Испытания устройств на соответствие стандарту Ethernet 10/100/1000

Даниел ЧУНГ

Испытания устройств

на соответствие стандарту Ethernet 10/100/1000

В статье приведен обзор методов электрических испытаний широко распространенных устройств 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T. По мере роста скорости передачи от 10 до 1000 Мбит/с увеличивается и сложность сигналов, используемых для передачи данных в сети Ethernet. Эта тенденция сохранится и в будущем, поскольку конструкторы вынуждены применять все более сложные схемы модуляции для передачи большего объема данных по кабелю UTP с ограниченной полосой сигнала.

Указания по применению

Количество устройств со встроенным сетевым интерфейсом постоянно растет и будет расти, потому что разрабатывается и выпускается все больше цифровых развлекательных устройств с возможностью подключения к сети. Сегодня диапазон устройств с цифровым интерфейсом простирается от персональных компьютеров до камер видеонаблюдения. Времена, когда порт 10 Мбит/с можно было встретить только в больших серверах и в системном сетевом оборудовании, остались далеко в прошлом.

Рис. 1. 8-контактная вилка RJ-45

Таблица. Назначение выводов 8-контактной вилки ^-45 для кабеля с прямой разводкой стандартов ЮБЛвЕ-Т, 100ВА8Е-ТХ и 1000ВА8Е-Т.

ТЭ/РЭ означает передачу-прием данных.

В!_Эх означает двунаправленную пару проводов х

Контакт 10BASE-T/100BASE-TX 1000BASE-T

1 TD+ BI_DA+

2 TD- BI _ 0 > 1

3 RD+ BI_DB+

4 Не используется BI_DC+

5 Не используется BI _ о 0 1

б RD- BI _ 0 СР 1

7 Не используется BI_DD+

8 Не используется BI _ о 0 1

Обычно в этих портах, известных также как порты «LAN», используются стандарты 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T или их комбинации. Эти стандарты позволяют передавать данные по кабелю ШТ с 8-контактным разъемом RJ-45 со скоростью 10, 100 или 1000 Мбит/с. В этой статье мы кратко опишем электрические сигналы, которые используются в этих технологиях, и расскажем о быстрых способах их тестирования и контроля. Эта информация будет полезной для инженеров, занятых проверкой реализации интерфейсов 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T в своих устройствах.

ЮВАБЕ-Т

Стандарт-долгожитель. 10BASE-T применяется с 1990 года и пока не собирается сходить со сцены, хотя многие считают его устаревшим. Он обеспечивает передачу данных со скоростью 10 Мбит/с по двум витым парам кабеля категории 3 или 5, причем одна пара используется для передачи, а другая для приема. Две другие пары кабеля не используются.

100BASE-TX

100BASE-TX — самая распространенная версия протокола 100 Мбит/с Ethernet (известная еще как Fast Ethernet), используемая для передачи по кабелю UTP. Она использует для приема и передачи те же пары, что и 10BASE-T, но требует применения кабеля категории 5 и выше.

1000BASE-T

1000BASE-T — самая распространенная версия протокола 1000 Мбит/с Ethernet (известного еще как Gigabit Ethernet), используемая для передачи по кабелю UTP. Она использует все четыре пары кабеля UTP и требует применения кабеля категории 5E и выше.

На рис. 1 ив таблице показано назначение выводов 8-контактного разъема RJ-45 для кабеля с прямой разводкой.

Снятие сигналов 10BASE-T и измерение их параметров

В стандарте 10BASE-T используется передача дифференциальных сигналов, и наиболее

Рис. 2. а) Цепь 10ВЛ8Е-Т ТЭ, непосредственно подключенная к нагрузке. Выходное напряжение Уо измеряется на нагрузке; б) цепь 10ВЛ8Е-Т ТЭ, подключенная к нагрузке через имитатор витой пары

L=

180 мкГн

1150м j П 76,8 0м J

L=

220 мкГн

П Фс"

