Granite River Labs, GRL
黃叡 Raymond Huang
上一篇技术文章「浅谈Ethernet 带你入门学习以太网络」中已经介绍过通用以太网络的规格如10Base-T/100Base-Tx，以及千兆位以太网络（Gigabit Ethernet）的一小部分＂1000Base-T＂。而本篇文章将会介绍更为高速的2.5G/5G/10GBase-T等规格，以及其相关的测试规范。
以太网络演进史上，10Gbps规范的时间较早，IEEE组织于2006年就推出802.3an协议，即为10GBASE-T之以太网络协议。该协议规范了RJ-45接口和双绞线传输介质的10 Gbps以太网络传输速率。
10GBASE-T沿用先前以太网络规范，但每对线的总传输数据提升至2.5Gbps，讯号则采用16级脉冲幅度调制（PAM-16）方式传输，每一个电压振幅皆代表着3.125bit的数据，故每对传输线实际传输率仅为800Mbps，大大降低了对传输带宽的要求，并增加了有效传输距离。布线距离则依据缆线等级不同，CAT-6 型缆线传输距离可达55公尺，而CAT-6A型缆线则可达到100米。
10GBASE-T到2.5G/5GBASE-T的演变
随着以太网络普及，我们发现市面上建筑物中部署的CAT-5e电缆布线实际运行10GBASE-T的状况较为困难，而先前的1000BASE-T已无法提供让使用者满意的上传带宽。因此2015年IEEE802.3便成立了仅降低1/2、1/4的带宽，却可以应用CAT-5e或CAT-6长达到最长100公尺线缆的2.5G/5GBASE-T专案。
其实，在官方IEEE802.3的2.5G/5GBASE-T项目小组成立前，民间已先成立了策略联盟，分别为以思科（CISCO）、安玹（AQUANTIA）、赛灵思（Xilinx）等公司为首的NBase-T Alliance，及竞争对手以博通（Broadcom）为首的MGBase-T Alliance，最后在IEEE-SA标准委员会协调统合，于2016年订定IEEE标准802.3bz-2016规范。
测试上如果要进行2.5/5GBase-T验证，将可视以太网络芯片支持的规格分别选择NBase-T/MGBase-T进行测试，两者与现行的测试项目基本大同小异，仅有上下限规范的些微不同，因此本文我们将着重在10GBase-T物理层电性测试的介绍，并说明测试项目及相关流程；文末再针对2.5G/5G/10GBase-T之测试规范做整理。
10GBase-T物理层电性测试
以太网络测试一般分为时域（Time-Domain）测试、谐波失真（Distortion）测试、振幅（Amplitude）测试与回波损耗（Return Loss）测试四个类别。
- 时域（Time-Domain）测试相对之前没有太大的改变，只是对抖动（Jitter）要求变得更严谨，详细的测试波型会在下个章节进行说明。
- 谐波失真（Distortion）测试采用传输线性度（Transmitter Linearity）进行衡量，透过要求待测物发出两个频率的讯号，观测其互相干扰之噪声以进行验证。
- 振幅（Amplitude）测试方面，10GBASE-T测试的难点来源于PAM16的调制方式。由于产生16个不同幅度的脉冲，其复杂性使部分常见的测试也都难以实现，如100BASE-TX眼图测试中的MAU测项或模板测试（1000BASE-T）的Point A, B, C等。
IEEE组织利用频谱方面的测量，以功率谱密度（power spectral density, PSD）的方式来衡量如此多层级的复杂电位讯号，透过分析频谱计算单位时间内不同频率讯号的能量值，针对如PAM-16多层级的复杂电位进行验证。
- 回波损耗（Return Loss）测试部分，仍然需要一台讯号源来输出并扫描各个频率，频率范围须达到500MHZ，远高于1000BASE-T要求的100MHZ。
对以太网络的四个测试类别有基本认知后，以下为802.3an中10GBase-T测试项目（表1）的详细介绍：
表1: 10G BASE-T测试细项表
- Transmit Clock Frequency要求DUT进入测试模式2，同时四对传输在线发送2个+16电位与2个-16电位所组成之循环数据，仿真一个200 MHZ的Clock Frequency，测量此频率的同时，规范要求误差比率需小于50ppm。
- Transmitter Timing Jitter测试与 Transmit Clock Frequency测试非常类似，同样是进入测试模式2。规范要求抖动的RMS值应在5.5ps范围之内。
- Transmitter Linearity Test需要求DUT进入测试模式4，由DUT发出一组双音（Dual Tone）讯号，即两个频率相近、幅度相等的正弦波。此测试用无杂散动态范围（Spurious-Free Dynamic Range, SFDR）来计算，即频谱最大振幅之RMS幅度与次最大噪声成分或谐波失真成分RMS值之比。
Spec规范计算后SFDR应符合以下方程序:
SFDR ≥ 2.5 + min[52, 58 – 20 × log10(f/25)] (frequency, f =1~400Mhz)
测试规范DUT需要发送五组不同频率之讯号，每组双音频号于理论上仿真最严重的干扰状况，若结果符合规范将说明谐波失真比例于容忍范围内，使用者正常操作时较不会对其它频率讯号产生较大的影响。
- Transmitter Power Spectral Density & Power Level Test需要求DUT进入测试模式5，即一般待测物正常操作之状态。Power of Transmitter需介于3.2dBm和5.2dBm之间，而其功率谱密度(100 ohm负载下)需满足Spec定义之上下限。
- MDI Return Loss测试仍沿用以太网络系列协议一贯的测试方法，由讯号源发出讯号并扫描反射的讯号，透过比较入射波形和反射波形，计算出Return Loss。只是10GBASE-T对讯号源的能力提出了更高的要求，需要能发出最高到500MHZ。
- Maximum Output Droop需要求DUT进入测试模式6，发出连续128个个+16电位与连续128个-16电位循环讯号，仿真3.125MHZ的低频讯号。验证的区间为方波过零点开始之第10ns至第90ns，要求电压压降幅度不超过10%。此测试为验证讯号在连续高度重复的情境下，造成电压变形程度不至于出现误判的结果。
Gigabit Ethernet测试规范比较
表2: Gigabit Ethernet测试规范比较表
结论
随着文件电子化、云端储存需求增加，各企业对Server的需求量与规格要求大为增加，因此网络接口的使用也更为广泛。GRL台北实验室有多年的测试经验，并可以提供完整的Ethernet测试服务及咨询，协助您验证产品的相关规格与性能。
参考文献
- IEEE Standard for Ethernet, IEEE Std 802.3™-2018 (Revision of IEEE Std 802.3-2015)
- Keysight, Ethernet D9010EBZC MOI
作者
GRL 台湾测试工程师 黄叡 Raymond Huang
国立台湾大学化工所硕士毕业，拥有三年测试经验，熟悉DisplayPort, DisplayHDR, HDR10+, Ethernet 等测试规范。GRL 技术文章作者及演讲讲师。
本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。
发布日期 2022/02/15 AN-220215-TW