ネットワーク・インタフェースを内蔵 したデバイスの数は着実に増え続け、 ネットワーク機能を持つデジタル・エ ンターテイメント・デバイスの普及と ともにますます増える見込みです。 ネットワーク・インタフェース・ポー トを持つデバイスの種類は、いまや パーソナル・コンピュータから監視カ メラにまで及びます。かつてはハイエ ンドのサーバとネットワーク機器だけ に 10 Mbps のポートが搭載されてい たことを思い出すと、隔世の感があり ます。 これらのポートは一般的に "LAN" ポー トまたは "NIC" ポートと呼ばれ、通常 は 1 0 B A S E - T 、 1 0 0 B A S E - T X 、 1000BASE-T のいずれかの規格または それらの組み合わせです。これらの規 格は、8 ピンの RJ-45 コネクタを持つ UTP ケーブル経由で、10、100、1000 Mbps の伝送を実現します。このアプ リケーション・ノートでは、これらの テクノロジーで用いられる電気信号を 簡単に検証する方法について解説しま す。 10BASE-T 最も歴史の長い 10BASE-T 規格は、 1990 年に確立し、すでに時代遅れと 言われながらも、いまだに消え去る気 配がありません。この規格は、カテゴ リ 3 または 5 のケーブルの 2 つのペア を使って、10 Mbps のデータ伝送を実 現します。1 つのペアが送信用、もう 1 つのペアが受信用です。残りのケー ブルは使用されません。 100BASE-TX 100BASE-TX は、UTP ケーブルを使っ た 100 Mbps イーサネット（ファース ト・イーサネットとも呼ばれる）規格 の中で最も広く用いられています。 10BASE-T と同じペアを送信と受信に 使用しますが、カテゴリ 5 以上のケー ブルが必要です。 1000BASE-T 1000BASE-T は、UTP ケーブルを使っ た 1000 Mbps イーサネット（ギガビッ ト・イーサネットとも呼ばれる）規格 として最も普及しています。UTP ケー ブルの 4 ペアすべてを使用して送受信 を行い、カテゴリ 5e 以上のケーブル が必要です。 次の図 1 と表 1 に、ストレート・スルー 構成で用いられる 8 ピン RJ-45 プラグ のピン割り当てを示します。
10BASE-T、100BASE-TX、
1000BASE-T デバイスの電気的検証
Application Note 1600
ピン 10BASE-T/ 100BASE-TX 1000BASE-T 1 TD＋ BI_DA＋ 2 TD－ BI_DA－ 3 RD＋ BI_DB＋ 4 未使用 BI_DC＋ 5 未使用 BI_DC－ 6 RD－ BI_DB－ 7 未使用 BI_DD＋ 8 未使用 BI_DD－ 表 1. 10BASE-T、100BASE-TX、 1000BASE-T でのストレート・スルー構成の 8 ピン RJ-45 プラグのピン割り当て。TD/RD 図 1. 8 ピン RJ-45 プラグ、別名 8P8C コネ クタ10BASE-T 信号のプロービングとテスト
10BASE-T は差動信号を伝送します。 この信号をプローブする最も簡単な方 法は、図 2a に示すように、TD ＋と TD －のピンを 100 Ω抵抗負荷に接続 することです。規格には、100 Ω抵抗 負荷の他に 2 種類の負荷がテスト用に 指定されています。これら他の 2 種類 の負荷を図 3 に示します。TD 回路か ら負荷への直接接続の他に、規格には 「ツイスト・ペア・モデル」（略して TPM）の使用についても記述されて います。TPM は片方向のリンク・セ グメントから生じる歪みをモデリング する等価回路であり、ここには示して いない RLC 回路の 4 つのセグメント から構成されます。10BASE-T のいく つかのパラメータのテストは、TPM ありと TPM なしで、100 Ω抵抗負荷 を含む負荷 1 と 2 に対して反復して行 います。このため、テストの数はかな り多くなります。 10BASE-T 波形を見てみましょう。一 般的に、テストには 4 種類の異なる波 形を使用する必要があります。本書に 示す波形は、特に記載のない限り、す べて図 2a の回路で 100 Ω抵抗負荷を 使用した場合に基づいたものです。 TD + – Vo + – 負荷 図 2a. 10BASE-T の TD 回路を負荷に直接接続。出力 電圧 Vo は負荷の両端で測定。 TD + – Vo + – 負荷 バラン ツイスト・ペア・モデル 図 2b. 10BASE-T の TD 回路をツイスト・ペア・モデル（TPM）経由で負荷に 接続。 115Ω 180µHL= 76.8Ω 220µHL= RP CP RS LS 負荷 1 負荷 2 L の定義 LS = L ± 1% CP = 12 pF ± 20 % RP≧ 2 k Ω RS≦ 0.5 Ω 図 3. 10BASE-T のテストに用いられる負荷 1 と 210BASE-T 信号のプロービングとテスト（続き）
