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Gigabit乙太網路設備面臨的測試挑戰(下)

上網時間: 2003年01月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Gigabit Ethernet  Gigabit乙太網路  Test  測試  optical testing 

過去的乙太網路產品只需進行電氣測試即可,而現在測試工程師面對的標準既要支援電氣性能也要支援光學性能,同時更高數據率也對測試提出了新的要求,在高數據率下操作的電子產品會產生噪音問題,而這個問題不會出現在10/100BaseT產品上;另外這類產品的光學部份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Gigabit乙太網路產品測試的一些因素,讓測試工程師在設計測試方案掌握幾個基本概念。第一部份請見2003年1月上半期,以下為第二部份。

參數測試

考慮參數測試時,確定採用何種測試主要要看介面是光學的還是電氣的,不管哪一種介面,測試工程師都必須要考慮參數檢驗是否適用於他們的具體產品。

在某些情況下測試工程師必須同時處理兩種介面技術,除了光學和電氣介面外,設備上的其它電路部份基本上相同。一些供應商使用千兆位乙太網路介面轉換器(GBIC)提供不同的介面選擇,這種轉換器實際上也就是產品線路板上電子部份和外部的實體介面,GBIC有光學和電氣、多模和單模等配置可供選擇,將產品從光介面轉換到電介面就像更換插入式模組一樣簡單。

光參數測試

光學產品的參數性測試比電氣產品的相應測試更加重要,因為在製造過程中光學設備更易於損壞和污染;另外電模組上的介面部件使用在線測試技術很容易實現,而光學模組則很難或幾乎不可能使用在線測試技術進行完全檢驗。但光學產品目前又是使用最為廣泛的技術,因為相對於電氣產品它不會受到短電纜線和噪音因素的影響。

下面列出規範中提出的一些基本測試,IEEE 803.2z中還有其它幾個光學測試,但如果使用高品質元件這些測試(如中心波長)應該非常一致。

1. TX功率。該測試需要一個光功率計,用來測量產品發射(TX)的鐳射或LED輸出功率。


2. RX靈敏度。該測試將光衰減器和通訊設備結合起來測試被測試元件接收器(RX)埠的靈敏度。通訊設備的TX埠連接到光衰減器上,衰減器將傳給被測元件RX埠的信號功率降低到產品規範所列最低靈敏度,短距離(SX)RX靈敏度的規範值是-17dBm,長距離(LX)的規範值是-19dBm。


3. 眼圖。該測試使用光通訊分析儀檢驗TX埠是否符合工業標準,眼圖可以驗證抖動、數據速率和過調等特性。


4. 消光系數。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將高數據位從低數據位中區分出來。

將這些簡單的參數測試加入到功能測試中可以在較短時間內達到理想的測試覆蓋範圍,隨著光學產品自動測試平台的普及,我們還可以進一步提高測試的速度。

電參數測試

對於10/100BaseT乙太網路產品,很多工程師發現就製造環境而言只需用一組通訊量測試就能充分測試電氣模組,對功能測試之前先進行過在線測試的模組來說尤其如此,在線測試全面涵蓋了這些模組。但不幸的是Gigabit電氣模組非常複雜,會使在線測試出現問題,測試覆蓋率低於35%是很常見的。雖然利用X射線技術可以增加覆蓋率,但顯然又會出現參數問題。除了測試覆蓋率問題之外,1000BaseT和1000BaseCX產品上出現的高數據率還使它們更容易受到噪音問題的影響。

新舊乙太網路技術中一個常用的方法是透過一組適當的連線把測試儀和被測元件連接起來,模仿應用現場產生的真實信號衰減情況。根據表1列出的不同電氣介面相關電纜類型,選擇最大支援電纜長度可提供現實條件下的最壞情況。

如果決定要做電參數測試,可以參考IEEE802.3ad?的一整套電參數測試項目,其中包括測試技術、測試電路、專用線纜甚至還有某些測試所需數據流。標準中所有測試都可在實驗室中進行,因為主要一些複雜設備結構難以實現自動化,所以很多沒有轉化到製造應用中。