Нагрузка 1

Нагрузка 2

Ls = L ±1% Rp>2 кОм

Ср= 12 пф ±20% Rs<0,5 Ом

Определение L

Рис. 3. Нагрузки 1 и 2, используемые для тестирования 10BASE-T

простым методом их регистрации является снятие сигнала с нагрузочного резистора 100 Ом, подключенного к контактам TD+ и TD-(рис. 2a). Кроме активной нагрузки 100 Ом, стандарт предусматривает для тестирования две дополнительные нагрузки. Эти дополнительные нагрузки показаны на рис. 3. Кроме прямого соединения цепи TD с нагрузкой, стандарт описывает применение «имитатора витой пары» (TPM). TPM представляет собой эквивалентную цепь, которая имитирует искаже-

ния, вносимые симплексным сегментом соединения, и состоит из четырех RLC-цепей (здесь не показаны). Измерения некоторых параметров 10BASE-T выполняются итерационно с TPM и без него, на нагрузках 1 и 2, включая активную нагрузку 100 Ом. Таким образом, измерений получается довольно много.

Теперь рассмотрим формы сигналов 10BASE-T. Обычно для тестирования используются сигналы четырех различных типов. Если не оговорено особо, все рассматривае-

мые в этой статье сигналы измеряются по схеме, приведенной на рис. 2a, с активной нагрузкой 100 Ом.

К первому типу сигналов относится сигнал LTP или импульс проверки соединения (NLP), или нормальный импульс соединения (рис. 4). LTP — это первый сигнал, передаваемый передатчиком, который используется, чтобы показать присутствие активного передатчика. Если на противоположном конце линии присутствует другое активное устройство, оно отвечает своим сигналом LTP. Также LTP используется в пакетах для формирования слов данных во время обмена информацией о возможностях устройства в процессе установки соединения. Во всех случаях LTP должен укладываться в определенный шаблон для всех комбинаций нагрузок — как с имитатором витой пары, так и без него (рис. 5).

Следующий сигнал, который представляет для нас интерес, это сигнал TP_IDL. Данные 10BASE-T передаются пакетами, в которых применяется манчестерское кодирование (значения битов определяются по переходам сигна-

(I of 2) Delrtc

РШИРНИ ШШШ —1 2GHz Reduced ВИ 1-

о Э Ї gk n 9

Ь“—| LTP без TPM N

_

[“Ч LTP с T PM p|

-— _

|г . [ееао *1 si [£Ы s  |o|»[  * '

ІЕУ1

Vertical Scale Offset Horizontal Scale Position

536 eV/dlv 1 .330(30 V 100 ns/dlv 6.0 s

590 nV/dlv ) 99009 V 190 ne/dlv 9.9*

1-

0 ' 1ЕШ2Ш g

» и I 1

m s a

г 1 1 ШШ ШШI

IJ

г, о , с ЩЕИ БШБЗ^Н• • її iLilB : 'MarkersjМж* Test Cc4cr&a4jP4 1

Рис. 4. Импульс проверки соединения (LTP) с имитатором витой пары (TPM) и без него

Рис. 5. Сигнал LTP с TPM в шаблоне LTP

. ,!>. s.'t, и '!• ...ч |Г.  ..-Ч I *f»ll>

More О of 2) І

I lk> c:ontro< SctU) Мяпчгс An.Vy/P Utilities Help

Vertical Scale Offset

J .00 V/dlv 9.9 V

1.90 V/div 9.9 V

Horizontal Scale Position

700 ne/dlv 0.0 s

290 ne/dlv 0.0 s

Рис. 6. Случайные пакеты данных с манчестерской кодировкой

Рис. 7. ТР_Ю1_ — положительный импульс длительностью 300 или 350 нс, в зависимости от значения последнего бита

ПМ СопГго) ММШГ* А|ы1у/1> 1ЛП1(1о* Нф

|Ас<|и1«И1оп 1а Пор рой 140.0 <Я*/ш »Ауд*: 512 Г“  - - - -1 ЗСНг ПвОис<к1 М -

1 о юоц 0 § ? §?

