以太网收发器工作原理及其信号质量测试.ppt

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1、以太网收发器工作原理及其信号质量测试,主要内容,以太网简介 以太网收发器工作原理详解 以太网物理层信号质量测试 以太网收发器常见问题分析和调试 附录：以太网信号质量测试指标,以太网简介,【以太网】使用IEEE 802.3标准（即采用CSMA/CD访问控制技术）的网络系统。 由美国Xerox（施乐）公司和Stanford（斯坦福）大学联合开发并于75年推出，原为总线型，现已扩展到星形、星形总线、树形等。81年Xerox、DEC、Intel联合推出商业产品。85年IEEE 802委员会在此基础上颁布了802.3标准 由于以太网与其他LAN类型相比，具有易用、易安装、易维护、低成本等诸多优点，目前世

2、界上8085%与LAN相连的PC和工作站使用以太网连接。 以太网为基带系统，采用曼彻斯特等编码技术，且只支持LLC层的类型1操作 不确认的无连接服务（数据报服务） 。,以太网简介,按照网络传输速率可以分为10BASE-T、100BASE-T、1000BASE-T 。 以太网物理层传输介质双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)，现在使用的UTP可分为3类、4类、五类和超五类四种 。 在美国线缆标准(AWG)中对3类、4类、五类和超五类双绞线都定义为4对，在千兆位以太网中更是要求使用全部的4对线进行通信。所以，标准五类线缆中应该有4对线。,以太网简介,CSMA/CD协议的基本思想

3、 每站在发送数据前，先监听信道是否空闲；若是，则发送数据，并继续监听下去，一旦监听到冲突，立即停止发送，并在短时间内连续向信道发出一串阻塞信号（JAM）强化冲突，如果信道忙，则暂不发送，退避一随机时间后再尝试。 CSMA/CD协议在CSMA协议基础上增加了发送期间检测冲突的功能。其最大特点是“先听后说,边说边听”。该协议已被IEEE 802委员会采纳，并以此为依据制定了IEEE 802.3标准。 CSMA/CD协议同样可分为非坚持、1坚持和p坚持3种。 以太网通常采用非分隙1坚持CSMA/CD。 。,主要内容,以太网简介 以太网收发器工作原理详解 以太网物理层信号质量测试 以太网收发器常见问题

4、分析和调试 附录：以太网信号质量测试指标,以太网收发器工作原理详解,PHY =PHYSICAL LAYER DEVICE 即物理层器件。此次培训中提到的10/100/1000M PHY 是指专用于以太网，支持IEEE 802.3 10 Mbps、100Mbps、1000 Mbps物理层应用的收发器。即通过双绞线可使用在10 Mbps 和 100 Mbps 、1000 Mbps以太网的物理层器件。有些PHY 可通过光纤收发器支持100 Mbps (100BASE-FX)以太网，和此相关部分本次培训不涉及。以下将10/100/1000 Mbps 以太网收发器简称为PHY。 问题 在OSI 基准模型

5、中，PHY 属于哪一层？,以太网收发器工作原理详解,在OSI 的7 层基准模型中我们使用的PHY属于第一层-物理层( PHY)。物理层协议可定义电气信号、线的状态、时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。数据链路层可以通过定义好的接口而与物理层通话。例如MAC可以利用介质无关性接口( MII)与PHY进行数据交换。 PHY 的基本作用： (1) 对端口LINK 状态的判断； (2) 自动协商，当然MAC 可以修改PHY 的寄存器间接控制 (3) 完成MII（RMII）数据和串行数据流之间的转化：包括4B/5B 的编码的转化（不包括10BASET）；串并转换；最后转换成低压信号，根据端口不同的工

6、作模式，转换方式也有所不同。例如在100BASE-T 下是MLT-3；在10BASE-T 下是曼彻斯特编码 (4) 在MII 的工作方式下，完成冲突检测。若是工作于RMII 模式下 则此项任务由MAC 完成。,以太网收发器工作原理详解,PHY Block Diagram,以太网收发器工作原理详解,一 PHY主要组成部分 (1) PCS(PHYSICAL CODING SUBLAYER)：在100BASE-X 模式时，提供RMII 接口、4B/5B 编码、串并转换以及冲突检测功能，同时只要TXEN 无效就提供“idle”信号给PMD 层。在10BASE-T 模式下只提供接口和串并转换功能。 (2

7、) PMA(PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT)：提供对LINK 状态的判断和载波侦听的功能，完成串行信号和NRZI 信号之间的转化。PMA 使用标准的方法来判断端口的LINK 状态。当PMA 判断到对方设备存在的时候，如果自动协商使能，就会开始同对方进行自动协商确定端口的工作模式；当对方不支持自动协商的时候，端口的工作模式根据并行探测的结果。 (3) PMD(PHYSICAL MEDIUM DEPENDENT)：提供对信号的scrambling/ descrambling；对信号进行编码，在100TX 下是MLT-3 , 在10T 下是Manchester； polarit

