10GBASET技术白皮书0718讲解.docx

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10GBASET技术白皮书0718讲解

IEEEStd802.3an™-2006

1摘要

本文档描述了10GBASE-T基本原理，并且介绍10GBASE-TPMA层与PCS层的相关技术及10GBASE-T自动协商原理，详细描述了10GBASE-T物理层电气一致性测试原理，方法及步骤。

2关键词

10GBASE-T，PMA层，PCS层，自动协商，物理层电气一致性测试

3概述

3.110GBASE-T技术目标

支持自动协商，以全双工基带的传输方式在至少100m长度的4对线缆上传输满足IEEE802.3标准的帧，要求BER<=10e-12，同时满足CISPR/FCCClassAEMC要求（商业或工业使用）；

3.2OSI参考模型与IEEE802.3CSMA/CD局域网模型

说明：

●10GBASE-TPHY组件由10GBASE-TPCS,10GBASE-TPMA,10GBASE-TAN和10GBASE-TMDI组成；

●PCS子层使用了LDPC前向纠错和多位PAM16编码；

●PMA子层在8芯4线对的Cat6A双绞线上实现4路捆绑的同时收发功能；

●AN功能将自动协商延伸到万兆；

●MDI接口使用扩展6类RJ45连接器，在高性能扩展6类线上可以传输100m距离；

Transmitter

Receiver

Self-synchronizingscrambler-Providesclocktransitions,andastatisticallyrandompowerspectrumforEMIcontrol,equalizerconvergence,etc.

DSQ128coding-The10GBASE-Tstandardusesasynthetic2-dimensional128DSQ（DoubleSQuare）

constellation,whichconveys7bitspersymbol.

LDPC（LowDensityParityCheck）blockcodes–Blockcodesareoneoftwokindsoferrorcorrectingcodes

thatcanbeusedtoapproachtheShannoncapacityofachannel.

Tomlinson-HarashimaPrecoding（THP）-The10GBASE-TstandardcallsfortheuseofTHP,whichisascheme

inwhichtheequalizerforthechannelisplacedinthetransmittertheoreticallyallowingthereceivertosee

“perfect”symbols.Trainingisaccomplishedduringtheinitializationphaseofthelink.

3.3操作概述

10GBASE-TPHY实现的技术方案非常复杂，IEEE802.3an标准将10GBASE-T的运行概述如下：

●10GBASE-TPHY组件在四线对平衡型布缆上采用全双工基带传输；

●每个线对上双向同时以2500Mb/s传输，4线对捆绑达到10Gb/s的速率；

●每个线对的调制速率为800MBd（波特，或symb/s）,调制方式为PAM16（基带16电平脉冲幅度调制）；

●两个连续传输的PAM16信号作为一个二维（2D）符号，选自一个极大化2D符号分离的特点128点星座，即DSQ128（双矩形）星座；

4bit（㏒216）形成一个16级的脉冲幅度调制信号，每个16级PAM值作为一个PAM16符号，一对PAM16符号组成1个二维（2D）编码，从而形成256（16×16）个正交值的星座，从16×16矩阵中精减交叉的点形成128个2D符号，最终的DSQ128星座如下图，（在二维上使用值：

-15,-13,-11,-9,-7,-5,-3,-1,+1,+3,+5,+7,+9,+11,+13,+15）；

Figure:

DSQ128Constellation

与传统16x16的正交阵列相比，相邻DSQ128编码的距离增加了√2倍，这提高了3dB的信噪比，从而可以有效减少误码率（BER）;

●链路启动后连续发送PHY帧（512个DSQ128符号），DSQ128符号由7比特（㏒2128）标签确定，标签由3个未编码比特加上4个LDPC编码比特构成（PCS层）；

Figure:

DSQ128CodeblockwithLDPC（1723,2048）

●一个PHY帧的512个DSQ128符号作为4×256的PAM16符号在四线对上传输，数据和控制符统一成帧，在链路启动后连续传输；

●编码速率为3.125信息位/符号，信息位包括以太网数据与控制符，以及辅助信道的比特；

当计算10GBASE-T系统数据吞吐量时，需要考虑成帧和代码块的开销：

A.4bit编码数据：

由于增加了325个检验bit，最终形成2048LDPC编码块，实际编码数据降为1723/2048=3.3652bit

B.3bit未编码数据：

无额外开销；

C.因此每个DSQ128符号的平均数据bit是3+3.3652=6.3652bit

D.由于两个PAM16符号形成1个DSQ128符号，因此PAM16符号的平均数据bit减半为6.3652bit/2=3.1826bits

E.增加物理层64B/65B块编码，帧同步和CRC的开销，最终PAM16符号的平均bit数减为3.125bits，计算过程如下：

XGMII输入50个64bit，即64*50=3200bits，经过64B/65B编码，扰码，增加1bit辅助位和8bitCRC，输出50*65+8+1=3259bits，效率为3200/3259=0.9819；

