過去的以太網(wǎng)產(chǎn)品只需進(jìn)行電氣測試即可,而現(xiàn)在測試工程師面對的標(biāo)準(zhǔn)既要支持電氣性能也要支持光學(xué)性能,同時更高數(shù)據(jù)率也對測試提出了新的要求,在高數(shù)據(jù)率下運行的電子產(chǎn)品會產(chǎn)生噪聲問題,而這個問題不會出現(xiàn)在10/100BaseT產(chǎn)品上；另外這類產(chǎn)品的光學(xué)部分可能是一些測試工程師首次接觸到的光測試。本文討論影響千兆位以太網(wǎng)產(chǎn)品測試的一些因素,使中國測試工程師在設(shè)計測試方案是掌握幾個基本概念茸俭。

正文:隨著通信系統(tǒng)進(jìn)入以互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議為中心的網(wǎng)絡(luò)時代,千兆位以太網(wǎng)產(chǎn)品也呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。除了新安裝設(shè)備外,任何10/100BaseT設(shè)備也都是千兆位以太網(wǎng)潛在的更換對象瞳秽。這個領(lǐng)域的增長潛力是巨大的,預(yù)計2005年市場規(guī)模將達(dá)到近20億美元瓣履。

千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

千兆位以太網(wǎng)光接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 803.2z和電接口標(biāo)準(zhǔn)803.2ad提供了對該類產(chǎn)品所有方面的完整定義,包括硬件操作率翅、產(chǎn)品驗證方法和IP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),標(biāo)準(zhǔn)文本可以免費從IEEE網(wǎng)站下載,標(biāo)準(zhǔn)定義了不同的物理接口,涵蓋光學(xué)和電氣接口练俐。表1是目前一些物理接口和相關(guān)線纜選項信息,同時還給出了每種技術(shù)所能實現(xiàn)的傳輸距離。

測試工程師全面了解與產(chǎn)品相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是很重要的,尤其是硬件接口部分,這不僅對選擇測試設(shè)備和將其集成到測試系統(tǒng)中很關(guān)鍵,而且在決定使用哪一種測試對產(chǎn)品進(jìn)行全面檢驗也非常重要疙铜。

設(shè)計驗證與測試

當(dāng)確定了用于產(chǎn)品驗證的一整套測試方案后,測試工程師應(yīng)關(guān)注整個過程而不要被設(shè)計驗證的細(xì)節(jié)問題分散注意力,所謂“整個過程”其目的就是要以盡可能低的成本獲得盡可能高的產(chǎn)量锡锐。其它一些考慮因素包括測試系統(tǒng)所需場地大小、可實現(xiàn)的自動化程度和系統(tǒng)最佳位置等帅邮。

為了找到一種方法能夠以最佳方式完成整個測試,首先一個問題就是要將產(chǎn)品設(shè)計工程師所給的大量測試項目削減,使剩下的測試項目能夠很好地應(yīng)用在制造環(huán)境中操椰。這些測試必須徹底而快速,以滿足產(chǎn)能的要求。測試一般包括被測器件常規(guī)功能檢驗項目及參數(shù)測試項目比邮。功能測試檢驗產(chǎn)品是否可以按照設(shè)計要求運行,包括各種通信測試,即從產(chǎn)品發(fā)送一數(shù)據(jù)流并讓它接收該數(shù)據(jù)流以驗證數(shù)據(jù)有沒有損壞,這種方法不僅檢驗物理接口是否功能正常,它還測試了產(chǎn)品內(nèi)部的工作狀況,如軟件功能和傳輸情況跌仗。參數(shù)測試用于檢驗產(chǎn)品物理接口的性能指標(biāo),包括傳輸器和接收器的工作范圍和數(shù)據(jù)脈沖形狀。這些測試同時適用于電氣和光學(xué)接口货吊。