最初の信号は、LTP（リンク・テスト・ パルス）です。これは NLP（ノーマル・ リ ン ク・ パ ル ス ）と も 呼 ば れ ま す。 LTP は、10BASE-T トランスミッタ から最初に送信される信号であり、ア クティブなトランスミッタの存在を示 すために用いられます。リンクの反対 側にアクティブなデバイスがある場合 は、相手も LTP で応答します。LTP は、 自動ネゴシエーションの際に、デバイ ス・ケーパビリティ・データを交換す るためのデータ・ワードを構成する バーストとしても用いられます。どの 場合でも、LTP は、TPM の有無に関 わらず、すべての負荷の組み合わせで、 定義されたテンプレート内に収まる必 要があります。 図 4. TPM ありとなしの場合のリンク・テスト・パルス（LTP）波形 図 5. LTP テンプレート内の TPM 付き LTP 信号 TPM なしの LTP TPM ありの LTP10BASE-T 信号のプロービングとテスト（続き）
次 の 信 号 は、TP_IDL 信 号 で す。 10BASE-T データは、マンチェスタ・ コード化された（遷移がロジック "1" を表す）データ・パケットとして送信 され、パケット間にフレーム間ギャッ プというアイドル期間が置かれます。 TP_IDL 信号はアイドル期間の開始を 示すものなので、各データ・パケット の終わりに存在します。LTP と同様 に、TP_IDL 波形も、TPM の有無に 関わらず、すべての負荷の組み合わせ で、定義されたテンプレート内に収ま る必要があります。 フレーム間ギャップ 図 6. マンチェス タ・コード化され たランダム・デー タ・パケット。画 面の下半分に表示 された波形は、上 半分の波形の白い ボックス内の領域 を拡大したもので す。 300 ns 350 ns 図 7. TP_IDL は 正パルスであり、 その幅は、最後の ビットが 1 か 0 か に応じて、それぞ れ 300 ns または 350 ns になりま す。 図 8. TP_IDL テンプレート・ テスト10BASE-T 信号のプロービングとテスト（続き）
10BASE-T のシグナリング・レートは 公称 10 MHz です。オール 1 のマンチェ スタ・コード化された信号は、10 MHz の波形になります。このオール 1 の波 形を使って、送信回線で測定されるす べての高調波が基本波より 27 dB 以上 低いことがテストされます。現在のデ ジタイジング・オシロスコープはほと んど FFT 機能を装備しているので、 このテストは簡単に行えます。周波数 確度のためにハニング窓関数を選択し て FFT を 使 用 す る こ と に よ り、10 MHz およびその高調波のスペクトラ ムの大きさを容易に測定できます。 テンプレート・テストおよび高調波成 分のテストに加えて、その他のテスト できるパラメータとして、ピーク差動 出力電圧とコモン・モード電圧があり ます。これらのテストは、図 6 に示す ようにランダム・データ信号を使って 行われ、比較的簡単な測定です。 図 9. オール 1 のマンチェスター・コード化された信号 図 10. オシロスコープ画面は 2 分割され、上の部分のトレースにはオール 1 のマンチェスタ・コード化された信号が表示されます。下の部分のトレー スは、オシロスコープの FFT 機能を使って、オール 1 のマンチェスタ・コー ド化された信号の高調波成分を測定したものです。この例では、10 MHz の 基本波周波数と、3 次高調波（30 MHz）にそれぞれマーカが配置されていま す。ここに示す 3 次高調波の大きさは、基本波に対して－ 28.45 dB です。100BASE-TX のテスト