-

п

* I

1 т -г! *|¥вк1 *| Ш -о * < о |»[ о ОДД ; '

Рис. 8. Сравнение сигнала ТР_Ю1_ с маской

Рис. 9. Сигнал в манчестерской кодировке, состоящий из единиц

Рис. 10. Экран осциллографа разделен на 2 части: верхняя часть соответствует сигналу в манчестерской кодировке, состоящему из всех единиц, нижняя часть экрана получена в результате применения функции FFT для измерения гармоник сигнала в манчестерской кодировке, состоящего из всех единиц

Рис. 11. Пустая последовательность данных в кодировке М1_Т-3, поступающая от передатчика 100ВДЗБ-ТХ

ла), причем пакеты отделяются пустыми промежутками, известными также как межфрей-мовые промежутки (рис. 6, 7). Сигнал ТР_ГОЬ показывает начало пустого промежутка и, следовательно, располагается в конце каждого пакета данных. Как и сигнал ЬТР, сигнал ТР_ГОЬ должен укладываться в определенный шаблон для всех комбинаций нагрузки — как с имитатором витой пары, так и без него (рис. 8).

В нижней части экрана (рис. 6) показан увеличенный фрагмент сигнала, соответствующий белому прямоугольнику в верхней части экрана.

Номинальная частота сигнала 10ВА8Е-Т равна 10 МГц. Сигнал из всех единиц в манчестерской кодировке соответствует сигналу частотой 10 МГц (рис. 9). Этот состоящий из одних единиц сигнал используется для проверки уровня всех гармоник в цепи передачи, который должен быть как минимум на 27 дБ ниже уровня основной частоты. Это измерение выполняется достаточно просто на большинстве современных цифровых осцилло-

графов с функцией быстрого преобразования Фурье (БЬТ). Применение ББТ с функцией окна Хеннинга для повышения точности частоты позволяет легко измерить амплитуду сигнала 10 МГц и всех его гармоник.

На экране (рис. 10) показан один маркер, установленный на основную частоту 10 МГц, и другой маркер, установленный на третью гармонику (30 МГц).

Показанная на рис. 10 амплитуда третьей гармоники составляет -28,45 дБ относительно амплитуды основной гармоники. Кроме сравнения с маской и замера уровня гармоник, можно измерить пиковое дифференциальное выходное напряжение и синфазное напряжение. Эти тесты выполняются для случайных сигналов данных, как показано на рис. 6, и являются относительно простыми.

Тестирование 100ВЛ8Е-ТХ

100ВА8Е-ТХ использует схему линейного кодирования, известную как МЬТ-3, в которой применяется трехуровневый сигнал, при-

чем каждый переход соответствует логической единице. Линейное кодирование МЬТ-3 позволяет использовать меньшую полосу частот, чем потребовалась бы для другой схемы кодирования, такой как ЫР2, при той же скорости передачи. Тестирование 100ВА8Е-ТХ выполняется путем передачи пустых последовательностей данных с применением кода МЬТ-3. Во многих устройствах выбор скорости 100 Мбит/с автоматически переводит устройство в режим вывода пустой последовательности данных, часть которой показана на рис. 11. Эта последовательность используется во всех тестах 100ВА8Е-ТХ.

Для быстрой проверки выходного сигнала передатчика 100ВА8Е-ТХ можно использовать глазковую диаграмму. Заметьте, что использование этой диаграммы не заменяет тщательной проверки параметров 100ВА8Е-ТХ, но позволяет достаточно точно оценить качество передатчика.

Осциллограф, используемый для создания этой диаграммы (рис. 12), синхронизирует-

File Сс mtrol Se<4> Momura 3:70 PM

0 ; ЕЗДИ 0 " •*

S LI H J

в ЯЯ p

ш f »

21 V

Н „ Q

Ш TXBJ 4 V

ш D II

NtOГ*» (ЮГ?) Egg mm, ..  гтгг;..,,|1  j \ ! : НП

IVIrlo All Source channel 1 Vortical Scale MO aV/dlv Offset Horizontal Scale Position E 0.0 V 2.00000 ua/dlv 4.0000000 us

Рис. 13. Один период сигнала тестового режима 1 спомеченными тестовыми точками отA до M

ся по сигналу тактовой частоты, выделенному из передаваемого сигнала.

