【技术文章】高速以太网络(Gigabit Ethernet)进阶介绍

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-T2.5G/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:

  1. IEEE Standard for Ethernet, IEEE Std 802.3™-2018 (Revision of IEEE Std 802.3-2015)
  2. 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。

 

关于GRL技流信息科技Granite River Labs

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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