一、10G以太网的市场趋势
随着云计算、物联网、高清视频流等应用的普及,数据流量呈现指数级增长。WiFi速率不断提升,从早期的802.11b到如今的WiFi 6甚至WiFi 7标准的逐步推广,无线网络传输速度已大幅提升,使得无线设备能够更快地处理和传输数据。这一发展对有线网络提出了更高的挑战,特别是在接入层。10G以太网接口不仅能为高速无线网络提供稳定的回程连接,还能确保网络核心的高性能与低延迟,它在适应和支撑先进WiFi技术的同时,也成为了网络基础设施升级中的必然趋势。
二、10GBase-T的特性与测试挑战
10GBase-T是IEEE在2006年推出的10G以太网标准802.3an。它和之前的1000Base-T的实现方法类似,仍然是RJ-45网络接口,采用四个差分对同时双向数据传输,但传输的总速率10Gbps,每对线的速率高达2.5Gbps。
1000M Base-T采用PAM-5脉冲幅度调制,而10G Base-T采用更高阶的PAM-16, 脉冲电压幅度被分为16级电平,每个电压幅度称为1个Symbol,可以表示4个bit的信息,平均下来其中3.125bit是有效数据,另外的0.875bit用于辅助和校验等。然而,这种调制方式虽然将每对差分线上的传输速率大幅降低为800M Sym/s,但我们用示波器观察线路上的信号,看起来却是不规则的类似于噪音的波形。
如何保证10G以太网接口稳定可靠传送信号?
我们知道100Base-T用眼图、1000Base-T用脉冲模板来表征信号的质量,但对于类似于噪音的10GBase-T信号,传统的眼图方法已经不太合适,因此10GBase-T的物理层一致性测试定义了一些新的测试项目,除了传统的时域波形参数测试,还有频域的测试项目。全套测试设备除了主要使用的示波器,还需要用到频谱仪和矢量网络分析仪。
三、电动车10G Base-T以太网测试方案
鉴于10GBase-T每对差分线800MSymbols/s的传输速率,至少需要采用整体带宽2GHz以上的示波器测试系统。各测试项中用到的测试设备要求如下:
典型配置如下:
示波器:RTO64主机+RTO6-B92(2G带宽选件)
一致性测试软件:ScopeSuite (免费下载)
功能选件:RTO6-K23(兼容2.5G/5G/10G以太网测试的License)
夹具:RT-ZF2 (兼容10/100/1000M、以及2.5G/5G/10G以太网)
差分探头:RT-ZD30 3GHz带宽差分探头
频谱仪:FSVA3030+同轴线缆
矢量网络分析仪:ZND+ZV-Z192同轴线缆
界面友好的ScopeSuite一致性测试软件,提供了Step by Step引导式设置指南,就算是新手也可以在设置步骤提示和参考图片指引下,顺畅完成测试过程。
四、10G以太网测试项目简介
1、MAX输出电压跌落(IEEE standard 802.3an, subclause 55.5.3.1) 。测试连接图如下:
DUT(待测设备) 设置为Test Mode 6,此时DUT 网口在所有四个发射器上连续传送 128个 PAM16中的+16 Symbol,接着传送128个 -16 Symbol,用示波器观察到的是类似于方波的信号。
示波器首先测量正跳变沿之后10ns和90ns处的电压比,确保电压跌落不超过10%。
示波器然后测量负跳变沿之后10ns和90ns处的电压比,确保电压跌落不超过10%。
2、发射机线性度
发射机线性度(55.5.3.2)。首先进行示波器对频谱仪的程控连接设置,示波器和频谱仪在同一个网段即可。
DUT测试连接图如下:
DUT设置为Test Mode4,并依次让10G网口发射器输出5组双音信号。示波器的scopesuite一致性测试软件作为控制机,程控频谱分析仪测量每个音调和1~400MHz范围内几个互调频点的幅度,然后计算无杂散动态范围 SFDR,并验证SFDR是否大于以下公式给出的值:
公式中f 是每组两个单音信号的MAX频率(单位为 MHz)。
如果想知道双音信号在示波器上是什么表现,请参考以下Dual Tone 1波形。
例如某10G网口发射器的测试结果,五组双音测试全通过,以下为测试报告截图:
其中对于第五组双音信号Dual Tone5测试,FSVA频谱仪实测过程截图如下:
图中M3频点其实就是三阶互调产物2f2-f1 =2*313.281-310.156=316.406 MHz的实际测试值316.403MHz,SFDR=-6.16-(-67.18)=61.02 dB 。
3、Master模式下抖动与时钟频率
Master模式下抖动与时钟频率(55.5.3.3与55.5.3.5)测试连接图如下,
DUT设置为Test Mode 2,DUT发出连续的两个幅度编码为+16 和两个幅度编码为-16 的symbol,在800M Sym/s的符号速率下它相当于200MHz的时钟,用示波器观察的信号波形如下。
