Granite River Labs, GRL
黃叡 Raymond Huang
上一篇技術文章「淺談Ethernet 帶你入門學習乙太網路」中已經介紹過通用乙太網路的規格如10Base-T/100Base-Tx，以及十億位元乙太網路（Gigabit Ethernet）的一小部分＂1000Base-T＂。而本篇文章將會介紹更為高速的2.5G/5G/10GBase-T等規格，以及其相關的測試規範。
乙太網路演進史上，10Gbps規範的時間較早，IEEE組織於2006年就推出802.3an協議，即為10GBASE-T之乙太網路協議。該協議規範了RJ-45接口和雙絞線傳輸介質的10 Gbps乙太網路傳輸速率。
10GBASE-T沿用先前乙太網路規範，但每對線的總傳輸資料提升至2.5Gbps，訊號則採用16級脈衝幅度調製（PAM-16）方式傳輸，每一個電壓振幅皆代表著3.125bit的資料，故每對傳輸線實際傳輸率僅為800Mbps，大大降低了對傳輸頻寬的要求，並增加了有效傳輸距離。佈線距離則依據纜線等級不同，CAT-6 型纜線傳輸距離可達55公尺，而CAT-6A型纜線則可達到100米。
10GBASE-T 到 2.5G/5GBASE-T 的演變
隨著乙太網路普及，我們發現市面上建築物中部署的CAT-5e電纜佈線實際運行10GBASE-T的狀況較為困難，而先前的1000BASE-T已無法提供讓使用者滿意的上傳頻寬。因此2015年IEEE802.3便成立了僅降低1/2、1/4的頻寬，卻可以應用CAT-5e或CAT-6長達到最長100公尺線纜的2.5G/5GBASE-T專案。
其實，在官方IEEE802.3的2.5G/5GBASE-T專案小組成立前，民間已先成立了策略聯盟，分別為以思科（CISCO）、安玹（AQUANTIA）、賽靈思（Xilinx）等公司為首的NBase-T Alliance，及競爭對手以博通（Broadcom）為首的MGBase-T Alliance，最後在IEEE-SA標準委員會協調統合，於2016年訂定IEEE標準802.3bz-2016規範。
測試上如果要進行2.5/5GBase-T驗證，將可視乙太網路晶片支援的規格分別選擇NBase-T/MGBase-T進行測試，兩者與現行的測試項目基本大同小異，僅有上下限規範的些微不同，因此本文我們將著重在10GBase-T實體層電性測試的介紹，並說明測試項目及相關流程；文末再針對2.5G/5G/10GBase-T之測試規範做整理。
10GBase-T 實體層電性測試
乙太網路測試一般分為時域（Time-Domain）測試、諧波失真（Distortion）測試、振幅（Amplitude）測試與回波損耗（Return Loss）測試四個類別：
- 時域（Time-Domain）測試相對之前沒有太大的改變，只是對抖動（Jitter）要求變得更嚴謹，詳細的測試波型會在下個章節進行說明。
- 諧波失真（Distortion）測試採用傳輸線性度（Transmitter Linearity）進行衡量，透過要求待測物發出兩個頻率的訊號，觀測其互相干擾之噪聲以進行驗證。
- 振幅（Amplitude）測試方面，10GBASE-T測試的難點來源於PAM16的調製方式。由於產生16個不同幅度的脈衝，其複雜性使部分常見的測試也都難以實現，如100BASE-TX眼圖測試中的MAU測項或模板測試（1000BASE-T）的Point A, B, C等。
IEEE組織利用頻譜方面的測量，以功率譜密度（Power Spectral Density, PSD）的方式來衡量如此多層級的複雜電位訊號，透過分析頻譜計算單位時間內不同頻率訊號的能量值，針對如PAM-16多層級的複雜電位進行驗證。
- 回波損耗（Return Loss）測試部分，仍然需要一台訊號源來輸出並掃描各個頻率，頻率範圍須達到500MHZ，遠高於1000BASE-T要求的100MHZ。
對乙太網路的四個測試類別有基本認知後，以下為802.3an中10GBase-T測試項目（表1）的詳細介紹：
表1: 10G BASE-T測試細項表
- Transmit Clock Frequency 要求待測物進入測試模式2，同時四對傳輸線上發送2個+16電位與2個-16電位所組成之循環數據，模擬一個200 MHZ的Clock Frequency，測量此頻率的同時，規範要求誤差比率需小於50ppm。
- Transmitter Timing Jitter 測試與Transmit Clock Frequency測試非常類似，同樣是進入測試模式2。規範要求抖動的RMS值應在5.5ps範圍之內。
- Transmitter Linearity Test 需要求待測物進入測試模式4，由待測物發出一組雙音（Dual Tone）訊號，即兩個頻率相近、幅度相等的正弦波。此測試用無雜散動態範圍（Spurious-Free Dynamic Range, SFDR）來計算，即頻譜最大振幅之RMS幅度與次最大噪聲成分或諧波失真成分RMS值之比。
依照測試規範計算後SFDR應符合以下方程式：
SFDR ≥ 2.5 + min[52, 58 – 20 × log10(f/25)] (frequency, f =1~400Mhz)
測試規範待測物需要發送五組不同頻率之訊號，每組雙音訊號於理論上模擬最嚴重的干擾狀況，若結果符合規範將說明諧波失真比例於容忍範圍內，使用者正常操作時較不會對其它頻率訊號產生較大的影響。
- Transmitter Power Spectral Density & Power Level Test 需要求待測物進入測試模式5，即一般待測物正常操作之狀態。Power of Transmitter需介於3.2dBm和5.2dBm之間，而其功率譜密度（100 ohm負載下）需滿足Spec定義之上下限。
- MDI Return Loss 測試仍沿用乙太網路系列協議一貫的測試方法，由訊號源發出訊號並掃描反射的訊號，透過比較入射波形和反射波形，計算出Return Loss。只是10GBASE-T對訊號源的能力提出了更高的要求，需要能發出最高到500MHZ。
- Maximum Output Droop 需要求待測物進入測試模式6，發出連續128個個+16電位與連續128個-16電位循環訊號，模擬3.125MHZ的低頻訊號。驗證的區間為方波過零點開始之第10ns至第90ns，要求電壓壓降幅度不超過10%。此測試為驗證訊號在連續高度重複的情境下，造成電壓變形程度不至於出現誤判的結果。
Gigabit Ethernet測試規範比較
表2: Gigabit Ethernet測試規範比較表（可點擊圖片放大）
結論
隨著文件電子化、雲端儲存需求增加，各企業對Server的需求量與規格要求大為增加，因此網路介面的使用也更為廣泛。GRL台北實驗室有多年的測試經驗，並可以提供完整的Ethernet測試服務及諮詢，協助您驗證產品的相關規格與性能。
參考文獻
- IEEE Standard for Ethernet, IEEE Std 802.3™-2018 (Revision of IEEE Std 802.3-2015)
- Keysight, Ethernet D9010EBZC MOI
作者
GRL 台灣測試工程師 黃叡 Raymond Huang
國立台灣大學化工所碩士畢業，擁有三年測試經驗，熟悉DisplayPort, DisplayHDR, HDR10+, Ethernet 等測試規範。GRL 技術文章作者及演講講師。
本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。
發佈日期 2022/02/15 AN-220215-TW
