1000 BASE-T1 PMA一致性测试解析

        车载以太网是为了满足汽车行业对高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求而产生的，目前车载电子控制单元中，最常用的是1000BASE-T1技术，其遵循的是IEEE 802.3bp标准规范要求。

        1000BASE-T1由一对双绞线实现全双工传输，采用PAM3编码方式，编码后的实际传输符号速率为750Ms/s，车载最大传输距离可达15米。

        IEEE对车载以太网的PMA、PCS、PHY control、EMC等方面都做出了规范要求，对于硬件设计而言，最为关注的，是其PMA层（Physical Medium Attachment，物理媒质接入层）电气规范的测试，该测试要求被定义在IEEE 802.3bp 97.5章节。

        如下表所示，总共分为六种模式下的7个测试项目，接下来，将对测试项目进行逐一解释：

Test mode 1 -- Transmit clock jitter

        在测试模式1中，通过在Master和Slave模式配置中捕获TX_TCLK125波形（通过探头或者夹具）来测量发射机时序抖动，只有PHY设备具有TX_TCLK的测试引脚，方可完成该项测试；

        测试的判定标准如下所示：

        1）Master TX_TCLK125 RMS jitter ≤ 5ps；

        2）Master TX_TCLK125 peak-peak jitter ≤ 50ps；

        3）Slave TX_TCLK125 RMS jitter ≤ 10ps；

        4）Slave TX_TCLK125 peak-peak jitter ≤ 100ps；

        TX_TCLK125抖动测量间隔为1ms±10%，示波器的带通带宽应大于2MHz，无抖动参考是从捕获的TX_TCLK125的每个记录中提取的恒定时钟频率，是基于产生最小时间间隔误差的频率和相位的线性回归；

        测试的实际效果如下图所示：

Test mode 2 -- Transmit MDI Jitter

        测试模式2用于在MDI（Media Dependent Interface，介质相关接口）接口上测试发射机在Master模式下的时序抖动，注意与test mode 1不同之处在于：test mode 2的测试是在DUT的以太网连接器接口处完成，而不是在PHY设备；

        在测试模式2中，1000BASE-T1 PHY应发送三个{+1}符号，然后是三个{-1}符号，传输符号从其本地时钟源750 MHz定时触发，实际输出为125MHz信号；

        测试的判定标准如下所示：

        1）MDI RMS jitter ≤ 5ps；

        2）MDI peak-peak jitter ≤ 50ps；

        测试的实际效果如下图所示：

Test mode 4 -- Transmitter Distortion

        峰值失真是通过在任意相位用符号速率时钟对差分信号输出进行采样，在单个符号周期的至少10个等间隔相位处测量的峰值失真值，再通过专用的MATLAB代码，从测量数据中去除正弦干扰信号并计算峰值失真；

        该模式下，产生的典型差分信号如下图所示：

        一种典型的测试台架如下图所示：

        具体的测试步骤为：

        首先，在测试模式4中，PHY设备发射机上发送由特定多项式产生的符号序列（ 公式详见IEEE 802.3bp 97.5章节），该序列按照750Ms/s符号速率对信号进行采样；

        然后，外部信号发生器产生频率为125 MHz、峰峰值3.6 V的干扰信号，并经过功率分配耦合进符号序列中；

        最后，示波器捕获的信号块长度至少为40µs，采样速率最小为7.5 Gs /s（是750 Ms/s发射码元速率的10倍），并使用规范定义的MATLAB脚本计算每个符号周期内至少10个等分相位处采得的峰值失真值；

        值得注意的是，开始测试之前，需要进行信号发生器和示波器的源同步校准（这个过程可以自动，也可以手动，取决于所使用的测量解决方案的自动化程度）；

        判定标准： 峰值失真≤15mV

        测试的实际效果如下图所示：

Test mode 5 -- Transmitter Power Spectral Density (PSD) ，power level Transmitter peak differential output

        测试模式5用于验证DUT输出在 0-600MHz 频段内的功率谱密度是否满足IEEE802.3bp规定的PSD的上、 下限，以及在终端100欧姆负载情况下，MDI接口处发射差分信号的峰峰值幅度不可大于1.3V；

        该模式下，PHY发射机处于正常数据发送模式，产生的典型差分信号如下图所示；

        该测试的台架配置较为灵活，根据DUT的MDI接口，选择适合的夹具后，可以使用频谱分析仪，也可以使用具备频谱分析功能的示波器完成测试；

        如图所示的一种典型应用，其外部频谱分析仪的配置要求如下:RBW = 100khz, VBW = 300khz，扫描时间> 1秒，RMS检测器；

        测试的实际效果如下图所示：

Test mode 6 -- Maximum Output Droop

        测试模式6验证发射机输出电平的下降是否超过规定的最大值；

        该模式下，DUT产生一个连续15个{+1}和15个{-1}符号组成的25MHz周期信号，示波器将分别测量初始过零后4ns的电压Vinit和过零后16ns的电压 Vdelay，并按照如下的公式进行计算：

        该测试要求分别获取以上升沿和下降沿开始触发的 Droop值；

        判定标准： Droop<10%

        测试的实际效果如下图所示：

S参数

        PHY设备处于slave模式时，还需要进行S参数的测试，如下图所示，该测试是在MDI接口处进行连接，需要关注SDD11和SDC11，真实操作时，只需要一台VNA+接口夹具即可完成，示波器只是起到对测试结果进行后处理以生成报告的作用；

        SDD11的VNA配置要求如下，测试开始前，需要对测试线缆和夹具在该配置下进行校准；

        测试的实际效果如下图所示：

        SDC11的VNA配置要求如下，测试开始前，需要对测试线缆和夹具在该配置下进行校准；

        测试的实际效果如下图所示：

        S参数，尤其是模式转换SDC11，对测试台架的精确度要求很高，为保证DUT能够通过严苛的测试限制要求（≤- 55dB），如下图所示，接插头与夹具之间的焊接线缆需要满足：长度对称、越短越好、良好的焊接质量等；

        另外，设计中的走线及布局缺陷，也同样会导致该项测试通过的难度加大，因此，在设计之初，就需要做好充分的评估，这些评估包括但不限于：参考设计、元件选型、元件布局、差分走线等长及阻抗控制、过孔及焊盘处理等，需要借助信号仿真工具完成整体的性能评估。