千兆位以太网设备面临的测试挑战

过去的以太网产品只需进行电气测试即可,而现在测试工程师面对的标准既要支持电气性能也要支持光学性能,同时更高数据率也对测试提出了新的要求,在高数据率下运行的电子产品会产生噪声问题,而这个问题不会出现在10/100BaseT产品上；另外这类产品的光学部分可能是一些测试工程师首次接触到的光测试。本文讨论影响千兆位以太网产品测试的一些因素,使中国测试工程师在设计测试方案是掌握几个基本概念。

正文:随着通信系统进入以互联网协议为中心的网络时代,千兆位以太网产品也呈现出一片欣欣向荣的景象。除了新安装设备外,任何10/100BaseT设备也都是千兆位以太网潜在的更换对象。这个领域的增长潜力是巨大的,预计2005年市场规模将达到近20亿美元。

千兆位以太网标准

千兆位以太网光接口标准IEEE 803.2z和电接口标准803.2ad提供了对该类产品所有方面的完整定义,包括硬件操作、产品验证方法和IP数据结构,标准文本可以免费从IEEE网站下载,标准定义了不同的物理接口,涵盖光学和电气接口。表1是目前一些物理接口和相关线缆选项信息,同时还给出了每种技术所能实现的传输距离。

测试工程师全面了解与产品相关的标准是很重要的,尤其是硬件接口部分,这不仅对选择测试设备和将其集成到测试系统中很关键,而且在决定使用哪一种测试对产品进行全面检验也非常重要。

设计验证与测试

当确定了用于产品验证的一整套测试方案后,测试工程师应关注整个过程而不要被设计验证的细节问题分散注意力,所谓“整个过程”其目的就是要以尽可能低的成本获得尽可能高的产量。其它一些考虑因素包括测试系统所需场地大小、可实现的自动化程度和系统最佳位置等。

为了找到一种方法能够以最佳方式完成整个测试,首先一个问题就是要将产品设计工程师所给的大量测试项目削减,使剩下的测试项目能够很好地应用在制造环境中。这些测试必须彻底而快速,以满足产能的要求。测试一般包括被测器件常规功能检验项目及参数测试项目。功能测试检验产品是否可以按照设计要求运行,包括各种通信测试,即从产品发送一数据流并让它接收该数据流以验证数据有没有损坏,这种方法不仅检验物理接口是否功能正常,它还测试了产品内部的工作状况,如软件功能和传输情况。参数测试用于检验产品物理接口的性能指标,包括传输器和接收器的工作范围和数据脉冲形状。这些测试同时适用于电气和光学接口。

确定哪一项设计测试应被取消是一件非常困难的事。像板上内置软件算法测试就可以去掉,因为做其它功能测试时需要有合适的软件支持,此时软件及其功能即在默认情况下得到了检验。

设计和制造之间的关系会进一步增加制造的难度,因此他们之间必须全力合作,但设计人员经常对生产人员的目标(即用最少的测试达到最大的产能)缺乏了解,尤其在大公司里,某些情况下可能无法达成一致意见,最终不得不由制造工程师确定测试的持续时间和范围。

为了确保测试完整,最好的方法是将可能需要的所有测试都包括进来,无论多么生僻。针对千兆位以太网测试而设计的设备通常有很多种可供选择,因此加入增强测试功能仅仅需要考虑是用价格较低的软件升级还是较高的硬件升级。

新产品进入生产阶段后,测试工程师就可以开始对产品特性进行描述。有可能出现这样的情况,即某个测试只有在另一个测试没有通过时才不合格,而在另一个测试通过时它也通过,这说明两个测试是重复的；另外当工艺改进时有些测试总是通过,此时也可以取消这个测试以缩短测试时间。这些高级测试性能还可以让设计人员调试或验证新的设计,或进行周期性回归测试。

千兆位以太网测试

在确定千兆位以太网产品的测试方案时,所采用的方法可以同时包含功能和参数两方面。应确定一组功能测试,不论物理接口如何这些测试都要进行,它们检验产品的第2层和第3层的功能,而不是物理层参数特性。有几家设备公司可提供能测试千兆位以太网模块的设备,这些设备具有不同的测试能力。有两份“请求注解(RFC)”文件详细区分了这类测试结果在性能上的差异,定义千兆位以太网产品设计检验的测试标准,这两份文件分别名为RFC 2544和RFC 2285。

