電動車10G Base-T以太網測試方案

一、10G以太網的市場趨勢

       隨著云計算、物聯網、高清視頻流等應用的普及，數據流量呈現指數級增長。WiFi速率不斷提升，從早期的802.11b到如今的WiFi 6甚至WiFi 7標準的逐步推廣，無線網絡傳輸速度已大幅提升，使得無線設備能夠更快地處理和傳輸數據。這一發展對有線網絡提出了更高的挑戰，特別是在接入層。10G以太網接口不僅能為高速無線網絡提供穩定的回程連接，還能確保網絡核心的高性能與低延遲，它在適應和支撐先進WiFi技術的同時，也成為了網絡基礎設施升級中的必然趨勢。

二、10GBase-T的特性與測試挑戰

       10GBase-T是IEEE在2006年推出的10G以太網標準802.3an。它和之前的1000Base-T的實現方法類似，仍然是RJ-45網絡接口，采用四個差分對同時雙向數據傳輸，但傳輸的總速率10Gbps，每對線的速率高達2.5Gbps。

       1000M Base-T采用PAM-5脈沖幅度調制，而10G Base-T采用更高階的PAM-16， 脈沖電壓幅度被分為16級電平，每個電壓幅度稱為1個Symbol，可以表示4個bit的信息，平均下來其中3.125bit是有效數據，另外的0.875bit用于輔助和校驗等。然而，這種調制方式雖然將每對差分線上的傳輸速率大幅降低為800M Sym/s，但我們用示波器觀察線路上的信號，看起來卻是不規則的類似于噪音的波形。

如何保證10G以太網接口穩定可靠傳送信號？

我們知道100Base-T用眼圖、1000Base-T用脈沖模板來表征信號的質量，但對于類似于噪音的10GBase-T信號，傳統的眼圖方法已經不太合適，因此10GBase-T的物理層一致性測試定義了一些新的測試項目，除了傳統的時域波形參數測試，還有頻域的測試項目。全套測試設備除了主要使用的示波器，還需要用到頻譜儀和矢量網絡分析儀。

三、電動車10G Base-T以太網測試方案

      鑒于10GBase-T每對差分線800MSymbols/s的傳輸速率，至少需要采用整體帶寬2GHz以上的示波器測試系統。各測試項中用到的測試設備要求如下：

典型配置如下：

示波器：RTO64主機+RTO6-B92(2G帶寬選件)

一致性測試軟件：ScopeSuite (免費下載)

功能選件：RTO6-K23（兼容2.5G/5G/10G以太網測試的License）

夾具：RT-ZF2 （兼容10/100/1000M、以及2.5G/5G/10G以太網）

差分探頭：RT-ZD30  3GHz帶寬差分探頭

頻譜儀：FSVA3030+同軸線纜

矢量網絡分析儀：ZND+ZV-Z192同軸線纜

      界面友好的ScopeSuite一致性測試軟件，提供了Step by Step引導式設置指南，就算是新手也可以在設置步驟提示和參考圖片指引下，順暢完成測試過程。

四、10G以太網測試項目簡介

1、MAX輸出電壓跌落（IEEE standard 802.3an, subclause 55.5.3.1） 。測試連接圖如下：

       DUT（待測設備） 設置為Test Mode 6，此時DUT 網口在所有四個發射器上連續傳送 128個 PAM16中的+16 Symbol，接著傳送128個 -16 Symbol，用示波器觀察到的是類似于方波的信號。

    示波器首先測量正跳變沿之后10ns和90ns處的電壓比，確保電壓跌落不超過10%。

     示波器然后測量負跳變沿之后10ns和90ns處的電壓比，確保電壓跌落不超過10%。

2、發射機線性度

     發射機線性度（55.5.3.2）。首先進行示波器對頻譜儀的程控連接設置，示波器和頻譜儀在同一個網段即可。

DUT測試連接圖如下：

       DUT設置為Test Mode4，并依次讓10G網口發射器輸出5組雙音信號。示波器的scopesuite一致性測試軟件作為控制機，程控頻譜分析儀測量每個音調和1~400MHz范圍內幾個互調頻點的幅度，然后計算無雜散動態范圍 SFDR，并驗證SFDR是否大于以下公式給出的值：

       公式中f 是每組兩個單音信號的MAX頻率（單位為 MHz）。

       如果想知道雙音信號在示波器上是什么表現，請參考以下Dual Tone 1波形。

       例如某10G網口發射器的測試結果，五組雙音測試全通過，以下為測試報告截圖：

       其中對于第五組雙音信號Dual Tone5測試，FSVA頻譜儀實測過程截圖如下：

        圖中M3頻點其實就是三階互調產物2f2-f1 =2*313.281-310.156=316.406 MHz的實際測試值316.403MHz，SFDR=-6.16-(-67.18)=61.02 dB 。

3、Master模式下抖動與時鐘頻率

     Master模式下抖動與時鐘頻率（55.5.3.3與55.5.3.5）測試連接圖如下，

       DUT設置為Test Mode 2，DUT發出連續的兩個幅度編碼為+16 和兩個幅度編碼為-16 的symbol，在800M Sym/s的符號速率下它相當于200MHz的時鐘，用示波器觀察的信號波形如下。

