普源数字示波器DS70000系列关于以太网物理层一致性分析测试方案

1.100Base-Tx 及 1000Base-T 介绍

1.1. 100Base-Tx 及 1000Base-T 连接器及管脚定义

1.2. 100Base-Tx 和 1000Base-T 均使用双绞线介质和 RJ45 连接器（有时称为水晶头）作为数 据传输的以太网标准。由于其布线简单，成本低廉，使用方便，目前是使用最为广泛的以太 网技术（标准中的 T 是指 Twisted Pair，即双绞线；Tx 指使用 2 对双绞线，一对用于接收数 据，一对用于传输数据）。

1.3. 100Base-Tx 物理层

1.4. 100Base-Tx 物理层分为 PCS（Physical Coding Sublayer，物理编码子层）、PMA（Physical Medium Attachment，物理介质附加）及 PMD（Physical Medium Dependent，物理介质相 关子层）。

1.3. 1000Base-T 物理层 1000Base-T 物理层与 100Base-Tx 类似，由 PCS（Physical Coding Sublayer，物理编码 子层）、PMA（Physical Medium Attachment，物理介质附加）及 AUTONEG 组成。

不同的是，PCS 采用的是 4D-PAM5 编码方式，即使用 4 对线，5 个电平对信号进行传输。 每对线的传输速度与 100Base-Tx 一样为 125Mbps；每 2bit 转为 1Baud 传输，即每个 UI 可以传输 2bit 信息。4*125Mbps*2bit=1000Mbps 实现 1000Mbps 的传输速度。

总结 100Base-Tx 及 1000Base-T 的异同点：

相同点：

a) 均为差分信号传输；

b) 使用 RJ-45 连接器，使用 5 类线；

c）每对线的传输的信号速率为 125M，每个 UI 均为 8ns

不同点：

a）编码方式不同，100Base-Tx 使用 MLT-3，信号有 3 个电平；1000Base-T 使用 4D-PAM5， 信号有 5 个电平，因此测试模板不同；

b）测试负载不同

2.100Base-Tx 快速以太网测试

100Base-Tx 信号质量测试用到的主要工具是数字示波器，在测试过程中，还需搭配合规的 探头、线缆以及测试夹具，具体的测试设备要求将在后文中进行详细说明。

RIGOL 以太网一致性测试软件将测试过程自动化，方便工程师高效准确地进行一致性测试。 图 6 即为在 RIGOL DS70000 系列数字示波器上运行的以太网一致性测试软件。

2.1. 100Base-Tx 眼图/模板测试

眼图/模板测试是以太网测试中最常用的工具，可以快速判断 100Base-Tx 的信号质量，以 1 个 UI（8ns）进行切分，进行多次叠加，得到信号的眼图。对于在模板通过区域内的信号 予以判定通过（Passes），对于超出通过区域外，“压模”的信号判定为失败（Failure）。

2.2. 100Base-Tx 抖动测试

抖动测试主要是对因占空比失真及基线漂移所引起的总传输抖动进行测量。通过对眼图中测 量交叉点建立分布直方图并进行累加统计，推导出峰峰值抖动。由于波形是一个三电平信号， 因此正向及负向的交叉点均需测试。根据规范要求，正向抖动（+ve）及负向抖动（-ve）的 范围为≤1.4ns。

2.3. 100Base-Tx 占空比失真测试

占空比失真测试在 Vout/2 点测量信号正脉宽及在-Vout/2 点测量信号负脉宽获取。通过产 生 01010101 NRZbit 流，得到稳定变化的波形，每个正负脉宽理论为 16ns，规范允许的 误差范围是±0.25ns。、

2.4. 100Base-Tx 幅度测试

100Base-Tx 幅度测试包含峰值幅度，过冲测试及幅度对称性。 根据规范要求，屏蔽双绞线 STP 差分信号输出电压应在 1165mV~1285mV 范围内，UTP 非 屏蔽双绞线差分信号输出电压应在 950mV~1050mV 范围内。过冲定义为差分信号的百分 比偏移，需要被测设备发出包含 14bit 宽度的波形信号。该波形每个电平所持续宽度为 14bit （14bit*8ns/bit=112ns），波形幅度峰峰值约 2 倍的 Vout 。过冲测量需要在正脉冲和负脉 冲中分别进行。

2.5. 100Base-Tx 上升时间、下降时间及对称性

100Base-Tx 的规范要求上升及下降时间是测量差分输出电压的 10%-90%范围的时间，即测量结果应在 3ns~5ns 范围内。对于对称性，在所有测量的上升沿时间或下降沿时间的最 大值与最小值差异必须小于 0.5ns。

2.6. 百兆以太网信号质量测试实际结果展示 在实际测试过程中，需要通使开发板产生快速百兆以太网信号进行测试。 DS70000 的 100Base-Tx 一致性测试分析截图如图 11 所示，包含了各个测试项，并注明了每个测试项 对应的合规指标范围以及实测的值，通过对比将测试结果显示在最后一列，当测试项满足 标准时，显示结果为 Passes，否则会显示 Failure。

3.1000Base-T 千兆以太网测试

1000Base-T 速度上比 100Base-Tx 增加了 10 倍的数据传输率，拓展了网络带宽，支持实 时需要大量带宽的应用，更广泛的适用于金融、商业、教育和政府机关等行业。由于 1000Base-T 信号的复杂性，在 IEEE802.3ab 规范中定义了 4 个测试模式来测试千兆以太 网物理层一致性。 1000Base-T 信号质量测试用到的主要工具是数字示波器，在测试过程中，还需搭配合规的 探头、线缆以及测试夹具。

4. 以太网信号质量测试仪器要求

5. 选择 100Base-Tx 及 1000Base-T 信号质 量测试工具

由于 100Base-Tx 及 1000Base-Tx 分别采用 MLT-3 及 4D-PAM5 编码方式，实际每对差分 线信号速率为 125Mbps，依据 IEEE 802.3 及 ANSI X3.263-1995 的要求，推荐示波器带宽 为≥1GHz。RIGOL 的 DS70000 系列示波器最高达到 5GHz 带宽，最高 20GSa/s 的实时采 样率，最大 2Gpts 存储深度，可以满足测试需求。

按规范要求，在千兆以太网模式一测试时需要加入幅度为±2.8V 的频率为 31.25MHz 的正 弦波作干扰信号，模仿 MDI 信号传输时受邻道干扰的受压状况。按规范要求这正弦波的频 率为准确的 31.25MHz，即其高阶谐波的幅度要比其基波幅度少至少 40dB。对于函数/任意 波形发生器，应当符合规范要求，带宽达到 50 MHz，幅度范围达到 10Vpp。RIGOL 的 DG5000 系列函数/任意波形发生器可以满足测试要求。

6. 总结

随着以太网技术的发展，千兆以太网是目前网络传输速度最快的技术之一，对千兆以太网相 关产品进行测试，以保证产品的操作性和可靠性，是当代多数设备制造商面临的挑战。高速 网络的测试难度、测试设备的复杂性、不断变化的标准和技术，给测试人员带来了新的挑战。 RIGOL 提供了一套完善的工具，包括数字示波器、干扰源、专业的测试夹具和探头以及全 自动一致性测试软件，使得设计人员能够高效精确地进行 100Base-Tx 和 1000Base-T 以 太网一致性分析。