確定哪一項設(shè)計測試應(yīng)被取消是一件非常困難的事掩若。像板上內(nèi)置軟件算法測試就可以去掉,因為做其它功能測試時需要有合適的軟件支持,此時軟件及其功能即在默認(rèn)情況下得到了檢驗。

設(shè)計和制造之間的關(guān)系會進(jìn)一步增加制造的難度,因此他們之間必須全力合作,但設(shè)計人員經(jīng)常對生產(chǎn)人員的目標(biāo)(即用最少的測試達(dá)到最大的產(chǎn)能)缺乏了解,尤其在大公司里,某些情況下可能無法達(dá)成一致意見,最終不得不由制造工程師確定測試的持續(xù)時間和范圍抠蕊。

為了確保測試完整,最好的方法是將可能需要的所有測試都包括進(jìn)來,無論多么生僻快鬓。針對千兆位以太網(wǎng)測試而設(shè)計的設(shè)備通常有很多種可供選擇,因此加入增強測試功能僅僅需要考慮是用價格較低的軟件升級還是較高的硬件升級。

新產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)階段后,測試工程師就可以開始對產(chǎn)品特性進(jìn)行描述姆迄。有可能出現(xiàn)這樣的情況,即某個測試只有在另一個測試沒有通過時才不合格,而在另一個測試通過時它也通過,這說明兩個測試是重復(fù)的向楼；另外當(dāng)工藝改進(jìn)時有些測試總是通過,此時也可以取消這個測試以縮短測試時間。這些高級測試性能還可以讓設(shè)計人員調(diào)試或驗證新的設(shè)計,或進(jìn)行周期性回歸測試谐区。

千兆位以太網(wǎng)測試

在確定千兆位以太網(wǎng)產(chǎn)品的測試方案時,所采用的方法可以同時包含功能和參數(shù)兩方面湖蜕。應(yīng)確定一組功能測試,不論物理接口如何這些測試都要進(jìn)行,它們檢驗產(chǎn)品的第2層和第3層的功能,而不是物理層參數(shù)特性逻卖。有幾家設(shè)備公司可提供能測試千兆位以太網(wǎng)模塊的設(shè)備,這些設(shè)備具有不同的測試能力。有兩份“請求注解(RFC)”文件詳細(xì)區(qū)分了這類測試結(jié)果在性能上的差異,定義千兆位以太網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計檢驗的測試標(biāo)準(zhǔn),這兩份文件分別名為RFC 2544和RFC 2285昭抒。

RFC 2544描述了互連設(shè)備測試基準(zhǔn),包括四個基本測試:

1. 速度箭阶。該測試確定被測器件(UUT)在沒有丟失數(shù)據(jù)包條件下接收并傳送幀的最快速度,速率通常由用戶選擇。

2. 幀/數(shù)據(jù)包丟失戈鲁。該測試確定當(dāng)被測器件流量負(fù)荷很大時丟失的幀/數(shù)據(jù)包數(shù)量,用戶可以指定發(fā)送的數(shù)據(jù)包大小,并使用不同大小數(shù)據(jù)包進(jìn)行多次測試仇参。

3. 背靠背。該測試確定被測器件的緩沖性能,方法是以最高理論速率發(fā)送脈沖信息然后測試沒有丟失的數(shù)據(jù)包最長信息流婆殿。

4. 等待時間诈乒。該測試確定被測器件固有等待時間,初始數(shù)據(jù)速率取決于速度測試的結(jié)果。通常數(shù)據(jù)包含有一個時間標(biāo)記并插入到信息流當(dāng)中,這項測試就是測量帶時間標(biāo)記的數(shù)據(jù)包通過被測器件的時間婆芦。

更進(jìn)一步特性測試可以通過RFC 2285中的測試完成,這些測試更適用于設(shè)計實驗室中,由于它們對測試系統(tǒng)只需增加很少額外費用,所以建議拿到所需的升級軟件以進(jìn)行這類測試,這些測試主要針對通信分布怕磨、脈沖信息流和載荷等項目。