      RMS周期抖動通過計算此波形的各個邊沿位置來得到。要通過測試，測試值必須小于 5.5 ps。同時示波器也會進行頻率測量，并確定發射器的時鐘頻率是否在800MHz+/-50ppm范圍內, 例如以下測試報告截圖：

4、Slave模式下發射機定時抖動

     Slave模式下發射機定時抖動（55.5.3.3）測試連接圖如下：

        這里需要用到1個用于測試對接的良好質量Master 設備。下圖中藍色網線連接Master, 黃色網線連接Slave 模式的DUT。

        DUT設置為Slave模式Test Mode 3。對接的Master 設備設置為Test Mode 1，也就是將 PMA 偽隨機訓練碼型 (PRBS 33，如下圖) 傳輸到 A、B 和 C 差分線對上的 Slave PHY。 

       而 Slave 設備必須將其傳輸時鐘與從 Master PHY 接收到的信號同步，并從Slave PHY MDI 輸出200MHz slave時鐘。示波器用差分探頭在 Slave PHY MDI 輸出處捕獲到該時鐘波形，如下圖：

       測試軟件將捕獲到的200MHz時鐘數據通過中心頻率 200 MHz、帶寬為 2 MHz 的帶通濾波器進行濾波，然后計算 RMS 周期抖動。要通過測試，抖動必須小于 5.5 ps。例如以下測試報告截圖：

5、發射機功率譜密度和功率電平

     發射機功率譜密度和功率電平（55.5.3.4）測試連接圖如下，和MAX輸出電壓跌落、Master模式下抖動與時鐘頻率測試連接方法一樣。

       DUT設置為Test Mode 5，即工作在正常的信號發送模式。

       由于正常發送的10G Base-T是類似于噪聲的信號，從時域分析比較困難，對功率的衡量主要是從頻域測試。這項測試驗證 DUT 在 0 至 3 GHz 頻率范圍內的發射機功率譜密度是否在規范第 126.5.3.4 節規定的上限和下限之間，它還驗證 DUT 的發射機功率水平是否在 3.2 dBm 和 5.2 dBm 之間。

       實際執行中Scopesuite一致性分析軟件使用示波器自身的 FFT 變換和數學運算測量輸入信號的功率水平，它還對 0 GHz 至 3 GHz 范圍內的信號執行一些平均和數學運算來繪制 PSD 曲線，并檢查它是否在限制模板內。

      例如以下從測試報告中的結果截圖：

6、MDI接口回波損耗（55.8.2.1）

     由于10GBase-T信號在4對差分線上同時進行信號的收發，因此對于信號的反射非常敏感。符合 IEEE 802.3an 標準的 10GBASE-T 設備上的 MDI 接口理想情況下應具有 100 Ω的差分阻抗。MDI 的阻抗與連接器、電纜的阻抗之間的任何差異都會導致傳輸信號的反射。由于阻抗永遠不可能精準地達到 100 Ω，并且終端阻抗隨頻率而變化，因此必須允許一定量的反射。

     回波損耗是用于阻抗不匹配而反射的信號功率的一種量度方法。802.3an 規定，在 1.0 至 40MHz 的范圍內，MDI 的反射功率必須至少比入射功率低 16 dB。回波損耗在 40 至 500MHz 之間必須低于16 – 10*log10(f /40) dB（f 以 MHz 為單位）。

     DUT設置為Test Mode 5 ，即工作在正常的信號發送模式。

       示波器上的Scopesuite測試軟件，通過網口程控矢量網絡分析儀對DUT的發射端口進行回波損耗測試。

步驟一

矢網的程控連接設置

示波器對矢網的程控連接設置，示波器和矢網在同一個網段即可。

步驟二 

矢網的校準

       示波器Scopesuite 軟件提示依次連接RT-ZF2自帶的校準板的Open-Short-Match進行校準。按照軟件的步驟指引，很快可以完成校準過程。

步驟三 

MDI接口回波損耗測試校

準完畢之后，軟件提示將RT-ZF2夾具的回波損耗部分和DUT網口采用短網線連接。

       點擊Next，很快得到回波損耗測試結果，如以下測試報告截圖：

五、2.5GBase-T與5GBase-T測試

       現在大多數企業以太網傳輸標準主要還是1000Base-T，使用的傳輸線為CAT5e和CAT6網線。但10GBase-T需要使用UTP CAT6a線纜進行傳輸，無法很好地兼容已有的傳 輸網路，要升級的話，成本相對比較高，如何實現既要提速又要低成本?

       2016年IEEE協會正式發布了IEEE 802.3bz標準?；诂F有的CAT5e 和CAT6 傳輸線標準，在原來1000Base-T 和10GBase-T中間，多了2.5Gbps和5Gbps的速率來兼容現有的千兆傳輸網絡。

       2.5GBase-T提供2.5Gbit/s數據傳輸率，4對線，每對速率625Mbps。5GBase-T提供5Gbit/s數據傳輸率，4對線，每對速率1.25Gbps。與10GBase-T一樣，他們都采用PAM-16編碼，2.5GBase-T的符號速率為200M Sym/s， 5GBase-T的符號速率為400M Sym/s。

       由于其采用的技術與10GBase-T類似，測試夾具、差分探頭和測試軟件也可以共用，測試方法也可以大致參考，此處不再詳細描述。