Тестирование 1000БЛ8Е-Т

1000ВА8Е-Т передает данные по всем четырем витым парам и использует для передачи данных пятиуровневую импульсную модуляцию, получившую название РАМ5. Тестирование нормальной передачи данных, аналогичное стандартам 10ВА8Е-Т или 100ВА8Е-ТХ, выполняется уже не так просто, поэтому данный стандарт определяет четыре различных тестовых режима. Они называются тестовыми режимами 1-4 и устанавливаются путем записи соответствующих значений в биты 13-15 регистра управления 1000ВА8Е-Т (регистр 9.13:15). Тесты выполняются по всем четырем парам передатчика.

В тестовом режиме 1 передатчик передает все пять уровней сигнала кодировки РАМ5, которые представляются последовательностью символов «+2», «-2», «+1» и «-1», разделяемых 127 символами «0». Затем дважды повторяется длинная строка, состоящая из 128 символов «+2» и «-2», после чего передается 1024 символа «0». Затем представляющие интерес точки результирующего сигнала помечаются буквами от А до М (I пропускается), рис. 13. Точки А, В, С и Б соответствуют символам «+2,» «-2,» «+1» и «-1».

В тестовом режиме 1 выполняются три теста. Сначала измеряется пиковое напряжение в точках А, В, С и Б. Сравниваются также напряжения в точках А и В — они не должны отличаться более чем на 1%. Эти измерения достаточно просты — нужно просто растянуть сигнал в интересующей точке и выполнить измерение.

Затем выполняется тестирование по маске. Точки А, В, С, Б, Б и Н должны укладываться в определенные маски после прохождения через ФВЧ с частотой среза 2 МГц и нормализации по определенным правилам. Эти тесты можно выполнять с помощью современных цифровых осциллографов, как показа-

но на рис. 14а-в, используя, например, измерение сигнала в точке А.

Кроме тестирования по маске выполняется также тест спада импульса на длинных последовательностях символов «+2» и «-2». Спад напряжения измеряется от точки Б (минимальное напряжение в начале символа «-2») до точки О (средняя точка символа «-2»), а также от точки Н до точки I.

Теперь взглянем на тестовые режимы 2 и 3. В этом случае сигналы состоят из перемежающихся символов «+2» и «-2», синхронизированных с тактовой частотой 125 МГц, называемой ТХ_ТСБК. Тестовые режимы 2 и 3 отличаются источником синхросигнала. Тестовый режим 2 называется режимом Ведущего и использует тактовый сигнал самого передатчика, тогда как тестовый режим 3

наш Oom 1

f Display On Operatcr  5са11пд a "»1 4

Pass Filter . • nJafe User Defined FincDcn

Bdrtfcndffi

|2ОМ00Жг U H

щ [2 Ш Ш

W Ospt^Cr, Cperater__________

0

» Scaling . • rebates User Defried RrctJon

mm

Vffbcal r Automate * Manuri Scale hfcriicnta* r Automat* * Maru4  ? -

1 Hi

PoUOon

: ... : ЦЛЯ

. •!• ^ ffl

•teawtnwrte: Mss* T«t | Color Gr«J*

Scales

Vortical Scale Offset

ITS aV/dlv 3SO.0OO «V

Рис. 14. a) В этом примере цифровой осциллограф позволяет обрабатывать сигнал с помощью различных функций. На данной иллюстрации сигнал канала 1 с помощью функции 2 пропускается через ФВЧ с частотой среза 2 МГц;

б) затем функция 3 усиливает отфильтрованный функцией 2 сигнал для нормализации;

в) отфильтрованный и нормализованный сигнал в точке A сдвигается так, чтобы как можно точнее вписаться в маску