即3.1826*0.9819=3.12498；

●10GBASE-T的数据吞吐量：

800MBd（调制率）×3.125bit/symb（编码率）×4（线对）=10Gbit/s（四路捆绑传输总速率）

1000BASE-T：

125MBd×2bit/symb×4=1Gbit/s

●以太网标准化组织（IEEE802.3）与线缆标准化组织（TIATR42）合作第一次协调了网络接口标准（10GBASE-T）与线缆标准（Cat6A,Category6Augmented）的制订，EIA/TIA568B.2-10标准是定义扩展6类双绞线Cat6A的规范；

术语组件/通道：

●扩展6类线的有效带宽扩展到了500MHz，但在6类线有效带宽的250MHz以内的指标值与6类线原有的保持一致；

PAM16符号率是800MSymbols/秒（800Mbaud），根据奈奎斯特采用原理，要求基带频率为400MHz的信号，在实际实现过程中PAM编码一般要求10~15%的余量要求，因此10GBASE-T线缆的带宽被规定到至少500MHz，从而为信号传输提供适当的余量；

●10GBASE-T规范继承100BASE-T2和1000BASE-T的技术思路，主要包括：

A.采用混合与抵消，在双绞线上实现全双工运行；

B.多线对（2对或4对）捆绑传输已达到要求的速率；

C.采用多维PAM调制，实现双绞线上的基带传输；

D.调制编码合一，采用FEC纠错；

E.10Gbase-T与1000Base-T的比较

1000Base-T

10GBase-T

传输方式

全双工带回声抑制

全双工带回声抑制

调制技术

5级脉冲调幅技术

16级脉冲调幅技术

码元比特率

2bit/码元

3.125bit/码元

码元传输率

125M/秒*线对

800M/秒*线对

工作带宽要求

80MHz

417Mhz

信道编码

4D8-state网格编码（trellis编码）

128-DSQ+LDPC（2048，1723）THP预编码

FEXT干扰

推荐使用FEXT干扰消除

必须使用FEXT干扰消除

●双绞线接口以太网对比

410GBase-TPhysicalCodingSublayer（PCS）

4.1PCS功能发送

1.XAUI/XFI接口；

2.扰码，成帧-》Sumbits:

1+65*50+8=3259=512*3（uncoded）+1723（coded）

3.LDPC编码-》add325paritybitstoblocksof1723databits.

c=xG

G:

thecodegeneratormatrix

x:

1723-bitinputvector;

c：

2048outputcodevector;

[c0c1...c2043]

[x0x1...x1772]

325个校验位是用来保护每个1723位编码数据块的完整性，从而形成一个2048位的LDPC码字。

totalencodedPHYframesize:

3584bits=512*3（uncoded）+1723（coded）+325

5127-bitDSQ128symbol--作为4*256的PAM16符号在四线对上传输；

Each7-bitDSQ128symbolmapstoasinglepointinatwo-dimensionalsymbolconstellation;

Tomlinson-HarashimaPrecoder（THP）：

Aprecodingtechniqueforintersymbolinterferencemitigation.（SeeIEEE802.3Clause55.）

similarinstructuretoadecisionfeedbackreceiver（DFE）,butisusedinthetransmitterratherthanreceiver.

ThecoefficientvalusefortheTHParedeterminedaspartofthelinkstart-upsequenceandremainfixedduringdatatransfer.

4.2PCS接收功能

Frameandblocksynchronization

PCSdescrambler

CRC8receivefunction

4.3噪音环境

a）Echo/echocancellation

b）Near-endcrosstalk/NEXTcancellation

c）Far-endcrosstalk/crosscoupledequalizers

d）Intersymbolinterference/TomlinsonHarashimaPrecoding

e）Noisefromnon-idealitiesintheduplexchannel,transmitter,andreceivers/varietyofPMAelectricalspecifications

f）Noisecoupledbetweenlinksegments/thealiencrosstalkisspecifiedin55.7.3

g）Thebackgroundnoisefor10GBASE-Tisexpectednottoexceed-150dBm/Hz/thevaluewasassumedfordeterminingtheminimumSNR

数字信号处理可以移除的噪音包括：

A.NearEndCrosstalk（NEXT）：

B.FarEndCrosstalk（FEXT）

C.Echo

D.Intersymbolinterference

数字信号处理不能删除的来源不明的噪音，如相邻的信令端口或背景噪音，背景噪声指信号传输的无线服务，如电视信号，无线以太网或手机（Marvell方案有现场演示过，没有问题）。