8、y correction；baseline wander correction 等功能。其中的scrambling(扰频)/ descrambling（解扰）和baseline wander（基线漂移）功能是100BASE TX专有的,以太网收发器工作原理详解,(4) MII (MEDIA INDEPENDENT INTERFACE):媒体无关接口,是PHY和控制期间之间的数据通路. (5) MDI (MEDIUM DEPENDENT INTERFACE):介质相关接口,不同的PMD对应着不同的MDI接口 (6) SMI (SERIAL MANAGEMENT INTERFACE):这个接口允许

9、上层器件监控PHY。物理接口包括一个数据线（MDIO）和一根时钟线（MDC）。MAC 利用SMI 可以完成读写状态寄存器的功能,以太网收发器工作原理详解,二 PHY主要功能部分 (1) Auto-negotiation 与Parallel Detection： 当连接的双方都有自动协商能力的时候，PHY 通过发送 FLP（ Fast Link Pulse 快速链路脉冲）来决定端口的工作模式，每一个FLP 脉冲群包括33 个脉冲，每个脉冲间隔62.5us，脉冲群的间隔为168ms。奇数脉冲代表时钟长有，偶数脉冲表示数据，有脉冲信号为“1”，没有脉冲信号为“0”。每个FLP 包含16bits 数据

10、即所谓的“page”。所有的支持Auto-negotiation 的器件必须能够读懂“base page”。有些phy 支持“next page”功能。通过交换“base page 互相相连的两方可告知对方它的实际能力（速度、双工等）。PHY 选择双方都有的最高能力作为端口的工作模式。 当连接的双方只有一方支持自动协商的时候，没有自协商能力的一方发送NLP (normal link pulses in 10Mbps)或者Idle Symbols（100Mbps）；有自动协商能力的PHY 探测线路上的速度信息，配置端口为10M 半双工或者是100M 半双工。NLP 是每间隔168ms 发送一个脉

11、冲，IDLE 就是全“1”信号,以太网收发器工作原理详解,所以当强制端口工作于全双工的时候，就必须保证连接的对方也是强制于此种工作状态，否则对方（具有自协商能力的一方）会选择端口的工作状态为半双工，双方能够连接上且按照各自的模式工作。当连接的双方都没有自协商能力的时候，双方都发送NLP (normal link pulses in 10Mbps)或者Idle Symbols（100Mbps），如果探测到的速度信息与自己发送的一致，双方就按照自己的工作模式LINK 上且开始工作。如果一方强制为100M 全双工，另一方为强制为100M 半双工的时候，能够连接上且按照各自的模式工作。 案例分析,以太

12、网收发器工作原理详解,(2) Auto MDI/MDIX Crossover：Crossover 是PHY 的一个可选的功能，具有此功能的PHY 能 够根据对方的发送和接收信号，使用MDI 或者是MDIX。连接的双方，只要有一方具有Crossover， 就可实现功能。此时双方无论使用正线还是反线都能连接上 (3) Polarity Detection and Correction 极性检测和纠正是防止差分输出TP+和TP-出现反接导致传输错误. 问题:为什么只是10M采用极性检测和纠正? 案例分析,以太网收发器工作原理详解,三 PHY简单工作过程 以100Mbps 为例，在接收方向上，PHY

13、必须把125M 的串行的MLT-3 信号转化为MII（RMII、SMII）信号。PHY 从双绞线上接收MLT-3 信号。首先，AGC 模块对MLT-3 信号进行处理，去除信号中的直流分量，实现baseline wander correction；数字锁相环会从接收到的数据恢复出125M 的时钟，ADC 模块利用此时钟对MLT-3 信号进行采样；把MLT-3 信号转化为NRZI 信号；然后按照与发送相反的流程完成NRZI到NRZ 信号的转化，DESCRAMBLE，串并转化，4B/5B 的译码；最后把处理完的信号送入FIFO，准备发送给MAC。使用FIFO 的主要原因是纠正恢复时钟与系统时钟之间存

14、在的差别。 问题:为什么需要baseline wander correction? 问题:为什么需要DESCRAMBLE ?,主要内容,以太网简介 以太网收发器工作原理详解 以太网物理层信号质量测试 以太网收发器常见问题分析和调试 附录：以太网信号质量测试指标,以太网物理层信号质量测试,10BASE-T采用Manchester 编码方法，即“0”=由“+”跳变到“-”，“1”=由“-”跳变到“+”,因为不论是”0”或是”1”,都有跳变,所以总体来说,信号是DC平衡的, 并且接收端很容易就能从信号的跳变周期中恢复时钟. 100BASE-T时采用了MLT-3（三电平编码）的信道编码方法.(MLT-

15、3定义只有数据是“1”时数据信号状态才跳变,数据为“0”则保持不变) 1000BASE-T使用5电平4D-PAM编码,每个电平表示5符号-2,-1,0,1,2中的一个符合,每个符号代表2比特信息(其中4电平中每个电平代表2比特位,分别表示00，01，10，11，还有一个电平表示前向纠错码FEC),以太网物理层信号质量测试,10 Mbps和100 Mbps以太网的物理层信号质量测试采用诱导发包的测试方法,以太网物理层信号质量测试,诱导发包方法(10M/100M) 上述图示的Ethernet processor以及Auxiliary Board为辅助发包设备,设置Ethernet processo

