以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理及其信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

1、以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理及其信號(hào)質(zhì)量測(cè)試主要內(nèi)容 以太網(wǎng)簡(jiǎn)介以太網(wǎng)簡(jiǎn)介 以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試 以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試 附錄：以太網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)附錄：以太網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)以太網(wǎng)簡(jiǎn)介【以太網(wǎng)】使用IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)（即采用CSMA/CD訪(fǎng)問(wèn)控制技術(shù)）的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 由美國(guó)Xerox（施樂(lè)）公司和Stanford（斯坦福）大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)并于75年推出，原為總線(xiàn)型，現(xiàn)已擴(kuò)展到星形、星形總線(xiàn)、樹(shù)形等。81年Xerox、DEC、Intel聯(lián)合推出商業(yè)產(chǎn)品。85年IEEE 802委員會(huì)在此

2、基礎(chǔ)上頒布了802.3標(biāo)準(zhǔn) 由于以太網(wǎng)與其他LAN類(lèi)型相比，具有易用、易安裝、易維護(hù)、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前世界上8085%與LAN相連的PC和工作站使用以太網(wǎng)連接。 以太網(wǎng)為基帶系統(tǒng)，采用曼徹斯特等編碼技術(shù)，且只支持LLC層的類(lèi)型1操作 不確認(rèn)的無(wú)連接服務(wù)（數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)） 。以太網(wǎng)簡(jiǎn)介 按照網(wǎng)絡(luò)傳輸速率可以分為10BASE-T、100BASE-T、1000BASE-T 。 以太網(wǎng)物理層傳輸介質(zhì)雙絞線(xiàn)可分為非屏蔽雙絞線(xiàn)(UTP)和屏蔽雙絞線(xiàn)(STP)，現(xiàn)在使用的UTP可分為3類(lèi)、4類(lèi)、五類(lèi)和超五類(lèi)四種 。 在美國(guó)線(xiàn)纜標(biāo)準(zhǔn)(AWG)中對(duì)3類(lèi)、4類(lèi)、五類(lèi)和超五類(lèi)雙絞線(xiàn)都定義為4對(duì)，在千兆位以太網(wǎng)中更

3、是要求使用全部的4對(duì)線(xiàn)進(jìn)行通信。所以，標(biāo)準(zhǔn)五類(lèi)線(xiàn)纜中應(yīng)該有4對(duì)線(xiàn)。 以太網(wǎng)簡(jiǎn)介 CSMA/CD協(xié)議的基本思想 每站在發(fā)送數(shù)據(jù)前，先監(jiān)聽(tīng)信道是否空閑；若是，則發(fā)送數(shù)據(jù)，并繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)下去，一旦監(jiān)聽(tīng)到?jīng)_突，立即停止發(fā)送，并在短時(shí)間內(nèi)連續(xù)向信道發(fā)出一串阻塞信號(hào)（JAM）強(qiáng)化沖突，如果信道忙，則暫不發(fā)送，退避一隨機(jī)時(shí)間后再?lài)L試。 CSMA/CD協(xié)議在CSMA協(xié)議基礎(chǔ)上增加了發(fā)送期間檢測(cè)沖突的功能。其最大特點(diǎn)是“先聽(tīng)后說(shuō),邊說(shuō)邊聽(tīng)”。該協(xié)議已被IEEE 802委員會(huì)采納，并以此為依據(jù)制定了IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。 CSMA/CD協(xié)議同樣可分為非堅(jiān)持、1堅(jiān)持和p堅(jiān)持3種。 以太網(wǎng)通常采用非分隙1堅(jiān)持CSMA