參數(shù)測試

考慮參數(shù)測試時,確定采用何種測試主要要看接口是光學(xué)的還是電氣的,不管哪一種接口,測試工程師都必須要考慮參數(shù)檢驗是否適用于他們的具體產(chǎn)品绣摹。

在某些情況下測試工程師必須同時處理兩種接口技術(shù),除了光學(xué)和電氣接口外,設(shè)備上的其它電路部分基本上相同醇颗。一些供應(yīng)商使用千兆位以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換器(GBIC)提供不同的接口選擇,這種轉(zhuǎn)換器實際上也就是產(chǎn)品線路板上電子部分和外部的物理接口,GBIC有光學(xué)和電氣、多模和單模等配置可供選擇,將產(chǎn)品從光接口轉(zhuǎn)換到電接口就像更換插入式模塊一樣簡單辽嘹。

光參數(shù)測試

光學(xué)產(chǎn)品的參數(shù)性測試比電氣產(chǎn)品的相應(yīng)測試更加重要,因為在制造過程中光學(xué)設(shè)備更易于損壞和污染搭诬；另外電模塊上的接口部件使用在線測試技術(shù)很容易實現(xiàn),而光學(xué)模塊則很難或幾乎不可能使用在線測試技術(shù)進(jìn)行完全檢驗。但光學(xué)產(chǎn)品目前又是使用最為廣泛的技術(shù),因為相對于電氣產(chǎn)品它不會受到短電纜線和噪聲因素的影響漠阻。

下面列出規(guī)范中提出的一些基本測試,IEEE 803.2z中還有其它幾個光學(xué)測試,但如果使用高質(zhì)量元件這些測試(如中心波長)應(yīng)該非常一致转傍。

1. TX功率。該測試需要一個光功率計,用來測量產(chǎn)品發(fā)射(TX)的激光或LED輸出功率哮怯。

2. RX靈敏度糜实。該測試將光衰減器和通信設(shè)備結(jié)合起來測試被測試器件接收器(RX)端口的靈敏度。通信設(shè)備的TX端口連接到光衰減器上,衰減器將傳給被測器件RX端口的信號功率降低到產(chǎn)品規(guī)范所列最低靈敏度,短距離(SX)RX靈敏度的規(guī)范值是-17dBm,長距離(LX)的規(guī)范值是-19dBm危漱。

3. 眼圖错这。該測試使用光通信分析儀檢驗TX端口是否符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),眼圖可以驗證抖動、數(shù)據(jù)速率和過調(diào)等特性赐匕。

4. 消光系數(shù)妄午。該測試確定邏輯1對邏輯0的光功率比,這個比值必須足夠大以確保檢測電路能夠?qū)⒏邤?shù)據(jù)位從低數(shù)據(jù)位中區(qū)分出來。

將這些簡單的參數(shù)測試加入到功能測試中可以在較短時間內(nèi)達(dá)到理想的測試覆蓋范圍,隨著光學(xué)產(chǎn)品自動測試平臺的普及,我們還可以進(jìn)一步提高測試的速度碍讯。

電參數(shù)測試

對于10/100BaseT以太網(wǎng)產(chǎn)品,很多工程師發(fā)現(xiàn)就制造環(huán)境而言只需用一組通信量測試就能充分測試電氣模塊,對功能測試之前先進(jìn)行過在線測試的模塊來說尤其如此,在線測試全面涵蓋了這些模塊悬蔽。但不幸的是千兆位電氣模塊非常復(fù)雜,會使在線測試出現(xiàn)問題,測試覆蓋率低于35%是很常見的。雖然利用X射線技術(shù)可以增加覆蓋率,但顯然又會出現(xiàn)參數(shù)問題捉兴。除了測試覆蓋率問題之外,1000BaseT和1000BaseCX產(chǎn)品上出現(xiàn)的高數(shù)據(jù)率還使它們更容易受到噪聲問題的影響蝎困。

