2019年11月16日 | 10Gbase-T物理层一致性测试方法

2006年6月，基于非屏蔽双绞线铜质电缆的10Gb以太网IEEE 802.3an 10GBASE-T规范得以批准通过，该规范为网络管理员和IT专业人员构建数据中心和企业网络提供了两个重要的特性。首先，它支持传统的铜质电缆，新装用户能够沿用原有的铜质电缆结构并支持RJ-45连接器和接插板。其次，10GBASE-T通过支持高密度的10G开关，实现了有史以来成本最低的10G 互连解决方案。10Gbase-T物理层和信号编码特征如下图所示。


从10Gbase-T物理层和编码特征可以看出，对其接口进行物理层一致性测试是非常重要的，是确保不同设备互通互联的基础。10Gbase-T物理层一致性测试涉及多个测试项目，需要多个测试仪器，下图是物理层一致性测试的连接框图和需要使用的测试仪器。

需要测试的项目和使用的测试仪器如下：

IEEE 802.3an-2006 第55.5.3.1 小节：  最大输出跌落，需要使用示波器进行测试

IEEE 802.3an-2006 第55.5.3.2 小节：  发射机线性度，需要使用频谱分析仪进行测试

IEEE 802.3an-2006 第55.5.3.3 小节：  发射机定时抖动，需要使用示波器进行测试

IEEE 802.3an-2006 第55.5.3.4 小节：  发射机功率频谱密度 (PSD) 和功率电平，需要使用频谱分析仪进行测试

IEEE 802.3an-2006 第55.5.3.5 小节：  发射时钟频率，需要使用示波器进行测试

IEEE 802.3an-2006 第55.8.2.1 小节：   MDI 回波损耗，需要使用矢量网络分析仪进行测试
      

由于物理层信号的复杂性，测试时需要把被测件设置到测试模式，共有7个测试模式。对于具有MDIO管理接口的被测件，只要设置寄存器1.132.15:13即可进入不同测试模式，如下图所示。不同测试项目需要的测试模式如下：

55.5.3.1 小节：  最大输出跌落， 测试模式6

55.5.3.2 小节：  发射机线性度， 测试模式4

55.5.3.3 小节：  发射机定时抖动，测试模式1,2,3

55.5.3.4 小节：  发射机功率频谱密度 (PSD) 和功率电平，测试模式5

55.5.3.5 小节：  发射时钟频率，测试模式1

55.8.2.1 小节：   MDI 回波损耗，测试模式5

测试时使用U7237A测试夹具，这个测试夹具使用55.5.2.1描述的探测电路。U7237A夹具包括多个部分：主夹具电路板，一对16英寸SMP(f)到SMA(m）电缆，2根8英寸测试电缆，1个300KHz到3GHz Balun，6个SMP 50欧姆匹配终端。如下图所示。

U7236A 10GBASE-T以太网电气试验软件提供以下几个特征，从而简化10Gbase-T物理层一致性测试，软件界面如下图所示。

● 完成对10GBASE-T 发射机电气技术规范的覆盖，具体规范如IEEE 802.3an-2006 第55.5.3 节所述。

● 支持Agilent 矢量网路分析仪，进行准确的回波损耗测试

● 示波器、频谱分析仪和矢量网络分析仪自动进行测量设置和编程，从而提高准确度、节约时间并提高可
重复性。

● 具有自动的试验引擎，用户界面非常友好，您可对仪器进行设置并选择和配置要运行的试验，从而可以
根据余量分析产生测试结果综合报告。

下一节具体介绍各个测试项目具体测试的执行情况。

一、示波器测试部分

最大输出跌落（Droop)；

抖动（Jitter, 分为Master抖动和Slave抖动）；

发射时钟频率（Transmit Clock Frequency)。

下面是示波器测试时的连接照片：

1. 最大跌落测试

首先配置被测设备(DUT)进入测试模式6。

在测试模式6，被测设备会同时在四对传输线上发出如下数据循环{连续128个 “+16”符号, 连续128个”-16”符号…}，形成一个3.125MHz的低频方波信号。测量的内容是：从方波过零点开始的第10ns到第90ns，其电压的跌落不超过10%。

这项测试的目的是确保在符号连续重复的情况下，幅度的跌落仍然在可允许的范围之内，不至于出现符号误判的情况。

2. 抖动测试

Master抖动：首先需要设置被测设备进入测试模式2。

在测试模式2，被测设备同时在四对传输线上发出如下数据循环{2个 “+16”符号, 2个”-16” 符号…}, 形成一个200MHz的伪时钟。规范要求抖动的RMS值应在5.5ps范围之内。值得一提的是，由于抖动测量的要求非常高，协会推荐测量时使用中频为200MHz、带宽为2MHz的中频滤波器，以滤除与测试无关的噪声和杂波的影响。