4、/CD。主要內(nèi)容 以太網(wǎng)簡(jiǎn)介以太網(wǎng)簡(jiǎn)介 以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試 以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試 附錄：以太網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)附錄：以太網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 PHY =PHYSICAL LAYER DEVICE 即物理層器件。此次培訓(xùn)中提到的10/100/1000M PHY 是指專(zhuān)用于以太網(wǎng)，支持IEEE 802.3 10 Mbps、100Mbps、1000 Mbps物理層應(yīng)用的收發(fā)器。即通過(guò)雙絞線(xiàn)可使用在10 Mbps 和 100 Mbps 、1000 Mbps以太網(wǎng)

5、的物理層器件。有些PHY 可通過(guò)光纖收發(fā)器支持100 Mbps (100BASE-FX)以太網(wǎng)，和此相關(guān)部分本次培訓(xùn)不涉及。以下將10/100/1000 Mbps 以太網(wǎng)收發(fā)器簡(jiǎn)稱(chēng)為PHY。 問(wèn)題 在OSI 基準(zhǔn)模型中，PHY 屬于哪一層？以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解在OSI 的7 層基準(zhǔn)模型中我們使用的PHY屬于第一層-物理層( PHY)。物理層協(xié)議可定義電氣信號(hào)、線(xiàn)的狀態(tài)、時(shí)鐘要求、數(shù)據(jù)編碼和數(shù)據(jù)傳輸用的連接器。數(shù)據(jù)鏈路層可以通過(guò)定義好的接口而與物理層通話(huà)。例如MAC可以利用介質(zhì)無(wú)關(guān)性接口( MII)與PHY進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。PHY 的基本作用：(1) 對(duì)端口LINK 狀態(tài)的判斷；(2) 自動(dòng)協(xié)商

6、，當(dāng)然MAC 可以修改PHY 的寄存器間接控制 (3) 完成MII（RMII）數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)流之間的轉(zhuǎn)化：包括4B/5B 的編碼的轉(zhuǎn)化（不包括10BASET）；串并轉(zhuǎn)換；最后轉(zhuǎn)換成低壓信號(hào)，根據(jù)端口不同的工作模式，轉(zhuǎn)換方式也有所不同。例如在100BASE-T 下是MLT-3；在10BASE-T 下是曼徹斯特編碼(4) 在MII 的工作方式下，完成沖突檢測(cè)。若是工作于RMII 模式下 則此項(xiàng)任務(wù)由MAC 完成。以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 PHY Block Diagram以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 一 PHY主要組成部分(1) PCS(PHYSICAL CODING SUBLAYER)：在100BA

7、SE-X 模式時(shí)，提供RMII 接口、4B/5B 編碼、串并轉(zhuǎn)換以及沖突檢測(cè)功能，同時(shí)只要TXEN 無(wú)效就提供“idle”信號(hào)給PMD 層。在10BASE-T 模式下只提供接口和串并轉(zhuǎn)換功能。(2) PMA(PHYSICAL MEDIUM ATTACHMENT)：提供對(duì)LINK 狀態(tài)的判斷和載波偵聽(tīng)的功能，完成串行信號(hào)和NRZI 信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化。PMA 使用標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)判斷端口的LINK 狀態(tài)。當(dāng)PMA 判斷到對(duì)方設(shè)備存在的時(shí)候，如果自動(dòng)協(xié)商使能，就會(huì)開(kāi)始同對(duì)方進(jìn)行自動(dòng)協(xié)商確定端口的工作模式；當(dāng)對(duì)方不支持自動(dòng)協(xié)商的時(shí)候，端口的工作模式根據(jù)并行探測(cè)的結(jié)果。 (3) PMD(PHYSICAL ME

8、DIUM DEPENDENT)：提供對(duì)信號(hào)的scrambling/ descrambling；對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，在100TX 下是MLT-3 , 在10T 下是Manchester； polarity correction；baseline wander correction 等功能。其中的scrambling(擾頻)/ descrambling（解擾）和baseline wander（基線(xiàn)漂移）功能是100BASE TX專(zhuān)有的以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解(4) MII (MEDIA INDEPENDENT INTERFACE):媒體無(wú)關(guān)接口,是PHY和控制期間之間的數(shù)據(jù)通路.(5) MDI (ME