新舊以太網(wǎng)技術(shù)中一個常用的方法是通過一組適當(dāng)?shù)倪B線把測試儀和被測器件連接起來,模仿應(yīng)用現(xiàn)場發(fā)生的真實信號衰減情況。根據(jù)表1列出的不同電氣接口相關(guān)電纜類型,選擇最大支持電纜長度可提供現(xiàn)實條件下的最壞情況倍啥。

如果決定要做電參數(shù)測試,可以參考IEEE802.3ad里的一整套電參數(shù)測試項目,其中包括測試技術(shù)禾乘、測試電路澎埠、專用線纜甚至還有某些測試所需數(shù)據(jù)流。標(biāo)準(zhǔn)中所有測試都可在實驗室中進(jìn)行,因為主要一些復(fù)雜設(shè)備結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)自動化,所以很多沒有轉(zhuǎn)化到制造應(yīng)用中始藕。

有些情況下,整套測試在第一批產(chǎn)品上以及以后定期進(jìn)行,以檢驗沒有什么變動影響到產(chǎn)品性能,如固件更新或元件供應(yīng)商變化等蒲稳。

千兆位以太網(wǎng)的電性測試包括:

1. 發(fā)射器電參數(shù)。測試電發(fā)射器的各項特性,包括差分幅度伍派、擺動及上升和下降時間江耀。

2. 接收器電參數(shù)。測試最大輸入和靈敏度,以及輸入阻抗和抖動诉植。

3. 峰值差分輸出電壓和電平精度祥国。在輸出數(shù)據(jù)流的精確點上利用預(yù)先設(shè)定的測試方式進(jìn)行電壓測量。

4. 最大輸出下降值蘑砖。對特定脈沖上成對的點進(jìn)行測量和比較,保證不出現(xiàn)嚴(yán)重的下降初瓜。

5. 差分輸出模板。該測試觀察數(shù)據(jù)流中的不同位置,以驗證數(shù)據(jù)正常并都在測試模板范圍內(nèi)永僚。

6. 回波損耗否北。測量RX和TX端口的回波損耗。

電氣自動化設(shè)計問題

如果只需要通信測試,則無論有無電纜線一般都不需要自動化,因為只需把通信器件連接至被測器件上即可伙二。此外以太網(wǎng)測試儀一般定價合理,所以每個端口都可以有自己專用的信號源和測量端口,但是如果需要增加電參數(shù)測試,則需要一些支持設(shè)備和開關(guān)使測試裝置實現(xiàn)自動化,如“最大輸出下降值”和“差分輸出模板”之類的測試就需要測試設(shè)備叹匹、電阻負(fù)載以及通過電氣開關(guān)矩陣連接的線纜。

自動開關(guān)交換系統(tǒng)的實際布局會因為很高的帶寬要求而變得非常復(fù)雜,因為千兆位以太網(wǎng)產(chǎn)品采用的設(shè)計使用4對電線,每對支持250MHz,而不是1個千兆位通道,必須利用適當(dāng)?shù)腞F設(shè)計來保證測試裝置不會引入不必要的噪聲聂幅。防止信號衰減的設(shè)計因素包括:

1. 使用工作頻率是在250MHz以上的中繼器,應(yīng)考慮帶寬大于600MHz的RF和共軸中繼器,可使用非RF中繼器,但信號會嚴(yán)重衰減,應(yīng)做測試以驗證設(shè)計的可行性吓蝌。無論是哪種情況,重要的是要記住這些線支持差分信號通道,故要求通道長度匹配以免出現(xiàn)偏差問題。

2. 信號通道應(yīng)盡可能短,減少串?dāng)_和避免其它信號衰減問題活乘。

3. 使用高質(zhì)量RF電纜連接來測試設(shè)備和支持電路,進(jìn)一步保護(hù)信號完整性。

除了電氣完整性所需設(shè)計要求之外,還有機械設(shè)計問題,因為要支持大量中繼器和專用RF電纜,通過VXI赚滨、PXI价恨、PCI或GPIB結(jié)構(gòu)等常見第三方開關(guān)交換矩陣可以簡化很多這些硬件的設(shè)計問題。