100BASE-TX では、MLT-3 と呼ばれ るライン・エンコード方式が使用され ます。これは、データが 3 つの電圧レ ベルの間で変化し、遷移がロジック 1 を表すものです。MLT-3 ライン・コー ド化を使うと、同じデータ・レートに 対して、NRZ などの他のコード化方 式よりも必要な帯域幅を狭くできま す。100BASE-TX は、MLT-3 コード 化されたアイドル・パターンを使って テストされます。ほとんどのデバイス では、速度設定を 100 Mbps に設定す ると、自動的にアイドル・パターンが 出力されます。このパターンの一部を 図 11 に示します。同じパターンがす べての 100BASE-TX テストに用いら れます。 100BASE-TX 規 格 で は、100BASE-TX トランスミッタの出力を簡単に チェックするためのアイ・パターン・ テンプレートの使用を規定していま す。ただし、アイ・パターン・テンプ レートの使用は、100BASE-TX パラ メータの詳細なテストに代わるもので はなく、特定のトランスミッタの性能 に関してある程度信頼できる指標を提 供することです。 図 11. 100BASE-TX からの MLT-3 コード化されたアイドル・パターン 図 12. 100BASE-TX 信号のアイ・パターン・テンプレート。オシロスコー プは、送信波形から復元されたクロックを使用します。1000BASE-T のテスト
1000BASE-T は、ツイスト・ペアの 4 ペアすべてを使ってデータを伝送し、 PAM5 と呼ばれる 5 レベルのパルス振 幅変調をデータ伝送に使用します。 10BASE-T や 100BASE-TX と同様の 通常のデータ伝送のテストは簡単とは 言えないので、規格では 4 つの異なる テスト・モードが定義されています。 これらはテスト・モード 1 ～ 4 と呼ば れ、1000BASE-T 制御レジスタのビッ ト 13 ～ 15（レジスタ 9.13:15）に書き 込むことにより設定されます。テスト はトランスミッタの 4 ペアすべてに対 して行います。 テスト・モード 1 では、トランスミッ タは PAM コード化された 5 つの信号 レベルすべてを送信します。ここでは、 " ＋ 2"、" － 2"、" ＋ 1"、" － 1" のシン ボルが 127 個の "0" シンボルと交互に 現れます。この後、" ＋ 2" と " － 2" の シンボルの長い列（128 個）が 2 回繰り 返され、最後に 1024 個の "0" シンボル が現れます。テスト対象のポイントを 表すために、波形のさまざまなポイン トに A から M まで（I は不使用）のラベ ルが付けられています。ポイント A、B、 C、D は、 そ れ ぞ れ " ＋ 2"、" － 2"、 " ＋ 1"、"－ 1" のシンボルに対応します。 テスト・モード 1 では、3 つのテスト が実行されます。最初に、ポイント A、 B、C、D でのピーク電圧が測定され ます。ポイント A と B の電圧が比較 され、振幅が 1% 以内で一致すること が確認されます。これらの測定は比較 的簡単であり、目的のポイントにズー ム・インして測定するだけです。 図 13. テスト・モード 1 波形の 1 サイクルと、テスト・ポイント A ～ M のラベル。 A B C D E F G H J M1000BASE-T のテスト（続き）
次のテストは、テンプレート・テスト です。ポイント A、B、C、D、F、H が、 2 MHz のハイパス・フィルタを通過 し、IEEE 規格 802.3-2005 のサブクロー ズ 40.6.1.2.3 に記述された規則に基づ いてノーマライズされた後で、定義さ れたテンプレート内に収まる必要があ ります。これらの手順は、現在市販さ れているデジタイジング・オシロス コープを使って実行できます。右の図 14a、14b、14c では、ポイント A のテ ンプレート測定を例として用いていま す。 テンプレート・テストの他に、" ＋ 2" および " － 2" シンボルの長い列に対す るドループ・テストもあります。ポイ ント F（" － 2" シンボル列の開始位置 での最小ポイント）からポイント G（ポ イント F から 500 ns 後）までと、ポ イント H（図 3 に示す波形の最大ポイ ント）からポイント J（ポイント H か ら 500 ns 後）までの間で、電圧ドルー プが測定されます。 図 14a. この例のデジタイジング・オシロ スコープでは、波形に対して実行するファン クションを指定できます。この例では、下の カットオフ周波数が 2 MHz のハイパス・フィ ルタがファンクション 2 を使ってチャネル 1 に適用されます。 図 14b. ファンクション 3 では、拡大機能を使って、ファン クション 2 でフィルタリングされた波形をノーマライズします。 ポイント A の波形は、A の波形のピーク電圧値で除算すること によりノーマライズされます。 図 14c. フィルタされ、ノーマライズされたポイント A の波形が、テンプ レートにベスト・フィットするように配置されます。1000BASE-T のテスト（続き）