Control Sotij) Mcawre Analyze К И» to* Itotp

F го<зие-< у (1 • 1 Freq-cncyC •) R

Current 62.3450 125.71» тг

62.497410 KHz 124.99516 Жг

И1П 61.9602 ИИг 123.849 ЯН/

Идх 62.9739 126.035 ИНг

Рис. 15. Сигнал тестового режима 2/3 с сигналом TX_TCLK частотой 125 МГц

Рис. 16. Сигнал тестового режима 4

называется режимом Ведомого и использует тактовый сигнал, извлеченный из данных, передаваемых по линии Ведущим устройством. Для измерения джиттера устройства 1000ВА8Е-Т нужно получить доступ к его сигналу ТХ_ТСЬК. Информацию о том, на какие контакты выводится сигнал ТХ_ТСЬК, можно найти в техническом описании устройства 1000ВА8Е-Т. Форма сигнала в тестовых режимах 2 и 3 в сущности одинакова. На рис. 15 показан образец такого сигнала и сигнал ТХ_ТСЬК. Измерение джиттера подробно описываться не будет, поскольку это выходит за рамки данной статьи.

Наконец, рассмотрим тестовый режим 4. В тестовом режиме 4 устройство выводит псевдослучайную битовую последовательность, состоящую из 2047 символов в кодировке РАМ5 и пропущенную через фильтр с частичным откликом. На выходе фильтра получается сигнал с 17 уровнями, который показан на рис. 16. Сигнал тестового режима 4 дает представление о форме реального сигнала, передаваемого устройством 1000ВА8Е-Т. Выходной сигнал тестового режима 4 используется в качестве источника для измерения пиковых искажений передатчика.

Измерить искажения одним только осциллографом нельзя, это измерение требует последующей обработки для расчета искажений. В качестве образца в стандарте приведен эталонный код МАТЬАВ для расчета искажений. Если не вдаваться в подробности, с помощью этого кода считывается каждый из 2047 символов с произвольной фазой, тактируемой от сигнала ТХ_ТСЬК. Затем измеряются искажения каждого отсчета и максимальное значение регистрируется в качестве пикового искажения. Как правило, эта процедура связана с обработкой большого числа значений, охватывающих несколько периодов сигнала тестового режима 4. Затем полученная запись сигнала передается в компьютер и обрабатывается согласно алгоритму, описанному в эталонном коде МАТЬАВ.

Как и в случае 10ВА8Е-Т, где стандартом предписывается выполнение некоторых тестов с имитатором витой пары, стандарт 1000ВА8Е-Т также требует выполнения некоторых измерений в тестовых режимах 1 и 4 в присутствии сигнала помехи. В качестве источника помехи определен генератор синусоидального сигнала, имитирующий потенциально вредное воздействие другого передатчика 1000ВА8Е-Т. Однако подробное

описание теста с сигналом помехи выходит за рамки данной статьи.

Заключение

В статье приведен обзор методов электрических испытаний широко распространенных устройств 10BASE-T, 100BASE-TX и 1000BASE-T. По мере роста скорости передачи от 10 до 1000 Мбит/с увеличивается и сложность сигналов, используемых для передачи данных в сети Ethernet. Эта тенденция сохранится и в будущем, поскольку конструкторы вынуждены применять все более сложные схемы модуляции для передачи большего объема данных по кабелю UTP с ограниченной полосой сигнала.

Качество и целостность сигнала измерительного прибора является залогом того, что вы получите достоверное представление сигналов, которые измеряете. Большинство описанных здесь измерений можно выполнить вручную на современном цифровом осциллографе. Сигналы, показанные на иллюстрациях, были получены с помощью стандартных серийно выпускаемых сетевых карт и захвачены осциллографом серии Agilent 80000 с помощью активного дифференциального щупа. Для подключения щупа по схеме, показанной на рис. 2 и 3, использовалось контактное приспособление Agilent N5395B, специально предназначенное для работы с сигналами Ethernet. Имеется также автоматическая программа тестирования, которую можно использовать с контактным приспособлением N5395B.

Литература

1. Техническое описание №392А, программное обеспечение для электрических испытаний и тестирования на соответствие устройств ЕШете! для осциллографов 1пАпиит. 5989-1527ЕМ.

2. Техническое описание осциллографов серии 1пАшшт Б8080000В и щупы серии 1пАпиМах. 5989-4606ЕМ.