有些情況下,整套測試在第一批產品上以及以後定期進行,以檢驗沒有什麼變動影響到產品性能,如固件更新或元件供應商變化等。

Gigabit乙太網路的電性測試包括:

1. 發射器電參數。測試電發射器的各項特性,包括差分幅度、擺動及上升和下降時間。


2. 接收器電參數。測試最大輸入和靈敏度,以及輸入阻抗和抖動。


3. 峰值差分輸出電壓和電平精度。在輸出數據流的精確點上利用預先設定的測試方式進行電壓測量。


4. 最大輸出下降值。對特定脈衝上成對的點進行測量和比較,保證不出現嚴重的下降。


5. 差分輸出模板。該測試觀察數據流中的不同位置,以驗證數據正常並都在測試模板範圍內。


6. 回波損耗。測量RX和TX埠的回波損耗。

電氣自動化設計問題

如果只需要通訊測試,則無論有無電纜線一般都不需要自動化,因為只需把通訊元件連接至被測元件上即可。此外乙太網路測試儀一般定價合理,所以每個埠都可以有自己專用的信號源和測量埠,但是如果需要增加電參數測試,則需要一些支援設備和開關使測試裝置實現自動化,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備、電阻負載以及透過電氣開關矩陣連接的線纜。

自動開關交換系統的實際佈局會因為很高的頻寬要求而變得非常複雜,因為Gigabit乙太網路產品採用的設計使用4對電線,每對支援250MHz,而不是1個Gigabit通道,必須利用適當的RF設計來保證測試裝置不會引入不必要的噪音。防止信號衰減的設計因素包括:

1. 使用工作頻率是在250MHz以上的中繼器,應考慮頻寬大於600MHz的RF和共軸中繼器,可使用非RF中繼器,但信號會嚴重衰減,應做測試以驗證設計的可行性。無論是哪種情況,重要的是要記住這些線支援差分信號通道,故要求通道長度匹配以免出現偏差問題。
2. 信號通道應儘可能短,減少串擾和避免其它信號衰減問題。表:Gigabit乙太網路線纜標準。


3. 使用高品質RF電纜連接來測試設備和支援電路,進一步保護信號完整性。

除了電氣完整性所需設計要求之外,還有機械設計問題,因為要支援大量中繼器和專用RF電纜,透過VXI、PXI、PCI或GPIB結構等常見第三方開關交換矩陣可以簡化很多這些硬體的設計問題。

測試夾具

在為Gigabit乙太網路產品設計自動化測試裝置時,一個重要的因素是該產品的測試環境。有兩個主要方法,一個是建立專用夾具,能啟動和控制被測元件,另一個是使用為該產品設計的實際系統底板。

製造中採用測試夾具的一個主要原因是便於排除被測元件的故障,夾具可設計成被測元件工作時兩面都能夠接觸到。使用將被測元件與測試儀相連的夾具時,即使是第三方整合測試裝置也有很多問題,很多情況下介面PC板必須能對產品底板進行模擬,該介面提供被測元件工作所需要的電源和控制信號,包括專用時脈、數位信號和數據迴路,這些都需要把更多支援儀器安裝到系統中。

在測試老式慢速模組時,這種方法更容易成功,但隨著現代產品速度越來越高,模組要提供必要支援,噪音則將隨著複雜性增加而增加,這些問題在計劃使用夾具方法時必須都要考慮。

系統底板

雖然夾具方法還在採用,但目前大部份功能測試是將產品的實際系統底板作為測試系統一部份來完成。在這種方法中,安裝在底板上的其它支援模組都是好的,只有被測元件是未知的。該方法不需要定製的夾具PC板設計和昂貴的支援設備,也不需要耗時與成本高昂的製程來模仿產品工作所必需的所有信號。由於被測元件是在它最後工作的相同環境下測試,因此也避免了夾具噪音問題。系統底板方法其它優點還有:

1. 備件容易獲得。由於機殼和內部零配件都是標準產品的一部份,所以備件可以很快獲得。


2. 結構簡單。由於產品在其自己機架上,可利用標準系統軟體來設置產品進行測試,包括準備測試數據流所需要的傳輸通道。


3. 減少開支。該方法由於減少設計工作以及使用庫存產品如系統機殼,通常最為經濟。

在使用底板方法時要注意的幾個缺點包括:

1.故障排除。由於涉及高速率數據,被測元件不能放在連接器上排除故障,這樣會造成信號衰減。


2. 連接器磨損。很多高速應用的連接器不是為多次拔插而設計,對於批量應用需要一個方法來處理正常的連接器或底板更換。連接器保護裝置通常不適用於高頻信號,因為這些元件會延長傳輸通道,引起嚴重的失真。

其它問題

確定Gigabit乙太網路被測元件測試方法的硬體和軟體需求時,一個主要考慮因素是被測元件內部數據處理能力。產品測試最重要的是要將數據傳遞給產品,有些產品在某個模式下能接受並發出無框PRBS數據流而沒有問題,但有的產品必須接受發送實際IP數據,並從內部或外部反饋回來,而有的需要實際IP數據的被測元件則含有製作在固件中的智慧路由算法。

由於這些不同的內部工作特性,必須要知道被測元件內部的硬體和軟體設計。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援IP通訊,第三個例子不僅需要IP通訊支援,而且測試裝置需要一個能接受測試通訊且佈線合理的金模組或底板,這樣數據才不會丟失。這些要求使單獨夾具不切合實際。最後一種不需要外部通訊測試設備,僅用反饋電纜就能完成通訊測試。

為了支援通訊測試,必須有某種反饋方法提供被測試產品的完整通道。這些反饋利用外部跳線或者能處理通訊測試的功能正常的模組從外部連到被測元件最為有效,它可以保證模組底板連接也能被測到。為提供更加細小的局部故障隔離,有些產品設計帶有內部反饋性能,如果測試失效,可利用這些局部反饋隔離故障位置。如果需要這種功能,那麼測試工程師應在設計階段與產品設計人員進行交流,因為這種功能必須設計到產品中去。

系統測試

產品在做好最後配置準備發運給客戶前,很多供應商還要運行很長一段時間系統老化測試,測試台把Gigabit乙太網路產品與發送?接收通訊數據的儀器連在一起。這些系統級測試裝置比功能測試簡單得多,因為一般不需要參數測量。通訊儀器直接連到被測產品的埠上,或者用一些簡單的多路再使用電路來減少通訊通道的數量。一個常見的系統測試設置採用通訊測試儀器和連線組合,通訊儀器連接到TX/RX埠對,剩餘的埠用彎線互連(如圖1)。這可以使數據流通過所有埠,同時減少對測試設備的需求。該方法的缺點是如果任何TX/RX埠失效都會遺失判斷資訊。

為進一步驗證系統運行情況,系統測試還可以在一個環境室?進行,使被測元件經受不同的溫度和功率。該方法被稱作高加速應力篩選(HASS),有助於保證產品的整個可靠性,降低早期失效,有些客戶在接受供應商產品之前還要求進行這類檢驗。

本文結論

開發Gigabit乙太網路產品測試系統要求測試工程師全面了解產品的運行情況、Gigabit乙太網路標準和提供最佳產能與產品品質一致性的通用製造製程。由於這些產品有電或光介面,所以必須廣泛了解這兩種參數和功能測試要求。

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備,以及是否需要採用自動化,此外測試環境也必須明確說明。測試工程師可利用現有系統底板而不是設計一個新的夾具介面大大簡化系統設計工作,雖然後者對某些應用也是一個可行的方法。

本文為Gigabit乙太網路產品測試設計師提供了一些基本概念,所涉及測試是一些基礎知識,可用於測試系統的設計。根據具體產品和測試要求,測試工程師還可按照需要在基本測試系統配置中增加更多的測試功能。

作者;Kevin L. Paton


功能產品專家


Teradyne Inc.




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