測試夾具

在為千兆位以太網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計自動化測試裝置時,一個重要的因素是該產(chǎn)品的測試環(huán)境惜辑。有兩個主要方法,一個是建立專用夾具,能啟動和控制被測器件,另一個是使用為該產(chǎn)品設(shè)計的實際系統(tǒng)底板唬涧。

制造中采用測試夾具的一個主要原因是便于排除被測器件的故障,夾具可設(shè)計成被測器件工作時兩面都能夠接觸到。使用將被測器件與測試儀相連的夾具時,即使是第三方集成測試裝置也有很多問題,很多情況下接口PC板必須能對產(chǎn)品底板進(jìn)行仿真,該接口提供被測器件工作所需要的電源和控制信號,包括專用時鐘盛撑、數(shù)字信號和數(shù)據(jù)回路,這些都需要把更多支持儀器安裝到系統(tǒng)中碎节。

在測試?yán)鲜铰倌K時,這種方法更容易成功,但隨著現(xiàn)代產(chǎn)品速度越來越高,模塊要提供必要支持,噪聲則將隨著復(fù)雜性增加而增加,這些問題在計劃使用夾具方法時必須都要考慮。

系統(tǒng)底板

雖然夾具方法還在采用,但目前大部分功能測試是將產(chǎn)品的實際系統(tǒng)底板作為測試系統(tǒng)一部分來完成抵卫。在這種方法中,安裝在底板上的其它支持模塊都是好的,只有被測器件是未知的狮荔。該方法不需要定制的夾具PC板設(shè)計和昂貴的支持設(shè)備,也不需要耗時與成本高昂的工藝來模仿產(chǎn)品工作所必需的所有信號。由于被測器件是在它最后工作的相同環(huán)境下測試,因此也避免了夾具噪聲問題介粘。系統(tǒng)底板方法其它優(yōu)點還有:

1. 備件容易獲得殖氏。由于機殼和內(nèi)部元器件都是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的一部分,所以備件可以很快獲得晚树。

2. 結(jié)構(gòu)簡單。由于產(chǎn)品在其自己機架上,可利用標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)軟件來設(shè)置產(chǎn)品進(jìn)行測試,包括準(zhǔn)備測試數(shù)據(jù)流所需要的傳輸通道雅采。

3. 減少開支爵憎。該方法由于減少設(shè)計工作以及使用庫存產(chǎn)品如系統(tǒng)機殼,通常最為經(jīng)濟(jì)。

在使用底板方法時要注意的幾個缺點包括:

1.故障排除婚瓜。由于涉及高速率數(shù)據(jù),被測器件不能放在連接器上排除故障,這樣會造成信號衰減宝鼓。

2. 連接器磨損。很多高速應(yīng)用的連接器不是為多次拔插而設(shè)計,對于批量應(yīng)用需要一個方法來處理正常的連接器或底板更換拖见。連接器保護(hù)裝置通常不適用于高頻信號,因為這些器件會延長傳輸通道,引起嚴(yán)重的失真灌蛙。

其它問題

確定千兆位以太網(wǎng)被測器件測試方法的硬件和軟件需求時,一個主要考慮因素是被測器件內(nèi)部數(shù)據(jù)處理能力。產(chǎn)品測試最重要的是要將數(shù)據(jù)傳遞給產(chǎn)品,有些產(chǎn)品在某個模式下能接受并發(fā)出無框PRBS數(shù)據(jù)流而沒有問題,但有的產(chǎn)品必須接受發(fā)送實際IP數(shù)據(jù),并從內(nèi)部或外部反饋回來,而有的需要實際IP數(shù)據(jù)的被測器件則含有制作在固件中的智能路由算法镐赖。