RFC 2544描述了互连设备测试基准,包括四个基本测试:

1. 速度。该测试确定被测器件(UUT)在没有丢失数据包条件下接收并传送帧的最快速度,速率通常由用户选择。

2. 帧/数据包丢失。该测试确定当被测器件流量负荷很大时丢失的帧/数据包数量,用户可以指定发送的数据包大小,并使用不同大小数据包进行多次测试。

3. 背靠背。该测试确定被测器件的缓冲性能,方法是以最高理论速率发送脉冲信息然后测试没有丢失的数据包最长信息流。

4. 等待时间。该测试确定被测器件固有等待时间,初始数据速率取决于速度测试的结果。通常数据包含有一个时间标记并插入到信息流当中,这项测试就是测量带时间标记的数据包通过被测器件的时间。

更进一步特性测试可以通过RFC 2285中的测试完成,这些测试更适用于设计实验室中,由于它们对测试系统只需增加很少额外费用,所以建议拿到所需的升级软件以进行这类测试,这些测试主要针对通信分布、脉冲信息流和载荷等项目。

参数测试

考虑参数测试时,确定采用何种测试主要要看接口是光学的还是电气的,不管哪一种接口,测试工程师都必须要考虑参数检验是否适用于他们的具体产品。

在某些情况下测试工程师必须同时处理两种接口技术,除了光学和电气接口外,设备上的其它电路部分基本上相同。一些供应商使用千兆位以太网接口转换器(GBIC)提供不同的接口选择,这种转换器实际上也就是产品线路板上电子部分和外部的物理接口,GBIC有光学和电气、多模和单模等配置可供选择,将产品从光接口转换到电接口就像更换插入式模块一样简单。

光参数测试

光学产品的参数性测试比电气产品的相应测试更加重要,因为在制造过程中光学设备更易于损坏和污染；另外电模块上的接口部件使用在线测试技术很容易实现,而光学模块则很难或几乎不可能使用在线测试技术进行完全检验。但光学产品目前又是使用最为广泛的技术,因为相对于电气产品它不会受到短电缆线和噪声因素的影响。

下面列出规范中提出的一些基本测试,IEEE 803.2z中还有其它几个光学测试,但如果使用高质量元件这些测试(如中心波长)应该非常一致。

1. TX功率。该测试需要一个光功率计,用来测量产品发射(TX)的激光或LED输出功率。

2. RX灵敏度。该测试将光衰减器和通信设备结合起来测试被测试器件接收器(RX)端口的灵敏度。通信设备的TX端口连接到光衰减器上,衰减器将传给被测器件RX端口的信号功率降低到产品规范所列最低灵敏度,短距离(SX)RX灵敏度的规范值是-17dBm,长距离(LX)的规范值是-19dBm。

3. 眼图。该测试使用光通信分析仪检验TX端口是否符合工业标准,眼图可以验证抖动、数据速率和过调等特性。

4. 消光系数。该测试确定逻辑1对逻辑0的光功率比,这个比值必须足够大以确保检测电路能够将高数据位从低数据位中区分出来。

将这些简单的参数测试加入到功能测试中可以在较短时间内达到理想的测试覆盖范围,随着光学产品自动测试平台的普及,我们还可以进一步提高测试的速度。

电参数测试

对于10/100BaseT以太网产品,很多工程师发现就制造环境而言只需用一组通信量测试就能充分测试电气模块,对功能测试之前先进行过在线测试的模块来说尤其如此,在线测试全面涵盖了这些模块。但不幸的是千兆位电气模块非常复杂,会使在线测试出现问题,测试覆盖率低于35%是很常见的。虽然利用X射线技术可以增加覆盖率,但显然又会出现参数问题。除了测试覆盖率问题之外,1000BaseT和1000BaseCX产品上出现的高数据率还使它们更容易受到噪声问题的影响。

