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1、10GBASET技术白皮书0718讲解 IEEE Std 802.3an-2006 1 摘要本文档描述了10GBASE-T基本原理，并且介绍10GBASE-T PMA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3.1 10GBASE-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IEEE 802.3标准的帧，要求BER=10e-12，同时满足CISPR/FCC Class A EMC要求（

2、商业或工业使用）；3.2 OSI参考模型与IEEE 802.3 CSMA/CD局域网模型说明： 10GBASE-T PHY组件由10GBASE-T PCS, 10GBASE-T PMA, 10GBASE-T AN和10GBASE-T MDI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；TransmitterReceiverSelf-synchronizing scrambler - Provid

3、es clock transitions, and a statistically random power spectrum for EMI control, equalizer convergence, etc.DSQ 128 coding - The 10GBASE-T standard uses a synthetic 2-dimensional 128 DSQ (Double SQuare)constellation, which conveys 7 bits per symbol.LDPC (Low Density Parity Check) block codes Block c

4、odes are one of two kinds of error correcting codesthat can be used to approach the Shannon capacity of a channel.Tomlinson-Harashima Precoding (THP) - The 10GBASE-T standard calls for the use of THP, which is a schemein which the equalizer for the channel is placed in the transmitter theoretically

5、allowing the receiver to see“perfect” symbols. Training is accomplished during the initialization phase of the link.3.3 操作概述10GBASE-T PHY实现的技术方案非常复杂，IEEE 802.3an标准将10GBASE-T的运行概述如下： 10GBASE-T PHY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1

6、6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(2 16)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（1616）个正交值的星座，从1616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: DSQ12

7、8 Constellation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(2 128)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: DSQ128 Code block with LDPC (1723, 2048) 一个PHY帧的512个DSQ128符号作为4256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

8、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2048 LDPC编码块，实际编码数据降为1723/2048=3.3652 bitB. 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=6.3652bitD. 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=3.1826 bitsE. 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b

9、it数减为3.125 bits，计算过程如下：XGMII输入50个64bit，即64*50=3200 bits，经过64B/65B编码，扰码，增加1bit辅助位和8bit CRC，输出50*65+8+1=3259 bits，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：125MBd2bit/symb4=1Gbit/s 以太网标准化组织（IEEE 802.3）与线缆标准化组织（TIA TR

10、42）合作第一次协调了网络接口标准(10GBASE-T)与线缆标准(Cat6A,Category 6 Augmented)的制订，EIA/TIA 568B.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800 MSymbols/秒（800Mbaud），根据奈奎斯特采用原理，要求基带频率为400 MHz的信号，在实际实现过程中PAM编码一般要求1015%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

11、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. 10G base-T与1000Base-T 的比较1000Base-T10GBase-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2 bit/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80MHz417Mhz信道编码4D

12、8-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4 10GBase-T Physical Coding Sublayer（PCS ）4.1 PCS功能发送1. XAUI/XFI接口；2. 扰码，成帧-Sum bits: 1+65*50+8=3259=512*3(uncoded)+1723(coded) 3. LDPC编码- add 325 parity bits to blocks of 1723 data bits.c=xGG : the code g

13、enerator matrixx : 1723-bit input vector;c ：2048 output code vector;c0 c1 . c2043 x0 x1 . x1772325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。total encoded PHY frame size: 3584 bits = 512*3(uncoded)+1723(coded)+ 325 512 7-bit DSQ128 symbol-作为4*256的PAM16符号在四线对上传输； Each 7-bit DSQ128 symbol maps to a

14、single point in a two-dimensional symbol constellation;Tomlinson-Harashima Precoder(THP)：A precoding technique for intersymbol interference mitigation. (See IEEE 802.3 Clause 55.)similar in structure to a decision feedback receiver(DFE),but is used in the transmitter rather than receiver.The coeffic

15、ient valuse for the THP are determined as part of the link start-up sequence and remain fixed during data transfer.4.2 PCS接收功能Frame and block synchronizationPCS descramblerCRC8 receive function4.3 噪音环境a) Echo / echo cancellationb) Near-end crosstalk / NEXT cancellationc) Far-end crosstalk / cross co

