书籍网

电子技术论文网

　4.被测端口：100Base-TX的平衡输出口即RJ45的TD+、TD－两信号脚两端
测试组网图： 电子电路图

测试用例和步骤：
　　1. 将被测试负载或配件、网络分析仪和被测设备（DUT）按组网图连接好。
　　2. 打开网络分析仪预热5～10分，将网络分析仪设定在Reflact模式并按照网络分析仪的菜单逐步进行校准。
　　3. 按照下表配置网络分析仪： PCB设计网

　　4. 开始进行DUT的回波损耗测试。当回波损耗曲线出现之后，使用网络分析仪的AutoScale功能自动获取最适纵向显示步长。
　 电子技术论文网

5. 使用网络分析仪的Mark功能，在曲线上均匀地放置Mark点以获取回波损耗值。
电子技术论文网

应达到的要求、指标和预期结果：
　　UTP标称阻抗100Ω，在2.0～80.0MHz范围内阻抗回输损耗应满足下列要求：
　　2～30MHz：＞16dB
　　30～60MHz：＞16～20lg（f/30）dB f：频率，以MHz计
　　60～80MHz：＞10dB
PCB设计网

  电子技术书籍网

PCB设计网

嵌入式开发网

其他说明和注意事项：
电子技术论文网

实测结果：
　　例如，Ztransmitter = 100Ω，Zload = 50Ω时，理论值为 wwwwwwwwwwwww

电子技术书籍网

3.19 测试项目10：差模输入特性（Differential input signals）
测试条件：
　　1. 双绞线模型（实际测试采用5种长度5类双绞线，详见附件1）1个或者5根
　　2. 被测端口：100Base-TX的平衡输入口即RJ45的RD+、RD－两信号脚
　　3. 被测端口应在上电的条件下测试，接收器应能接收输入的任意数字序列
测试组网图：

测试用例和步骤：
　　1. 按测试组网图准备好仪器和被测设备，上电确保被测设备（DUT）的端口工作模式和测试仪器Smartbits都为100M全双工模式。
　　2. 将Smartbits和被测设备的统计计数器都清零。
　　3. 其中特殊长度CAT-5 UTP网线有5种：7米、32米、70米、100米、130米，首选100米做。
　　4. 配置Smartbits发送数据包，包长分别为64、128、256、512、1024、1280、1500，开始发送发送，速率可以为100M线速（100%），发送数据包数至少为配置其发包数为4.23×107个。
　　5. 停止Smartbits发送后，观察发送和接收数据包统计数，判断是否有丢包、CRC错包及其他种类错包。
　　6. 依次做完5种双绞线模型，即7米、32米、70米、100米、130米。
应达到的要求、指标和预期结果：
　　1. UTP双绞线模型有5种，其衰减量分别为0.5、2.5、5.0、7.5、10.0dB，分别对应于7米、32米、70米、100米、130米。对于各种长度的测试BER≤1×10-10。
　　2. 发送包大小设为1426字节，发包数为4.23×107个，要求满足错包数≤50个。要求接口满足BER≤1.0×10-10。
其他说明和注意事项：
　　有关双绞线模型的要求及实现请参见本规范的附录。

电子电路图

测试用例和步骤：
　　1. 按测试组网图准备好仪器和被测设备，上电确保被测设备（DUT）的端口工作模式和测试仪器Smartbits都为100M全双工模式。
　　2. Ecm为正弦信号，使用HP8714ET引入，频率范围为0～125MHz，幅度1.0Vpp，示波器分别监视Ediff和Ecm。按下表设置仪器： RFID技术网

PCB设计网
　　3. 在加入上述共模干扰的情况下：重复差模输入特性（Differential input signals）测试步骤，测试5种长度网线情况下的BER大小。
应达到的要求、指标和预期结果：
　　1.输入端应能抵抗频率范围为0～125MHz，幅度1.0Vpp的正弦共模干扰的情况下，分别用7米、32米、70米、100米、130米长度的测试BER≤1.0×10-10。
其他说明和注意事项：
　　1. 两对R1、R2电阻要尽可能相等，尽可能地靠近接收端，地线必须连接良好。
　　2. ANSI X3.263的要求：Receiver shall deliver the proper value for PM-UNITDATA.indication, at the specified Bit Error Rate, E cm shall be a 1.0 Vpeak-to-peak sine wave from 0 MHz to 125MHz。 电子电路图