新旧以太网技术中一个常用的方法是通过一组适当的连线把测试仪和被测器件连接起来,模仿应用现场发生的真实信号衰减情况。根据表1列出的不同电气接口相关电缆类型,选择最大支持电缆长度可提供现实条件下的最坏情况。

如果决定要做电参数测试,可以参考IEEE802.3ad里的一整套电参数测试项目,其中包括测试技术、测试电路、专用线缆甚至还有某些测试所需数据流。标准中所有测试都可在实验室中进行,因为主要一些复杂设备结构难以实现自动化,所以很多没有转化到制造应用中。

有些情况下,整套测试在第一批产品上以及以后定期进行,以检验没有什么变动影响到产品性能,如固件更新或元件供应商变化等。

千兆位以太网的电性测试包括:

1. 发射器电参数。测试电发射器的各项特性,包括差分幅度、摆动及上升和下降时间。

2. 接收器电参数。测试最大输入和灵敏度,以及输入阻抗和抖动。

3. 峰值差分输出电压和电平精度。在输出数据流的精确点上利用预先设定的测试方式进行电压测量。

4. 最大输出下降值。对特定脉冲上成对的点进行测量和比较,保证不出现严重的下降。

5. 差分输出模板。该测试观察数据流中的不同位置,以验证数据正常并都在测试模板范围内。

6. 回波损耗。测量RX和TX端口的回波损耗。

电气自动化设计问题

如果只需要通信测试,则无论有无电缆线一般都不需要自动化,因为只需把通信器件连接至被测器件上即可。此外以太网测试仪一般定价合理,所以每个端口都可以有自己专用的信号源和测量端口,但是如果需要增加电参数测试,则需要一些支持设备和开关使测试装置实现自动化,如“最大输出下降值”和“差分输出模板”之类的测试就需要测试设备、电阻负载以及通过电气开关矩阵连接的线缆。

自动开关交换系统的实际布局会因为很高的带宽要求而变得非常复杂,因为千兆位以太网产品采用的设计使用4对电线,每对支持250MHz,而不是1个千兆位通道,必须利用适当的RF设计来保证测试装置不会引入不必要的噪声。防止信号衰减的设计因素包括:

1. 使用工作频率是在250MHz以上的中继器,应考虑带宽大于600MHz的RF和共轴中继器,可使用非RF中继器,但信号会严重衰减,应做测试以验证设计的可行性。无论是哪种情况,重要的是要记住这些线支持差分信号通道,故要求通道长度匹配以免出现偏差问题。

2. 信号通道应尽可能短,减少串扰和避免其它信号衰减问题。

3. 使用高质量RF电缆连接来测试设备和支持电路,进一步保护信号完整性。

除了电气完整性所需设计要求之外,还有机械设计问题,因为要支持大量中继器和专用RF电缆,通过VXI、PXI、PCI或GPIB结构等常见第三方开关交换矩阵可以简化很多这些硬件的设计问题。

测试夹具

在为千兆位以太网产品设计自动化测试装置时,一个重要的因素是该产品的测试环境。有两个主要方法,一个是建立专用夹具,能启动和控制被测器件,另一个是使用为该产品设计的实际系统底板。

制造中采用测试夹具的一个主要原因是便于排除被测器件的故障,夹具可设计成被测器件工作时两面都能够接触到。使用将被测器件与测试仪相连的夹具时,即使是第三方集成测试装置也有很多问题,很多情况下接口PC板必须能对产品底板进行仿真,该接口提供被测器件工作所需要的电源和控制信号,包括专用时钟、数字信号和数据回路,这些都需要把更多支持仪器安装到系统中。

在测试老式慢速模块时,这种方法更容易成功,但随着现代产品速度越来越高,模块要提供必要支持,噪声则将随着复杂性增加而增加,这些问题在计划使用夹具方法时必须都要考虑。

系统底板

虽然夹具方法还在采用,但目前大部分功能测试是将产品的实际系统底板作为测试系统一部分来完成。在这种方法中,安装在底板上的其它支持模块都是好的,只有被测器件是未知的。该方法不需要定制的夹具PC板设计和昂贵的支持设备,也不需要耗时与成本高昂的工艺来模仿产品工作所必需的所有信号。由于被测器件是在它最后工作的相同环境下测试,因此也避免了夹具噪声问题。系统底板方法其它优点还有:

1. 备件容易获得。由于机壳和内部元器件都是标准产品的一部分,所以备件可以很快获得。

2. 结构简单。由于产品在其自己机架上,可利用标准系统软件来设置产品进行测试,包括准备测试数据流所需要的传输通道。

3. 减少开支。该方法由于减少设计工作以及使用库存产品如系统机壳,通常最为经济。

在使用底板方法时要注意的几个缺点包括:

1.故障排除。由于涉及高速率数据,被测器件不能放在连接器上排除故障,这样会造成信号衰减。

2. 连接器磨损。很多高速应用的连接器不是为多次拔插而设计,对于批量应用需要一个方法来处理正常的连接器或底板更换。连接器保护装置通常不适用于高频信号,因为这些器件会延长传输通道,引起严重的失真。

其它问题

确定千兆位以太网被测器件测试方法的硬件和软件需求时,一个主要考虑因素是被测器件内部数据处理能力。产品测试最重要的是要将数据传递给产品,有些产品在某个模式下能接受并发出无框PRBS数据流而没有问题,但有的产品必须接受发送实际IP数据,并从内部或外部反馈回来,而有的需要实际IP数据的被测器件则含有制作在固件中的智能路由算法。

由于这些不同的内部工作特性,必须要知道被测器件内部的硬件和软件设计。在上述第一个例子中,可以用一个简单的gig PRBS BER测试仪,第二个例子要求测试仪器支持IP通信,第三个例子不仅需要IP通信支持,而且测试装置需要一个能接受测试通信且布线合理的金模块或底板,这样数据才不会丢失。这些要求使单独夹具不切合实际。最后一种不需要外部通信测试设备,仅用反馈电缆就能完成通信测试。

为了支持通信测试,必须有某种反馈方法提供通过被测试产品的完整通道。这些反馈利用外部跳线或者能处理通信测试的功能正常的模块从外部连到被测器件最为有效,它可以保证模块底板连接也能被测到。为提供更加细小的局部故障隔离,有些产品设计带有内部反馈性能,如果测试失效,可利用这些局部反馈隔离故障位置。如果需要这种功能,那么测试工程师应在设计阶段与产品设计人员进行交流,因为这种功能必须设计到产品中去。

系统测试

产品在做好最后配置准备发运给客户前,很多供应商还要运行很长一段时间系统老化测试,测试台把千兆位以太网产品与发送/接收通信数据的仪器连在一起。这些系统级测试装置比功能测试简单得多,因为一般不需要参数测量。通信仪器直接连到被测产品的端口上,或者用一些简单的多路复用电路来减少通信通道的数量。一个常见的系统测试设置采用通信测试仪器和连线组合,通信仪器连接到TX/RX端口对,剩余的端口用弯线互连(如图1)。这可以使数据流经过所有端口,同时减少对测试设备的需求。该方法的缺点是如果任何TX/RX端口失效都会遗失判断信息。

为进一步验证系统运行情况,系统测试还可以在一个环境室里进行,使被测器件经受不同的温度和功率。该方法被称作高加速应力筛选(HASS),有助于保证产品的整个可靠性,降低早期失效,有些客户在接受供应商产品之前还要求进行这类检验。

本文结论

开发千兆位以太网产品测试系统要求测试工程师全面了解产品的运行情况、千兆位以太网标准和提供最佳产能与产品质量一致性的通用制造工艺。由于这些产品有电或光接口,所以必须广泛了解这两种参数和功能测试要求。

有了这些知识,测试工程师就能制定测试计划,明确定义出测试和完成测试所需要的设备,以及是否需要采用自动化,此外测试环境也必须明确说明。测试工程师可利用现有系统底板而不是设计一个新的夹具接口大大简化系统设计工作,虽然后者对某些应用也是一个可行的方法。

本文为千兆位以太网产品测试设计师提供了一些基本概念,所涉及测试是一些基础知识,可用于测试系统的设计。根据具体产品和测试要求,测试工程师还可按照需要在基本测试系统配置中增加更多的测试功能。

作者；Kevin L. Paton

功能产品专家

Teradyne Inc.

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