10GBASE-T以太網信號完整性測量設計方法

本文將重點介紹10GBASE-T以太網一致性測試面臨的新的挑戰以及相應的測量方案。以太網是個人電腦和消費電子非常重要的外圍通訊接口。隨著新一代以太網協議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。
IEEE組織于2006年推出802.3an協議，即10GBASE-T以太網協議。該協議定義了基于RJ-45接口和雙絞線傳輸介質的10Gbps以太網傳輸速率，與千兆網相比，速率提高了10倍。經歷了三年的技術儲備和市場醞釀，10GBASE-T以太網相關產品在2009年開始面世。在可以預見的未來幾年內，10GBASE-T以太網將逐步取代千兆網成為市場的主流。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，為廣大研發公司的技術創新提供了信號完整性保證。

10GBASE-T以太網簡介

以太網協議發展至今已歷經四代，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，每次更新換代都是以10倍的速率在刷新，并且都是向下兼容。10GBASE-T沿用以太網規范，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。每對線的傳輸速率為2.5Gbps，最遠傳輸距離可達100m。對于所有認可的傳輸距離和傳輸介質，可以達到10E-12的BER(誤碼率)。10GBASE-T采用PAM16(16級脈沖幅度調制)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地變得寬松。

一致性測試的挑戰

測試上10GBASE-T的復雜程度比之前的以太網協議都高。傳統的以太網測試一般分為幅度域測試、時間相關測試、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的調制方式。16級脈沖幅度的復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。IEEE組織巧妙地避開了幅度測試方面的難點，轉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雜調制。失真測試采用傳輸線性度(Transmitter Linearity)進行衡量，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到500MHZ，遠高于1000BASE-T要求的100MHZ。

時間相關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), 發送端時鐘頻率(Transmitter Clock Frequency ), 發送端抖動-主模式(Transmitter Timing Jitter-Master), 發送端抖動-從模式(Transmitter Timing Jitter -Slave) , 傳輸線性度(Transmitter Linearity),發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成方法：

最大輸出跌落 需要配置待測設備(DUT)進入測試模式6，由待測設備同時在四對傳輸鏈路上發出如下數據循環{連續128個 “+16” Symbol, 連續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連續高度重復的情況下，幅度的跌落仍然在可允許的范圍之內，不至于出現Symbol誤判的情況。

發送端時鐘頻率 需要配置待測設備進入測試模式2，由待測設備同時在四對傳輸鏈路上發出如下數據循環{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，規范要求結果需在200MHZ的50ppm范圍之內。

發送端抖動-主模式 此測試與發送端時鐘頻率測試非常類似，同樣是進入測試模式2。規范要求抖動的RMS值應在5.5ps范圍之內。值得一提的是，由于抖動測量的要求非常高，協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行濾波。

發送端抖動-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的設備互連。Link Partner進入測試模式1，在主模式下同時往A、B、C三對數據鏈路上發送偽隨機碼(PRBS33)。DUT進入測試模式3，在接收到Link Partner的信號之后，從中恢復出一個200MHZ的時鐘，以數據循環{2個 “+16” Symbol, 2個”-16” Symbol…}的方式往D數據對上發送出來。需要測量的就是D數據對上偽時鐘的抖動，規范要求仍為抖動RMS值在5.5ps之內。此測量同樣推薦使用中頻濾波器進行濾波。

傳輸線性度 需要配置DUT進入測試模式4，由DUT同時往四對傳輸鏈路發出一組雙音信號(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。規范要求此測試的SFDR應滿足:

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范的要求請參考表1。考慮到信號經過長距離傳輸之后，不可避免的產生抖動和失真，信號的頻率會在小范圍內波動。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生影響了。

功率譜密度和功率值 需配置DUT進入測試模式5，即正常操作模式。發送端功率需介于3.2dBm和5.2dBm之間。其功率譜密度(100 ohm負載下)需滿足協議規定的上下限要求。協議規定如圖1所示。泰克科技方案的實測案例波形如圖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。

回波損耗 回波損耗測試仍沿用以太網系列協議之前的測試方法，由一臺信號源發出掃頻信號，用示波器的兩個通道分別探測入射波形和反射波形，計算出回波損耗。只是10GBASE-T對信號源的能力提出了更高的要求，需要能發出最高到500MHZ的掃頻信號。另外，這個測量也可以用網絡分析儀來完成。

不同儀器對于頻域測量的對比

以傳輸線性度這個測試為例，我們可以比較一下頻譜分析儀和示波器實測的差異。表2是一份實測數據表，從中可以看出，二者的測量結果是非常接近的，其測量精度都能很好的滿足標準的要求(關于傳輸線性度的標準，可以參考表1)。

泰克公司的方案

10GBASE-T的symbol速率為800M Symbol/s, 其基頻分量為400MHZ，按照5次諧波原則，示波器最少需要2GHZ帶寬。考慮到PSD測量的上限定義到了3GHZ（參考圖1），泰克推薦使用DPO7354示波器或DPO/DSA70000(B)系列示波器進行測量。除示波器外，還需要自動測量軟件XGBT，差分探頭或SMA線纜，測試夾具。如果要做回波損耗測試，還需要一臺信號源。表3是泰克公司方案的一覽表。

泰克的夾具支持所有的七項測量。夾具分成三塊，分別可以完成發送端抖動-從模式、回波損耗和其它五項測量。圖3是泰克公司方案的夾具圖片。

本文小結

本文介紹了10GBASE-T以太網的一些基本情況，如速率、傳輸介質、傳輸方式、調制方式等，測試的挑戰如引入了頻域測量，以及規范要求的七大測量項目，分析了針對頻域測試不同測量方案的結果差異，列出了泰克的測量方案供參考。