9、DIUM DEPENDENT INTERFACE):介質(zhì)相關(guān)接口,不同的PMD對(duì)應(yīng)著不同的MDI接口(6) SMI (SERIAL MANAGEMENT INTERFACE):這個(gè)接口允許上層器件監(jiān)控PHY。物理接口包括一個(gè)數(shù)據(jù)線(xiàn)（MDIO）和一根時(shí)鐘線(xiàn)（MDC）。MAC 利用SMI 可以完成讀寫(xiě)狀態(tài)寄存器的功能以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 二 PHY主要功能部分(1) Auto-negotiation 與Parallel Detection：當(dāng)連接的雙方都有自動(dòng)協(xié)商能力的時(shí)候，PHY 通過(guò)發(fā)送 FLP（ Fast Link Pulse 快速鏈路脈沖）來(lái)決定端口的工作模式，每一個(gè)FLP 脈沖群包括

10、33 個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖間隔62.5us，脈沖群的間隔為168ms。奇數(shù)脈沖代表時(shí)鐘長(zhǎng)有，偶數(shù)脈沖表示數(shù)據(jù)，有脈沖信號(hào)為“1”，沒(méi)有脈沖信號(hào)為“0”。每個(gè)FLP 包含16bits 數(shù)據(jù)即所謂的“page”。所有的支持Auto-negotiation 的器件必須能夠讀懂“base page”。有些phy 支持“next page”功能。通過(guò)交換“base page 互相相連的兩方可告知對(duì)方它的實(shí)際能力（速度、雙工等）。PHY 選擇雙方都有的最高能力作為端口的工作模式。當(dāng)連接的雙方只有一方支持自動(dòng)協(xié)商的時(shí)候，沒(méi)有自協(xié)商能力的一方發(fā)送NLP (normal link pulses in 10Mbps)

11、或者Idle Symbols（100Mbps）；有自動(dòng)協(xié)商能力的PHY 探測(cè)線(xiàn)路上的速度信息，配置端口為10M 半雙工或者是100M 半雙工。NLP 是每間隔168ms 發(fā)送一個(gè)脈沖，IDLE 就是全“1”信號(hào)以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解所以當(dāng)強(qiáng)制端口工作于全雙工的時(shí)候，就必須保證連接的對(duì)方也是強(qiáng)制于此種工作狀態(tài)，否則對(duì)方（具有自協(xié)商能力的一方）會(huì)選擇端口的工作狀態(tài)為半雙工，雙方能夠連接上且按照各自的模式工作。當(dāng)連接的雙方都沒(méi)有自協(xié)商能力的時(shí)候，雙方都發(fā)送NLP (normal link pulses in 10Mbps)或者Idle Symbols（100Mbps），如果探測(cè)到的速度信息與自己發(fā)

12、送的一致，雙方就按照自己的工作模式LINK 上且開(kāi)始工作。如果一方強(qiáng)制為100M 全雙工，另一方為強(qiáng)制為100M 半雙工的時(shí)候，能夠連接上且按照各自的模式工作。 案例分析以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解(2) Auto MDI/MDIX Crossover：Crossover 是PHY 的一個(gè)可選的功能，具有此功能的PHY 能夠根據(jù)對(duì)方的發(fā)送和接收信號(hào)，使用MDI 或者是MDIX。連接的雙方，只要有一方具有Crossover，就可實(shí)現(xiàn)功能。此時(shí)雙方無(wú)論使用正線(xiàn)還是反線(xiàn)都能連接上(3) Polarity Detection and Correction極性檢測(cè)和糾正是防止差分輸出TP+和TP-出現(xiàn)反接導(dǎo)