次に、テスト・モード 2 と 3 について 説明します。これらのテスト信号は、 TX_TCLK と呼ばれる 125 MHz のタ イミング・クロックに同期して " ＋ 2" と " － 2" のシンボルが交互に現われる 信号です。テスト・モード 2 と 3 の違 いは、使用するタイミング・ソースで す。テスト・モード 2 はマスタ・モー ドと呼ばれ、デバイス自身の送信ク ロックを使用します。一方、テスト・ モード 3 はスレーブ・モードと呼ばれ、 マスタ・モードのリンク・パートナか ら送信されたデータから復元されたク ロックを使用します。1000BASE-T デ バイスのジッタをテストするために は、デバイスの TX_TCLK をプロー ブ で き る 必 要 が あ り ま す。 1000BASE-T デバイスのデータシート には、TX_TCLK にアクセスするため にどのピンをプローブすればよいかが 記載されています。テスト・モード 2 と 3 の波形は基本的に同じです。波形 の例と TX_TCLK を図 15 に示します。 ジッタ・テストの詳細はこのドキュメ ントの範囲外なので、ここでは説明し ません。 図 15. テスト・モード 2/3 波形と 125 MHz の TX_TCLK テスト・モード 2/3 TX_TCLK1000BASE-T のテスト（続き）
最後に説明するテスト・モードは、テ スト・モード 4 です。テスト・モード 4 では、デバイスは 2047 シンボルの 疑似ランダム・ビット・パターンを出 力します。このパターンは、PAM5 で エンコードされた後、部分応答フィル タによりフィルタリングされたもので す。フィルタからの出力は、図 16 に 示すような 17 レベルの信号です。テ スト・モード 4 の波形は、アクティブ に送信中の 1000BASE-T デバイスか らの波形がどのようになるかを大まか に示しています。テスト・モード 4 の 出力は、ピーク・トランスミッタ歪み の測定のためのソースとして用いられ ます。 歪み測定は、オシロスコープでは簡単 に実行できません。歪みを計算するた めにポスト・プロセッシングが必要だ からです。規格では、歪み計算のサン プル MATLAB®コードが提示されて います。このコードの動作を簡単に説 明すると、2047 個のシンボルのそれ ぞれを TX-TCLK クロックの任意の位 相でサンプリングすることです。その 後、このコードは、各サンプルの歪み を調べて、最大値をピーク歪みとして 報告します。これには通常、テスト・ モード 4 の波形のいくつかのサイクル を含む大きなレコードの収集が必要で す。この波形は記録され、PC に転送 されて、MATLAB コードに従って処 理されます。 10BASE-T 規格がいくつかのテストを TPM を使って実行するように規定し ているのと同様に、1000BASE-T 規格 でもテスト・モード 1 とテスト・モー ド 4 のテストを外乱信号の存在下で実 行するように規定しています。外乱信 号は正弦波発生器と定義されていて、 他の 1000BASE-T トランスミッタか らの干渉をシミュレートします。本書 では、外乱信号を使ったテストについ ては扱いません。 図 16. テスト・モード 4 波形リターン・ロス・テスト
リターン・ロスは、受信デバイスから 送信デバイスに向かって反射されるエ ネルギーの指標です。リターン・ロス は、10B A S E - T、100B A S E - T X、 1000BASE-T の各規格で定義されてい ます。リターン・ロスが特に重要なの は、1000BASE-T デバイスの場合です。 1000BASE-T デバイスは双方向シグナ リングを使用するため、データを送信 するのと同じピンがデータの受信にも 用いられるからです。受信デバイスの リターン・ロスが大きいと、送信側か らの情報が反射され、送信側で問題が 生じます。送信側はレシーバとしても 動作し、反対側のトランスミッタから のデータを受け取ろうとしているから です。このため、リターン・ロス・テ ストは、他のデバイスとの相互運用性 を保証するために重要です。 