4 附件
　　4.1 附件1：双绞线模型的要求和实现方法
　　ANSI X3.263-1995附录A给出了双绞线模型的技术要求，下面就其衰减特性作出说明。对UTP而言，有5种模型，其衰减量分别为最坏情形衰减量的5%、25%、50%、75%和100%，STP仅有一种衰减比例为100%。衰减量是以16MHz为测试频率。5种测试模型的衰减量及精度要求见表3。

PCB设计网
　　鉴于目前的100BASE-TX接口大多都是针对无屏蔽双绞线（UTP）设计，我们对常用的4PR 24AWG UTP 75C型网线进行了实际测量，测试结果如表4所示。

　　* 为推算出的结果
　　由测试结果可以看出，网线的衰减特性基本符合规律。由于所用仪器最高测试频率仅为14MHz，故由此规律可以推算出16MHz时的衰减量。根据上述测试结果，我们可以选取一定长度的网线作为双绞线模型，见表5。 电子电路图

　4.2 附件2：误码率和丢包率的分析
　　丢包率的最小计算单位为一个包（Packet），在实际的收发数据包的统计中，如果收到有CRC错误的包，我们就认为这个包在线路传输过程中受到码间干扰或者信号畸变等原因的影响而出现了误码，这种误码可能是1位或者多位。

电子技术书籍网

　　其中u=N×Per（n：为发送包个数，Per=包位数×BER）
　　这样，在T时间内出现n或更少事件的概率P（n）可以用泊松分布累积表示：

　　其中u=N×Per（n：为发送包个数，Per=包比特数×BER）
　　由泊松分布可知期望值就是u，因此在90%确信度情况下泊松分布累积P(n)为10%时，对于一个给定的n值我们可以计算出期望值u来。其中n就是我们实际测试中错包数的最大值。通过比较实际测试的错包数和n值就可以判断测试是否满足要求。因此可以得出如下数据：
　4.2.2 丢包率计算和数据列表
　　本规范中发送的以太网包长为1426字节（数据包在4B/5B后位数为14260比特，用L表示），由误码率可以计算出错包率，　计算如下：
　Per=BER×L=1.0×10-10×14260 =1.426×10-6 （公式6）
则测试时要发送的包数为：
　　N(n) =u/Per （其中u为期望值，n为错包最大数） （公式7）
　　当确定n值后，u可以由泊松分布累积计算出来。比如n=1时，P（1）=10%，则得出u=3.89。
　　则要发送的包数为N（1）=3.89/Per=2.72×106个1426字节包。如果在测试中出现一个错包就认为测试不满足误码率为1.0×10-10要求。下面给出n为不同值的数据列表，见表6。 电子技术论文网

　　考虑测试效率问题，测试时间不能太长，如果以1426字节包长线速发送其速率为8644.5Packet/S，在误码率要求为1.0×10-10时，如果选择n=50时发包数为4.23×107个，测试时间为4893秒，约为81.55分。 电子电路图

　　同理可以得出测试不通过判据列表如下：
本规范建议：在正常情况只测试“通过判据”数据，如果满足要求不用进行测试“不通过判据”。 RFID技术网

电子电路图

参考文献
1 《IEEE Std 802.3-1998 Local And Metropolitian Area Networks》，IEEE协会
2 《100Base-TX Physical Layer Conformance Test Kit》，Intel公司
3 《TDS500D TDS600B&TDS700D Digitizing Oscilloscopes User Manual》
4 《100 TXFast Ethernet TP-PMD Test》，Pulse 公司，www.pulseeng.com
5 《Fast Ethernet consortium PMD Test Suite》，InterOperability Lab实验室，www.iol.unh.edu
6 《ANSI X3.263-1995 Fibre Distributed Dada Interface（FDDI）-Token Ring Physical LayerediumDependent（TP-PMD）》