16、r为10M/100M模式,使得DUT工作在相应的工作模式。将其发送管脚(3,6)引出至测试Module进行信号质量的测试. 1000M信号质量的测试采用修改PHY寄存器的方法使得PHY强制工作在测试模式来进行测试.四种测试模式的设定通过改写MII寄存器915:13来进行设定.这个标准测试寄存器在IEEE802.3 条款 40.6中被定义.,以太网物理层信号质量测试,100Base-TX接口的指标测试特点及波形捕抓 在IEEE Std 802.3-2000标准中要求使用的测试波形是14位（112ns）的非跳变（transition）波形，然而在实际测试中很难获得这种112ns宽度的脉冲信号。通常

17、在Idle状态下，96ns宽度的脉冲信号非常容易获得，因此采用96ns替代112ns脉冲信号作为测试信号。在使用100电阻作为测试负载时，使被测试端口LinkUP，通过示波器的宽度触发功能捕抓到宽度为96ns信号。 测试负载负载要求 在IEEE Std 802.3-2000标准中要求测试负载为满足1000.2%的电阻器且在频率100MHz时，串联感抗20nH、并联容抗2pF。如果不是使用电阻器作为测试负载（例如使用一个实际的100Base-TX接口），那么它的“阻抗-频率”特性曲线不会是平坦的，这样就会引入较大的不确定误差。,以太网物理层信号质量测试,100BASE-TX信号质量测试指标(AN

18、SI X3.263-1995) MASK TEST (网口眼图测试) Rise and Fall Time (上升/下降时间测试) Duty Cycle Distortion (占空比失真测试) Amplitude/Symmetry/Overshoot (差模输出电压/波形过冲/对称性测试) Jitter (传输抖动测试),以太网物理层信号质量测试,1000MBASE-T信号质量测试(IEEE 802.3ab clause 40) 测试模式1：模板测试、峰值电压测试、衰落测试 测试模式2：主模式抖动 测试模式3：从模式抖动 测试模式4：波形失真测试、共模输出电压,主要内容,以太网简介 以太网收

19、发器工作原理详解 以太网物理层信号质量测试 以太网收发器常见问题分析和调试 附录：以太网信号质量测试指标,以太网收发器常见问题分析和调试,现象:所有的端口都不能收发数据 原因1：PHY 没有正常工作。 判定方法：保证端口具有自动协商能力，在端口没有LINK 的时候，测试PHY 是否有发送FLP 信号， 以此来判断PHY 是否已经工作。当然在MII 下可以测试MII 上的发送和接收时钟信号是否产生。 原因2：隔离变压器的问题。 判定方法：测试对比隔离变压器输入和输出信号是否相同。 附加说明：对于使用crossover 功能的PHY，必须选用支持此功能的隔离变压器。 原因3：MAC 的问题。 判定

20、方法: 利用PC 向交换机发送数据包，测试MII（RMII）的RXD 上是否有相应的信号产生，如果有问题可能在MAC,以太网收发器常见问题分析和调试,现象：单个端口不能收发 原因1：焊接问题 判定方法：检测电路上管脚的焊接及阻容的使用。 原因2：器件问题 判定方法：按照信号的流向来一步步地测试，分析出问题的位置。A. 当端口没有LINK 的时候，PHY 必须发送FLP。 B. 隔离变压器必须把信号按照1：1 的比例转发。 C. 端口连接上PC 后，快速链路脉冲消失，取而代之的是差分信号，否则PHY 工作不 正常。 D. PC 发送一个单帧，这时网口的LINK/ACT 灯会闪，否则PHY 不正常

21、。 E. 利用示波器捕获MII 上是否有接收到信号，若没有PHY 不正常。,以太网收发器常见问题分析和调试,现象：数据收发的过程中内容出错（CRC） 原因1：经过PHY 转发的数据信号不符合标准。 判定方法：对数据信号的波形测试，如网口眼图测试.核对波形是否符合标准。 原因2：数据线上信号之间的相互串扰。（单口数据传输出错） 判定方法：对有疑问的数据线使用飞线。 原因3：数据线干扰了MDC(IO)，导致MAC 对端口的LINK 状态的判断 出错。 判定方法：对MDC（IO）信号使用飞线，或者使用匹配电阻（容）。,主要内容,以太网简介 以太网收发器工作原理详解 以太网物理层信号质量测试 以太网收发器常见问题分析和调试 附录：以太网信号质量测试指标,以太网物理层信号质量测试,100BASE-T信号质量测试指标规范,以太网物理层信号质量测试,100BASE-T信号质量测试指标规范,以太网物理层信号质量测试,100BASE-T信号质量测试指标规范,以太网物理层信号质量测试,100BASE-T信号质量测试指标规范,谢谢各位！,