13、致傳輸錯(cuò)誤.問(wèn)題:為什么只是10M采用極性檢測(cè)和糾正? 案例分析以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 三 PHY簡(jiǎn)單工作過(guò)程以100Mbps 為例，在接收方向上，PHY 必須把125M 的串行的MLT-3 信號(hào)轉(zhuǎn)化為MII（RMII、SMII）信號(hào)。PHY 從雙絞線(xiàn)上接收MLT-3 信號(hào)。首先，AGC 模塊對(duì)MLT-3 信號(hào)進(jìn)行處理，去除信號(hào)中的直流分量，實(shí)現(xiàn)baseline wander correction；數(shù)字鎖相環(huán)會(huì)從接收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)出125M 的時(shí)鐘，ADC 模塊利用此時(shí)鐘對(duì)MLT-3 信號(hào)進(jìn)行采樣；把MLT-3 信號(hào)轉(zhuǎn)化為NRZI 信號(hào)；然后按照與發(fā)送相反的流程完成NRZI到NRZ 信號(hào)的轉(zhuǎn)化

14、，DESCRAMBLE，串并轉(zhuǎn)化，4B/5B 的譯碼；最后把處理完的信號(hào)送入FIFO，準(zhǔn)備發(fā)送給MAC。使用FIFO 的主要原因是糾正恢復(fù)時(shí)鐘與系統(tǒng)時(shí)鐘之間存在的差別。問(wèn)題:為什么需要baseline wander correction?問(wèn)題:為什么需要DESCRAMBLE ?主要內(nèi)容 以太網(wǎng)簡(jiǎn)介以太網(wǎng)簡(jiǎn)介 以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試 以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試 附錄：以太網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)附錄：以太網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試10BASE-T采用Manchester 編碼方

15、法，即“0”=由“+”跳變到“-”，“1”=由“-”跳變到“+”,因?yàn)椴徽撌恰?”或是”1”,都有跳變,所以總體來(lái)說(shuō),信號(hào)是DC平衡的, 并且接收端很容易就能從信號(hào)的跳變周期中恢復(fù)時(shí)鐘.100BASE-T時(shí)采用了MLT-3（三電平編碼）的信道編碼方法.(MLT-3定義只有數(shù)據(jù)是“1”時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)狀態(tài)才跳變,數(shù)據(jù)為“0”則保持不變)1000BASE-T使用5電平4D-PAM編碼,每個(gè)電平表示5符號(hào)-2,-1,0,1,2中的一個(gè)符合,每個(gè)符號(hào)代表2比特信息(其中4電平中每個(gè)電平代表2比特位,分別表示00，01，10，11，還有一個(gè)電平表示前向糾錯(cuò)碼FEC)以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試 10 Mbps和1

16、00 Mbps以太網(wǎng)的物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試采用誘導(dǎo)發(fā)包的測(cè)試方法以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試 誘導(dǎo)發(fā)包方法(10M/100M) 上述圖示的Ethernet processor以及Auxiliary Board為輔助發(fā)包設(shè)備,設(shè)置Ethernet processor為10M/100M模式,使得DUT工作在相應(yīng)的工作模式。將其發(fā)送管腳(3,6)引出至測(cè)試Module進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量的測(cè)試. 1000M信號(hào)質(zhì)量的測(cè)試采用修改PHY寄存器的方法使得PHY強(qiáng)制工作在測(cè)試模式來(lái)進(jìn)行測(cè)試.四種測(cè)試模式的設(shè)定通過(guò)改寫(xiě)MII寄存器915:13來(lái)進(jìn)行設(shè)定.這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試寄存器在IEEE802.3 條款 40.6中被定義.以太