RMS周期抖动通过计算此波形的各个边沿位置来得到。要通过测试,测试值必须小于 5.5 ps。同时示波器也会进行频率测量,并确定发射器的时钟频率是否在800MHz+/-50ppm范围内, 例如以下测试报告截图:
4、Slave模式下发射机定时抖动
Slave模式下发射机定时抖动(55.5.3.3)测试连接图如下:
这里需要用到1个用于测试对接的良好质量Master 设备。下图中蓝色网线连接Master, 黄色网线连接Slave 模式的DUT。
DUT设置为Slave模式Test Mode 3。对接的Master 设备设置为Test Mode 1,也就是将 PMA 伪随机训练码型 (PRBS 33,如下图) 传输到 A、B 和 C 差分线对上的 Slave PHY。
而 Slave 设备必须将其传输时钟与从 Master PHY 接收到的信号同步,并从Slave PHY MDI 输出200MHz slave时钟。示波器用差分探头在 Slave PHY MDI 输出处捕获到该时钟波形,如下图:
测试软件将捕获到的200MHz时钟数据通过中心频率 200 MHz、带宽为 2 MHz 的带通滤波器进行滤波,然后计算 RMS 周期抖动。要通过测试,抖动必须小于 5.5 ps。例如以下测试报告截图:
5、发射机功率谱密度和功率电平
发射机功率谱密度和功率电平(55.5.3.4)测试连接图如下,和MAX输出电压跌落、Master模式下抖动与时钟频率测试连接方法一样。
DUT设置为Test Mode 5,即工作在正常的信号发送模式。
由于正常发送的10G Base-T是类似于噪声的信号,从时域分析比较困难,对功率的衡量主要是从频域测试。这项测试验证 DUT 在 0 至 3 GHz 频率范围内的发射机功率谱密度是否在规范第 126.5.3.4 节规定的上限和下限之间,它还验证 DUT 的发射机功率水平是否在 3.2 dBm 和 5.2 dBm 之间。
实际执行中Scopesuite一致性分析软件使用示波器自身的 FFT 变换和数学运算测量输入信号的功率水平,它还对 0 GHz 至 3 GHz 范围内的信号执行一些平均和数学运算来绘制 PSD 曲线,并检查它是否在限制模板内。
例如以下从测试报告中的结果截图:
6、MDI接口回波损耗(55.8.2.1)
由于10GBase-T信号在4对差分线上同时进行信号的收发,因此对于信号的反射非常敏感。符合 IEEE 802.3an 标准的 10GBASE-T 设备上的 MDI 接口理想情况下应具有 100 Ω的差分阻抗。MDI 的阻抗与连接器、电缆的阻抗之间的任何差异都会导致传输信号的反射。由于阻抗永远不可能精准地达到 100 Ω,并且终端阻抗随频率而变化,因此必须允许一定量的反射。
回波损耗是用于阻抗不匹配而反射的信号功率的一种量度方法。802.3an 规定,在 1.0 至 40MHz 的范围内,MDI 的反射功率必须至少比入射功率低 16 dB。回波损耗在 40 至 500MHz 之间必须低于16 – 10*log10(f /40) dB(f 以 MHz 为单位)。
DUT设置为Test Mode 5 ,即工作在正常的信号发送模式。
示波器上的Scopesuite测试软件,通过网口程控矢量网络分析仪对DUT的发射端口进行回波损耗测试。
步骤一
矢网的程控连接设置
示波器对矢网的程控连接设置,示波器和矢网在同一个网段即可。
步骤二
矢网的校准
示波器Scopesuite 软件提示依次连接RT-ZF2自带的校准板的Open-Short-Match进行校准。按照软件的步骤指引,很快可以完成校准过程。
步骤三
MDI接口回波损耗测试校
准完毕之后,软件提示将RT-ZF2夹具的回波损耗部分和DUT网口采用短网线连接。
点击Next,很快得到回波损耗测试结果,如以下测试报告截图:
五、2.5GBase-T与5GBase-T测试
现在大多数企业以太网传输标准主要还是1000Base-T,使用的传输线为CAT5e和CAT6网线。但10GBase-T需要使用UTP CAT6a线缆进行传输,无法很好地兼容已有的传 输网路,要升级的话,成本相对比较高,如何实现既要提速又要低成本?
2016年IEEE协会正式发布了IEEE 802.3bz标准。基于现有的CAT5e 和CAT6 传输线标准,在原来1000Base-T 和10GBase-T中间,多了2.5Gbps和5Gbps的速率来兼容现有的千兆传输网络。
2.5GBase-T提供2.5Gbit/s数据传输率,4对线,每对速率625Mbps。5GBase-T提供5Gbit/s数据传输率,4对线,每对速率1.25Gbps。与10GBase-T一样,他们都采用PAM-16编码,2.5GBase-T的符号速率为200M Sym/s, 5GBase-T的符号速率为400M Sym/s。
由于其采用的技术与10GBase-T类似,测试夹具、差分探头和测试软件也可以共用,测试方法也可以大致参考,此处不再详细描述。