リターン・ロス・テストは、ベクトル・ ネットワーク・アナライザを使って行 われます。N5395B イーサネット電気 プロービング・フィクスチャを使用す ると、リターン・ロス測定が簡単にな ります。イーサネット・デバイスから の信号は差動信号であり、ネットワー ク・アナライザの入力はシングルエン ドなので、フィクスチャのバラン・ト ランスにより、差動からシングルエン ドへのインピーダンス変換が必要で す。また、N5395B フィクスチャには、 ベクトル・ネットワーク・アナライザ を校正するための RJ-45 ショート／ オープン／ロード接続付きのリター ン・ロス校正フィクスチャも付属して います。 リターン・ロスは、対数振幅の順方向 反射（S11）測定を使用することにより、 ベクトル・ネットワーク・アナライザ のひとつのポートで測定できます。こ の測定はバラン経由で 50 Ωで変換さ れるため、100 ± 15 Ωの等価値に数学 変換は以下の式で行われます。 リターン・ロス（dB 単位）： RLdB=20 log10｜Г0｜ ここで、Г0は VNA で測定された（周 波数に対する）複素反射係数値の配列 であり、インピーダンスを用いて以下 のように表されます。 Г0 = ——— ZinはDUTのインピーダンスで、これ も（周波数に対する）複素数配列で す。Z0は測定が実行された標準器の基 準インピーダンス（実数）です。 測定はベクトル・ネットワーク・アナ ライザにより50 Ωの基準インピーダ ンスで行われていますが、最初にバ ランによる2:1の変換を通っているの で、Z0 = 2*50 = 100となります。 Zinについて解くと、Z
in= Z
0————
Zinより、さまざまなインピーダンス Zin - Z0 Zin + Z0 1 + Г0 1 - Г0 における反射係数を計算できます。 Zin - 85 Zin + 85 dB 単位のリターン・ロスは、以下の ように求められます。RL
85Ω= 20 log
10|Г
85Ω|
RL
100Ω= 20 log
10|Г
100Ω|
RL
115Ω= 20 log
10|Г
115Ω|
Г
85Ω=
———
Zin - 100 Zin + 100Г
100Ω=
———
Zin - 115 Zin + 115Г
115Ω=
———
リターン・ロス対周波数 リターン・ロス（dB） 周波数（MHz）まとめ
広 く 用 い ら れ て い る 10BASE-T、 100BASE-TX、1000BASE-T の電気的 検証の概要を説明しました。イーサ ネット信号の伝送に用いられる信号 は、データ・レートが 10 Mbps から 1000 Mbps に指数関数的に増加するの に伴って、複雑さが増しています。帯 域幅が制限された UTP ケーブルでよ り多くのデータを伝送するためには、 さらに複雑な変調方式が必要になるの で、この傾向は今後も続くでしょう。 測定ツールの品質とシグナル・インテ グリティは、測定対象の信号を正確に 表現できることを保証するために、重 要な役割を果たします。ここで説明し た測定のほとんどは、現在のデジタイ ジング・リアルタイム・オシロスコー プを使用して手動で行えます。これら の例で用いられた信号は、市販のネッ トワーク・インタフェース・カードの 出力を、Agilent 80000 シリーズ・オ シロスコープでアクティブ差動プロー ブを使って捕捉したものです。図 2 と 3 に示す回路にプローブを接続するに は、Agilent N5395B イーサネット電 気プロービング・フィクスチャが用い られています。N5395B フィクスチャ と組み合わせて使用できる自動テス ト・アプリケーションも用意されてい ます。イーサネット検証用ツールの詳 細については、www.agilent.co.jp/find/ n5392aをご覧ください。 関連カタログ タイトル カタログ・タイプ カタログ番号 N5392Aイーサネット電気的特性検証／ コンプライアンス・ソフトウェアData Sheet 5989-1527JA
Infiniium DSO80000B Series Oscilloscopes and InfiniiMax Series Probes
Data Sheet 5989-4606EN
Infiniium DSO/DSA90000A シリーズ Data Sheet 5989-7819JAJP
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