度量来自线对之外的串扰，针对AlienCrosstalkTIA定义了4个外部串扰参数，：

ANEXT:

外部近端串扰

PSANEXT:

外部近端串扰功率和

AFEXT：

外部远端串扰

PSAFEXT:

外部远端串扰功率和

AlienCrosstalk包括PowerSumAlienNearEndCrosstalk与PowerSumAlienFarEndCrosstalk，被定义为从相邻的传输通道/电缆耦合过来的噪声，因为这些型号是未知（Alien）或外部感应的，因此他们不能被补偿，需要使用新一代的线缆结构来补偿这些噪声，包括屏蔽线缆和非屏蔽线缆，这些线缆都需要满足相应标准中要求的规范指标；

5PMA

5.1.1PMA功能

4.4.2.1PMA复位功能

4.4.2.2PMA发送功能

4.4.2.3PMA发送关闭功能

4.4.2.4PMA接收功能

4.4.2.5PHY控制功能

16字节信息域（16octetInfoField）

4.4.2.6Link监控功能

4.4.2.7时钟恢复功能

5.1.2自动MDI/MDI-X配置

5.1.3测试模式

settingbits1.132.15:

13（10GBASE-TControlRegister）oftheMDIOManagementregister

5.1.4PMA电气规范

Marvell测试报告为例

5.1.5链接线路特征

fourpairsofbalancedcabling:

ISO/IEC11801:

2002withappropriateaugmentationasspecifiedin55.7.

theguidelines（proposed）inANSI/TIATSB155andANSI/TIA568-B.2-10andISO/IEC11801Edition2.1

6管理接口

MDIO（Clause45）,managementfunctions

Auto-Negotiation（Clause28），self-configurationfunctionsprovidedby

6.1自动协商支持

自动协商过程

4.6.1.1自动协商过程中使用的10GBASE-T寄存器

4.6.1.210GBASE-T自动协商页使用

BasePage.

formattedextendedNextPage

6.1.1主-从配置决议（MASTER-SLAVEconfigurationresolution）

7电气一致性测试

传统的以太网测试一般分为幅度域测试、时间相关测试、失真测试、回波损耗测试四块。

对于幅度域测试而言，10GBASE-T测试的难点来源于PAM16的调制方式。

16级脉冲幅度的复杂性使得常用的眼图测试（如100BASE-T）和模板测试（如1000BASE-T）都难以实现。

IEEE组织巧妙地避开了幅度测试方面的难点，转而用一个频谱方面的测量-功率谱密度（PSD）来衡量这样一个多级电平的复杂调制。

失真测试采用传输线性度（TransmitterLinearity）进行衡量，也是一个频谱域的测试项目。

回波损耗测试部分，扫频信号的频率要求达到500MHZ，远高于1000BASE-T要求的100MHZ，安捷伦测试方案需要使用矢量网络分析仪，泰克测试方案需要示波器和信号源（扫频信号频率要求达到500MHZ）。

时间相关测试则没有什么大的改变，只是对抖动的要求变得更高。

针对频率域测量，有两种可行的方案，其一是用示波器的FFT功能进行测量，由于示波器是一致性测量必需的仪器，这种方法无需任何额外的成本，此方法为泰克测试方案；其二是用频率分析仪进行测量，此方法为安捷伦测试方案。

IEEE802.3an中列出了10GBASE-T一致性测量所需的测量项目，包括七个单项的测量，分别是最大输出跌落（MaximumOutputDroop）,发送端时钟频率（TransmitterClockFrequency）,发送端抖动-主模式（TransmitterTimingJitter-Master）,发送端抖动-从模式（TransmitterTimingJitter-Slave）,传输线性度（TransmitterLinearity）,发送端功率谱密度和功率值（TransmitterPowerSpectralDensity（PSD）andPowerLevel）,回波损耗（ReturnLoss）。

10GBASE-T的symbol速率为800MSymbol/s,其基频分量为400MHZ，按照5次谐波原则，示波器最少需要2GHZ带宽。

7.1测试模式

PHY提供7种测试模式用来测试发送器的波形，发送器失真，发送器jitter，发送器跌落及BER测试；通过PHY的MDIO管理接口来设置寄存器1.132.15:

13（10GBASE-TControlRegister），从而确定PHY的测试模式；

1,2,4,5,6：

Mastermode

3：

slavemode

7.1.1测试模式1

在测试Slave模式下的发送器抖动时需要设置Linkpartner工作于测试模式1；

当PHY处于测试模式1时，PHY的四个发送器将发送PMA训练模型（PRBS33伪随机码），同时将关闭THP（Tomlinson-Harashimaprecoder），关闭功率回退（powerbackoff），发送的符号来自本地时钟源；

7.1.2测试模式2

在两种情况下的测试需要用到测试模式2，即测试Master模式下的发送器抖动时需要设置DUT工作于测试模式2，测试发射时钟频率时需要设置DUT工作于测试模式2；

在测试模式2，被测设备同时在四个发送器发出数据循环{2个“+16”符号,2个”-16”符号…},并且将关闭THP（Tomlinson-Harashimaprecoder），关闭功率回退（powerbackoff），发送的符号来自本地时钟源,最终形成一个200MHz的伪时钟；

7.1.3测试模式3

当测试Slave模式下的发送器抖动时需要设置DUT工作于测试模式1；

如果PHY支持还回定时（looptiming）,需设置DUT工作于测试模式1，从而测试Slave模式下的发送器抖动。

如果PHY不支持还回定时（looptiming）,Slave模式下的发送器抖动测试是可选项；

DUT进入测试模式3，在接收到LinkPartner的信号之后，支持还回定时（looptiming）的PHY在slave模式下将从中恢复出一个200MHZ的时钟，以数据循环{2个“+16”符号,2个”-16”符号…}的方式向D数据对上发送出来，期间THP（Tomlinson-Harashimaprecoder）是关闭的；支持还回定时（looptiming）的PHY工作在测试模式3时，如果D数据对没有信号，发送器将在D数据对上输出200MHz的信号，且PHY的数据对A,B和C都将静默，实际上DUT的数据对A,B和C与linkpartner的数据对A,B和C是连接在一起的，信号由linkpartner输出，DUT的数据对A,B和C是输入；

7.1.4测试模式4

当进行发射机线性度（TransmitterLinearity）测试时需要设置DUT工作于测试模式4；

被测设备进入测试模式4时，被测设备会同时往四对传输线发出一组双音信号（DualTone）,即两个频率非常接近、幅度相等的正弦波信号。

通过PHY的MDIO管理接口来设置寄存器132.12:

10（10GBASE-TControlRegister）从而确定MASTERtiming模式：

7.1.5测试模式5

在三种情况下的测试需要用到测试模式5，即进行发射机功率频谱密度（PSD）测试，发射机功率电平测试和MDI回波损耗测试；

当处于测试模式5时，PHY将与普通操作模式一样发送伪随机码PRBS，但是会把功率回退（powerbackoff）关闭；

7.1.6测试模式6

当进行最大跌落测试时，需要配置DUT工作于测试模式6；

当处于测试模式6时，PHY将同时在四对传输线上发出如下数据循环{连续128个“+16”符号,连续128个“-16”符号…}，形成一个3.125MHz的低频方波信号；

7.1.7测试模式7

当进行链路误码率BER测试时需要用到测试模式7；

测试模式7将启动链路误码率测试，包括LDPC编码器，解码器，发送与接收的模拟前端和PHY之间的线缆，此模式将复用10GBASE-TPCS加扰器；

7.2测试治具

标准上描述了三种测试治具的功能等效图，用来进行55.5.3定义的发送器规范测试；

7.2.1发送器测试治具1

用来进行发送器最大输出跌落测试；

测试治具1中的高阻抗探头要求阻抗大于10KΩ，且要求在1MHz~400MHz的范围内电容小于1pF;

7.2.2发送器测试治具2

用来进行发射机线性度，发射机功率频谱密度（PSD）和功率电平的测试；

测试治具需要一个powersummer或balun器件，用来将发送器的100Ω差分输出耦合至频谱分析仪的50Ω单端输入；

7.2.3发送器测试治具3

用来进行发送器（Slave模式）抖动测试，此时DUT设置为测试模式3，linkpartner设置为测试模式1，DUT与linkpartner的对A,B,C连接起；

由于抖动测量的要求非常高，协会推荐测量时使用中频滤波器以滤除与测试无关的噪声和杂波的影响，滤波器要求：

Thecenterfrequency（Fc）=200MHz±200kHz，

Thebandpassfilternoisebandwidth（Bn）=2MHz±200kHz；

7.3测试环境搭建方法

7.3.1测试治具说明

Figure:

TestJig#1

Figure:

TestJig#2

Theautomatedtestapplicationrequires:

Oscilloscope：

2GHzorhigherbandwidth;

SpectrumAnalyzerwiththeminimumfrequencyrangeupperlimitof3GHz（MXA,EXA,PSAorESAser