17、網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試100Base-TX100Base-TX接口的指標(biāo)測(cè)試特點(diǎn)及波形捕抓接口的指標(biāo)測(cè)試特點(diǎn)及波形捕抓 在IEEE Std 802.3-2000標(biāo)準(zhǔn)中要求使用的測(cè)試波形是14位（112ns）的非跳變（transition）波形，然而在實(shí)際測(cè)試中很難獲得這種112ns寬度的脈沖信號(hào)。通常在Idle狀態(tài)下，96ns寬度的脈沖信號(hào)非常容易獲得，因此采用96ns替代112ns脈沖信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)。在使用100電阻作為測(cè)試負(fù)載時(shí)，使被測(cè)試端口LinkUP，通過(guò)示波器的寬度觸發(fā)功能捕抓到寬度為96ns信號(hào)。 測(cè)試負(fù)載負(fù)載要求測(cè)試負(fù)載負(fù)載要求在IEEE Std 802.3-2000標(biāo)準(zhǔn)中要求測(cè)

18、試負(fù)載為滿(mǎn)足1000.2%的電阻器且在頻率100MHz時(shí)，串聯(lián)感抗20nH、并聯(lián)容抗2pF。如果不是使用電阻器作為測(cè)試負(fù)載（例如使用一個(gè)實(shí)際的100Base-TX接口），那么它的“阻抗-頻率”特性曲線(xiàn)不會(huì)是平坦的，這樣就會(huì)引入較大的不確定誤差。以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試 100BASE-TX信號(hào)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)(ANSI X3.263-1995) MASK TEST (網(wǎng)口眼圖測(cè)試) Rise and Fall Time (上升/下降時(shí)間測(cè)試) Duty Cycle Distortion (占空比失真測(cè)試) Amplitude/Symmetry/Overshoot (差模輸出電壓/波形過(guò)沖/對(duì)稱(chēng)性測(cè)

19、試) Jitter (傳輸抖動(dòng)測(cè)試)以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試 1000MBASE-T信號(hào)質(zhì)量測(cè)試(IEEE 802.3ab clause 40) 測(cè)試模式1：模板測(cè)試、峰值電壓測(cè)試、衰落測(cè)試 測(cè)試模式2：主模式抖動(dòng) 測(cè)試模式3：從模式抖動(dòng) 測(cè)試模式4：波形失真測(cè)試、共模輸出電壓主要內(nèi)容 以太網(wǎng)簡(jiǎn)介以太網(wǎng)簡(jiǎn)介 以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解以太網(wǎng)收發(fā)器工作原理詳解 以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試以太網(wǎng)物理層信號(hào)質(zhì)量測(cè)試 以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試 附錄：以太網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)附錄：以太網(wǎng)信號(hào)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試 現(xiàn)象現(xiàn)象: :所有的端口都不能收發(fā)數(shù)據(jù)所

20、有的端口都不能收發(fā)數(shù)據(jù)原因1：PHY 沒(méi)有正常工作。判定方法：保證端口具有自動(dòng)協(xié)商能力，在端口沒(méi)有LINK 的時(shí)候，測(cè)試PHY 是否有發(fā)送FLP 信號(hào)，以此來(lái)判斷PHY 是否已經(jīng)工作。當(dāng)然在MII 下可以測(cè)試MII 上的發(fā)送和接收時(shí)鐘信號(hào)是否產(chǎn)生。原因2：隔離變壓器的問(wèn)題。判定方法：測(cè)試對(duì)比隔離變壓器輸入和輸出信號(hào)是否相同。附加說(shuō)明：對(duì)于使用crossover 功能的PHY，必須選用支持此功能的隔離變壓器。原因3：MAC 的問(wèn)題。判定方法: 利用PC 向交換機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，測(cè)試MII（RMII）的RXD 上是否有相應(yīng)的信號(hào)產(chǎn)生，如果有問(wèn)題可能在MAC以太網(wǎng)收發(fā)器常見(jiàn)問(wèn)題分析和調(diào)試 現(xiàn)象：?jiǎn)蝹€(gè)端口不能收發(fā)現(xiàn)象：?jiǎn)蝹€(gè)端口不能收發(fā)原因1：焊接問(wèn)題判定方法：檢測(cè)電路上管腳的焊接及阻容的使用。原因2：器件問(wèn)題判定方法：按照信號(hào)的流向來(lái)一步步地