以太网收发器工作原理及其信号质量测试

• 问题:为什么只是10M采用极性检测和纠正?
案例分析
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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 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在的差别。 • 问题:为什么需要baseline wander correction? • 问题:为什么需要DESCRAMBLE ?
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。
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16±8ms。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16±8ms 发送一个脉冲，IDLE 就是全“1”信号
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，目前世界上80～85%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.
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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 基准模型中，PHY 属于哪一层？
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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-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)
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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。 • • • • 的基本作用： 对端口LINK 状态的判断； 自动协商，当然MAC 可以修改PHY 的寄存器间接控制 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。 PHY (1) (2) (3)
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) 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； polarity 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
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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 processor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9[15:13]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
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。 。