Slave抖动：（对于不支持还回定时的物理层芯片，这是一个选择测试项目。）

Slave模式下的抖动测试需要有一个连接伙伴(Link Partner)来辅助测量，即与另一台支持10GBASE-T的设备互连。Link Partner进入测试模式1，在Master模式下同时往A、B、C三对数据链路上发送伪随机码(PRBS33)。被测设备进入测试模式3，在接收到Link Partner的信号之后，从中恢复出一个200MHZ的时钟，以数据循环{2个 “+16” 符号, 2个”-16” 符号…}的方式向D数据对上发送出来。需要测量的就是D数据对上伪时钟的抖动，规范要求仍为抖动RMS值在5.5ps之内。此测量同样推荐使用中频滤波器进行滤波。

Slave抖动的测量连接图如下图所示。

伪时钟抖动RMS值的测量需要测量200K个周期样本以上，然后按下面公式计算抖动：

3. 发射时钟频率测试

首先配置被测设备进入测试模式1。

在测试模式1，被测设备同时往四对数据链路上发送伪随机码(PRBS33)。在Slave抖动测试中就用到测试模式1，因此可以代表被测是被发送的时钟。示波器中需要用到时钟恢复进行数据速率的测量。规范要求：800MHz+-50ppm。

二、频谱仪测试部分

发射机线性度(Transmitter Linearity)；

发射机功率频谱密度(Transmitter Power Spectral Density)；

发射机功率电平(Transmitter Power Level)。

下面是频谱仪测试时的连接照片：

1. 发射机线性度测试
首先配置被测设备进入测试模式4。这时被测设备会同时往四对传输线发出一组双音信号(Dual Tone), 即两个频率非常接近、幅度相等的正弦波信号。
发射机线性度用无杂散动态范围(SFDR)来衡量, 即载波频率(最大信号成分)的RMS幅度与次最大噪声成分或谐波失真成分(仅考虑1 MHz to 400 MHz之间的谐波成分)的RMS值之比。

        规范要求此测试的SFDR应满足:

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

        此测试中需要分别测试五组不同频率的双音信号，双音信号的频率以及规范的要求如下。

这些双音信号的时域波形和频域频谱如下图上半部分所示，频域的SFDR测试如下图下半部分所示。

2. 发射机功率频谱密度

首先配置被测设备进入测试模式5，即在正常工作模式时发射伪随机码PRBS，波形如下图所示。

发射机功率需介于3.2dBm和5.2dBm之间。其功率谱密度(100欧姆负载下)需满足协议规定的上下限模板的要求（功率谱密度PSD模板定义到3GHz）。

功率谱密度PSD模板如下图上半部分所示。图下半部分是实际测试时自动测试软件如何设置频谱分析仪，如何读出每个频点的PSD值，然后在软件中得出测试结果。

3. 发射机功率电平

首先配置被测设备进入测试模式5，即在正常工作模式时发射伪随机码PRBS。要求发射机的发射功率介于3.2dBm和5.2dBm之间，但是规范并没有给出对应的频率范围，我们通常使用1MHz到400MHz的频率范围做测试。通常仪器设置如下：

–Start freq to 1MHz (DC coupling mode)

–Stop freq to 400MHz

–Marker -> Function -> Band Power

–For ESA/PSA, set Marker -> Delta Pair -> Ref to start freq and Δ to stop freq

–For MXA/EXA, set the band interval to 1-400MHz

为什么有的频谱分析仪的设置要从3MHz开始？这是因为频谱分析仪自身的本振馈通的影响（LO Feedthrough)，如下图。

那如何确认自己使用的频谱分析仪的本振馈通的大小呢？可以先不接信号，设置Start频率为-10MHz，设置Stop频率为10MHz，设置RBW带宽为300KHz，然后用Marker测试本振馈通的大小，确定合适的起始频率。

三、网络分析仪测试部分

回波损耗（Return Loss)。

回波损耗是测试端口反射回来的能量与入射的能量的比值，但是需要考虑每个频点的比值，所以是个矩阵，反映的是端口的阻抗匹配特性。回波损耗用dB表示： RL（dB） = 20 log10 |Г0|
其中Г0是反射系数：

对于一个理想阻抗匹配的端口，没有能量被反射回来，回波损耗就是无穷大。10Gbase-T使用双向信令的方式，同时双向传输，芯片的管脚同时发射信号和数据，也同时接收信号和数据。如果回波损耗比较低的话，信号会在差分传输线/链路上多重反射，就会产生信号完整性问题。所以回波损耗的测量是非常关键的测试项目，需要使用网络分析仪来进行测试，而且测试时需要做较精确的校准。
规范要求的回波损耗的范围是：

安捷伦方案使用同样的测试夹具测试回波损耗，其中差分到单端转换使用一个Balun。自动软件会引导你如何校准端口，如果不实时连接到外部网络分析仪，也可以使用先前网络分析仪测试的文件，软件会自动转换到100ohm的读值。使用自动软件测试的自动设置测试过程或手动设置VNA测试的手动设置和测试过程如下图所示。