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摘要：現實生活中，以太網可謂無處不在，而對它進行測試與分析也是通信領域經久不衰的話題。要想透徹掌握以太網測試要領，必須首先了解以太網物理層信號的基本特點。基於此，本文將具體介紹三種速率以太網標準的不同物理層編碼規則、完整測試涉及到的共性問題，以及基於力科示波器的以太網一致性測試方案。
1物理層信號特點
以太網對應OSI七層模型的數據鏈路層和物理層，對應數據鏈路層的部分又分爲邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質訪問控制子層(MAC)。MAC與物理層連接的接口稱作介質無關接口（MII）。物理層與實際物理介質之間的接口稱作介質相關接口（MDI）。在物理層中，又可以分爲物理編碼子層（PCS）、物理介質連接子層（PMA）、物理介質相關子層（PMD）。根據介質傳輸數據率的不同，以太網電接口可分爲10Base-T，100Base-Tx和1000Base-T三種，分別對應10Mbps，100Mbps和1000Mbps三種速率級別。不僅是速率的差異，同時由於採用了不同的物理層編碼規則而導致對應的測試和分析方案也全然不同，各有各的章法。下面先就這三種類型以太網的物理層編碼規則做一分析。
1、1 10Base-T 編碼方法
10M以太網物理層信號傳輸使用曼徹斯特 編碼方法，即“0”=由“+”跳變到“-”，“1”=由“-”跳變到“+”,因爲不論是”0”或是”1”,都有跳變,所以總體來說,信號是DC平衡的, 並且接收端很容易就能從信號的跳變週期中恢復時鐘進而恢復出數據邏輯。
圖1 曼徹斯特編碼規則
1、2 100Base-Tx 編碼方法
100Base-TX又稱爲快速以太網，因爲通常100Base-TX的PMD是使用CAT5線傳輸，按TIA/EIA-586-A定義只能達到100MHz，而當PCS層將4Bit編譯成5Bit時，使100Mb/s數據流變成125Mb/s數據流，所以100Base-TX同時採用了MLT-3（三電平編碼）的信道編碼方法，目的是使MDI的5bit輸出的速率降低了。MLT-3定義只有數據是“1”時，數據信號狀態才跳變，“0”則保持狀態不變，以減低信號跳變的頻率，從而減低信號的頻率。
圖2 MLT-3編碼規則
100Base-Tx的MAC層在數據幀與幀之間，會插入IDEL幀（IDEL=11111），告訴網上所連接的終端，鏈路在閒置但正常的工作狀態中（按CSMA/CD，DTE數據終端機會檢測鏈路是否空閒，纔會發送數據）。事實上鍊路絕大部分時間，以IDEL“11111”爲主，5Bit IDLE“11111”若每個“1”都跳變的話，MDI信號的頻率將會是125MHz，但是經過MLT-3編碼後，原來的125MHz變成31.25MHz的信號，使頻率變成原來的1/4。FCC要求以太網不能產生過大的EMI，因爲鏈路絕大部分時間是傳輸IDEL，MLT-3編碼會使頻率集中在31.25MHz範圍，因此，在MLT-3編碼前，PCS層會對數據流進行僞隨機的Scrambling擾碼，使“11111”分散，同時將能量與頻譜擴散。
1、3 1000Base-T 以太網編碼方法
1000Base-T在物理層使用5電平4D-PAM編碼，每個電平表示5符號-2,-1,0,1,2中的一個符號，每個符號代表2比特信息(其中4電平中每個電平代表2比特位,分別表示00，01，10，11，還有一個電平表示前向糾錯碼FEC)，這比二電平編碼提高了帶寬利用率，並能把波特率和所需信號帶寬減爲原來的一半（125Mbps）。但多電平編碼需要用多位A/D，D/A轉換，採用更高的傳輸信噪比和更好的接收均衡性能。
五個符號與電平的映射關係爲:-2->-1, -1->-0.5, 0->0, 1->0.5, 2->1。
圖3 4D-PAM編碼規則
1000Base-T採用了UTP裏所有的4對線，並且同時收發，在全雙工的模式下，加上使用4D-PMA5編碼方法實現1000MB/s的數據傳輸率。每對線的數據率爲100Mb/s，經8b/10b編碼後變爲125Mb/s。每個Baud波特碼元代表兩個比特的信息，4對線的總帶寬爲
• 125Mb/s x2 x4=1000Mb/s
所以，儘管是千兆速率，但實際上對示波器的帶寬要求只需能高保真採集125MHz信號即可，原因就是每對線上實際傳輸率是125Mbps。
2測試參數說明
負責制定以太網標準化規範的是IEEE學會下屬的802.3委員會，該規範的一部分內容就是標準測試流程，包括需要分析的參數集、測試工具的使用、結果如何判定等，目的是保證世界上各個不同廠家生產的以太網產品能滿足“互操作性”。三種速率以太網物理層由於編碼方法不同，自然而然也就有完全不同的測試規程。下面逐一解釋標準測試集中各參數的具體含義。