由于這些不同的內(nèi)部工作特性,必須要知道被測器件內(nèi)部的硬件和軟件設(shè)計又诡。在上述第一個例子中,可以用一個簡單的gig PRBS BER測試儀,第二個例子要求測試儀器支持IP通信,第三個例子不僅需要IP通信支持,而且測試裝置需要一個能接受測試通信且布線合理的金模塊或底板,這樣數(shù)據(jù)才不會丟失。這些要求使單獨夾具不切合實際从巾。最后一種不需要外部通信測試設(shè)備,僅用反饋電纜就能完成通信測試懦诸。

為了支持通信測試,必須有某種反饋方法提供通過被測試產(chǎn)品的完整通道。這些反饋利用外部跳線或者能處理通信測試的功能正常的模塊從外部連到被測器件最為有效,它可以保證模塊底板連接也能被測到趣临。為提供更加細(xì)小的局部故障隔離,有些產(chǎn)品設(shè)計帶有內(nèi)部反饋性能,如果測試失效,可利用這些局部反饋隔離故障位置赖谷。如果需要這種功能,那么測試工程師應(yīng)在設(shè)計階段與產(chǎn)品設(shè)計人員進(jìn)行交流,因為這種功能必須設(shè)計到產(chǎn)品中去。

系統(tǒng)測試

產(chǎn)品在做好最后配置準(zhǔn)備發(fā)運給客戶前,很多供應(yīng)商還要運行很長一段時間系統(tǒng)老化測試,測試臺把千兆位以太網(wǎng)產(chǎn)品與發(fā)送/接收通信數(shù)據(jù)的儀器連在一起幸膨。這些系統(tǒng)級測試裝置比功能測試簡單得多,因為一般不需要參數(shù)測量滥氏。通信儀器直接連到被測產(chǎn)品的端口上,或者用一些簡單的多路復(fù)用電路來減少通信通道的數(shù)量。一個常見的系統(tǒng)測試設(shè)置采用通信測試儀器和連線組合,通信儀器連接到TX/RX端口對,剩余的端口用彎線互連(如圖1)慷甩。這可以使數(shù)據(jù)流經(jīng)過所有端口,同時減少對測試設(shè)備的需求妈踊。該方法的缺點是如果任何TX/RX端口失效都會遺失判斷信息。

為進(jìn)一步驗證系統(tǒng)運行情況,系統(tǒng)測試還可以在一個環(huán)境室里進(jìn)行,使被測器件經(jīng)受不同的溫度和功率泪漂。該方法被稱作高加速應(yīng)力篩選(HASS),有助于保證產(chǎn)品的整個可靠性,降低早期失效,有些客戶在接受供應(yīng)商產(chǎn)品之前還要求進(jìn)行這類檢驗廊营。

本文結(jié)論

開發(fā)千兆位以太網(wǎng)產(chǎn)品測試系統(tǒng)要求測試工程師全面了解產(chǎn)品的運行情況、千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和提供最佳產(chǎn)能與產(chǎn)品質(zhì)量一致性的通用制造工藝萝勤。由于這些產(chǎn)品有電或光接口,所以必須廣泛了解這兩種參數(shù)和功能測試要求露筒。

有了這些知識,測試工程師就能制定測試計劃,明確定義出測試和完成測試所需要的設(shè)備,以及是否需要采用自動化,此外測試環(huán)境也必須明確說明。測試工程師可利用現(xiàn)有系統(tǒng)底板而不是設(shè)計一個新的夾具接口大大簡化系統(tǒng)設(shè)計工作,雖然后者對某些應(yīng)用也是一個可行的方法敌卓。

本文為千兆位以太網(wǎng)產(chǎn)品測試設(shè)計師提供了一些基本概念,所涉及測試是一些基礎(chǔ)知識,可用于測試系統(tǒng)的設(shè)計慎式。根據(jù)具體產(chǎn)品和測試要求,測試工程師還可按照需要在基本測試系統(tǒng)配置中增加更多的測試功能。

作者趟径；Kevin L. Paton

功能產(chǎn)品專家

Teradyne Inc.

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