16、upled equalizersd) Intersymbol interference / Tomlinson Harashima Precodinge) Noise from non-idealities in the duplex channel, transmitter, and receivers / variety of PMA electrical specificationsf) Noise coupled between link segments / the alien crosstalk is specified in 55.7.3g) The background noi

17、se for 10GBASE-T is expected not to exceed -150 dBm/Hz / the value was assumed for determining the minimum SNR数字信号处理可以移除的噪音包括：A. Near End Crosstalk (NEXT)：B. Far End Crosstalk (FEXT)C. EchoD. Inter symbol interference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

18、）。度量来自线对之外的串扰，针对Alien Crosstalk TIA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Alien Crosstalk包括Power Sum Alien Near End Crosstalk 与 Power Sum Alien Far End Crosstalk，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

19、的规范指标；5 PMA5.1.1 PMA功能4.4.2.1 PMA复位功能4.4.2.2 PMA发送功能4.4.2.3 PMA发送关闭功能4.4.2.4 PMA接收功能4.4.2.5 PHY控制功能16字节信息域（16 octet InfoField）4.4.2.6 Link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setting bits 1.132.15:13 (10GBASE-T Control Register) of the MDIO Management register5.1.4 PMA电气规范Marvell测试报告为例5.1.

20、5 链接线路特征four pairs of balanced cabling:ISO/IEC 11801:2002 with appropriate augmentation as specified in 55.7.the guidelines (proposed) in ANSI/TIA TSB 155 and ANSI/TIA 568-B.2-10 and ISO/IEC 11801 Edition 2.16 管理接口MDIO (Clause 45), management functionsAuto-Negotiation (Clause 28)，self-configuration

21、functions provided by6.1 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4.6.1.2 10GBASE-T自动协商页使用Base Page.formatted extended Next Page 6.1.1 主-从配置决议（MASTER-SLAVE configuration resolution）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-

22、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(Transmitter Linearity)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

23、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。IEEE 802.3an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(Maximum Output Droop), 发送端时钟频率(Transmitter Clock Frequency ), 发送端抖动-主模式(Transmitter Timing Jitter-Master), 发送端抖动-从模式(Transmitter Timing Jitter -Slave) , 传输线性度(Transmit

24、ter Linearity),发送端功率谱密度和功率值(Transmitter Power Spectral Density (PSD) and Power Level), 回波损耗(Return Loss)。10GBASE-T 的symbol速率为800M Symbol/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-T Control Register)，从而确定PH

25、Y的测试模式；1,2,4,5,6：Master mode3：slave mode7.1.1 测试模式1在测试Slave模式下的发送器抖动时需要设置Link partner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-Harashima precoder)，关闭功率回退(power backoff)，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

26、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-Harashima precoder)，关闭功率回退(power backoff)，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(loop timing), 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(loop timing), Slave模式下的发送器抖动测试是可选项；DUT

27、进入测试模式3，在接收到Link Partner的信号之后，支持还回定时(loop timing)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-Harashima precoder)是关闭的；支持还回定时(loop timing)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link partner的数据对A, B和C是连接在一起的，信号由lin

28、k partner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(Transmitter Linearity)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(Dual Tone), 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-T Control Register)从而确定MASTER timing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M

29、DI 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(power backoff)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-T PCS 加扰器；7.

30、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 10 K，且要求在1MHz400MHz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power summer或balun器件，用来将发送器的100 差分输出耦合至频谱分析仪的50 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，link partner设置

31、为测试模式1，DUT与link partner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：The center frequency (Fc) =200MHz 200 kHz，The band pass filter noise bandwidth (Bn)=2MHz 200 kHz；7.3 测试环境搭建方法7.3.1 测试治具说明Figure : Test Jig #1Figure : Test Jig #2The automated test application requires:Oscilloscope： 2 GHz or higher bandwidth;Spectrum Analyzer with the minimum frequency range upper limit of 3 GHz (MXA, EXA, PSA or ESA ser