2、1 10 Base-T測試項目
1DOV Mask and Voltage Test（差分輸出電壓的模板以及電壓測試）
• DOV Mask MAU Ext for external MAU testing ( MAC 模塊與PHY模塊分離情況下的差分輸出電壓模板測試）
• DOV Mask MAU Ext Inv for external MAU testing of the negative-going pulses ( MAC 模塊與PHY模塊分離情況下的差分輸出電壓負脈衝模板測試）
• DOV Mask MAU for internal MAU testing ( MAC 模塊與PHY模塊集成情況下的差分輸出電壓負脈衝模板測試）
• DOV Mask MAU Inv for internal MAU testing of the negative-going pulses( MAC 模塊與PHY模塊集成情況下的差分輸出電壓負脈衝模板測試）
2Link Test Pulse Mask (鏈接脈衝測試)
• Link Test Pulse head Mask （鏈接脈衝幀頭模板測試）
• Link Test Pulse tail Mask （鏈接脈衝幀尾模板測試）
3TP_IDL Mask Test （空閒信號模板測試）
• TP_IDL Head Mask(空閒信號幀頭模板測試）
• TP_IDL Tail Mask (空閒信號幀尾模板測試）
4Output Timing Jitter (輸出抖動測試)
• Output Timing Jitter 8 BT （觸發點後8 bit的抖動測試）
• Output Timing Jitter 8 BT （觸發點後8.5 bit的抖動測試）
2、2 100Base-Tx測試項目
1 Mask Test (眼圖/模板測試）
2 Jitter（抖動測試）
3 Duty cycle distortion （佔空比失真）
4 Amplitude, Symmetry, and Overshoot（信號幅度，對稱性，以及過沖測試）
5 Rise and Fall Time（信號上升，下降時間測試）
6 1000Base-Tx測試項目
7 測試模式1：模板測試、峯值電壓測試、衰落測試
模式1信號是由+2，然後接着127個0，-2，然後接着127個0，+1，然後接着127個0，-1，然後接着127個0，接着是128個+2，128個-2，128個+2，128個-2，最後是1024個0。
驗證的目的是：
接口有否驅動足夠的能量將信號傳送100米距離。
上升時間是否足夠快得以實現快速的數據交換
接口有否發射過多的EMI， 超過FCC Class A的要求
信號是否對稱， 即A與B， C與D是否對稱
圖4 模式1各點示意圖
4對測試模式1信號的F點500nS後的G點以及H點500nS後的J點，測量他們的電壓驗證插入磁損耗是否過大。規範要求，G點的幅度需要大於73.1% F點的幅度，同樣J點的幅度需要大於73.1%H點的幅度。
5測試模式2：主模式抖動
6測試模式3：從模式抖動
7測試模式4：波形失真測試、共模輸出電壓
3、測試配置
3、1 示波器的選擇
110/100M 以太網電口測試
要求示波器帶寬高於400MHz，支持型號有力科WaveRunnerXi-A，WavePro7Zi，WaveMaster8Zi。
11000M 以太網電口測試
每路數據線傳輸速率是125Mbps；
示波器主機帶寬至少爲 1GHz；
支持型號包括 WaveRunner 104Xi-A,204Xi-A；WavePro7Zi，WaveMaster8 Zi。
3、2 測試夾具
測試夾具的主要功能是將雙絞線信號轉換成示波器能夠直接識別的探頭或通道信號。
測試工程師提供的新型以太網測試夾具TF-ENET-B,具有優勢特性包括：
同＊ 時支持10/100/1000Mbps三種 以太網速率級別
4免探頭設計，只需使用SMA線纜，降低費用，操作便利
5高信號質量轉發，支持全部以太網測試項目
圖5 無需探頭的TF-ENET-B測試夾具
3、3 測試激勵生成
802.3標準委員會規定，完全測試以太網必須DUT(被測設備)發出專門的測試報文，物理層PHY芯片內部都有測試寄存器。底層驅動設計工程師通過編程置位此寄存器，PHY芯片就會向UTP線路上發出特定的測試序列報文。有些廠商，比如Intel和Realtek公司提供高層應用軟件，允許測試人員能夠直接操作以Intel(或RealTek)以太網芯片爲核心處理單元的網卡，並驅動該網卡發送特定測試序列報文到雙絞線，示波器採集這種測試序列並加以後處理與分析！