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ギガビット・イーサネット(GbE)の物理層特性評価 - 1/3


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目次
  1. Ethernet とは?
  2. 物理層電気特性の評価
  3. コンプライアンス・テスト
  4. ソリューション      
  5. 関連製品
  6. 関連リンク(日本語オンラインヘルプ情報有) 2007/11/01
                   
1.Ethernet とは?

Ethernet の歴史は 1972年Xerox社のパロアルト研究所での実験にまで遡る事ができます。当初Xerox 社のAltoパーソナルワークステーションの相互接続のための実験システムでした。
EthernetはAltoやサーバ、レーザプリンタの相互接続を目的として開発されました。最初のシステムの伝送レートは2.94Mbps で、これはAltoのシステムクロックに由来します。

Alto Aloha Network と最初に命名されたシステムは1973年"Ethernet"と改名されます。"ether(エーテル)"とは電気・磁気・光などを伝える媒質と考えられた仮想的な物質で、この名称がAlto以外の接続も考慮するシステムに相応しいと考えられたからです。
1989年 IEEEの標準として策定され、今日 10Gbps を超える伝送システムとして広く、生活の隅々にまで浸透しています。今日まで30を越えるワーキンググループが形成されましたが、もっとも世に広まった規格が RJ-45のツイストペアケーブル(UTP)を使用した規格(10BASE-T,100BASE-TX,1000BASE-T)です。(図1)

Robert Metcalf’s Idea

図1:Robert Metcalf’s Idea 

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2.物理層電気特性の評価

ますます速度を増すEthernet。信頼性の安定とともに、広く基幹システムとして採用され始めています。安定した運用を確保する上で、物理層電気特性試験の重要性は増しています。また、物理層試験を評価する上で、その構造の理解は重要です。

1.UTPカテゴリ5ケーブルで1Gb/sを実現するケーブル

図2:Ethernet のUTPケーブル媒体

category 1 および 2 電話サービス用のケーブル
category 3 16MHz までの用途として策定。TIA/EIA 568-A 仕様。10BASE-T, 100BASE-T4, 100BASE-T2で利用
category 4 20MHzまでの用途
category 5 100MHzまでの用途として策定、今日もっとも普及しているケーブル。100BASE-Tまで使用可
category 5e Enhanced Cat 5 
周波数は100MHzまで。ただし NEXT,PSELFEXT,減衰特性を改善。1000BASE-Tでの使用を想定
category 6 200MHzまでの周波数をサポート
category 7 600MHzまでの周波数をサポート

100BASE-TXと1000BASE-Tのトポロジーの違い

図3:100BASE-TXと1000BASE-Tのトポロジーの違い


10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-Tはすべて RJ-45 のツイストペアケーブル(UTP)を使用します。使用できる周波数などによりカテゴリが決められています。UTPケーブルの構造は 4ペアの差動ツイストペアケーブルから構成されています。10BASE-T/100BASE-TX ではUTPケーブルの4ペアの内の2ペアのみを使用し、しかも各ペアは片方向のみの通信でした。

1000BASE-Tでは、100MHz対応のカテゴリ5 UTPケーブルで1Gb/sを実現するために、

  1. 4ペアすべてを使用し、1ペアあたり250Mb/s の双方向の通信システムの採用

  2. ケーブルのペア間のクロストークの性能向上

  3. レシーバ回路内でのDSP処理の採用

などの工夫がされています。
 

2.GbE NIC

以下の図はNational Semiconductor社の評価ボードの例です。

GbEのNIC例
図4:GbEのNIC例

 

100m のケーブルに印加されるノイズから絶縁・保護するためのパルストランスが使用されています。(図5)

他の高速デジタル規格と異なる点は、RJ45のUTPケーブルが最長100m 敷設することを前提に規格化されたため、パルストランスが使用されます。パルストランスは外部ケーブルと内部電気回路との間でインピーダンスの整合を図りながら、絶縁デバイスであると同時にバリアとして機能します。パルストランスは矩形パルスの信号品質を変化させます。オーバシュート、リンギング、Droopなどの変化を引き起こします。
                   
パルストランスの波形への影響

 

 

−パルストランスへの入力信号
−パルストランスからの出力信号

図5:パルストランスの波形への影響

3.10BASE-T の通信方式

10BASE-Tでは 10Mbps のマンチェスタコーディングを使用したシステムです。マンチェスタコーディングのメリットはDCバランスが保たれており、各サイクルに遷移があるため、クロックリカバリが容易な点です。10BASE-Tではフレーム間のアイドルにはLink Test Pulse が定期的に発信されています。(図6)

10BASE-Tの伝送方式
- 10Mbps
- マンチェスター符号
- フレーム間のIdleにはLink Test Pulseを発生

図6:10BASE-Tの伝送方式

 

 

4.100BASE-TX の通信方式

100BASE-TX では、4B5Bコーディングが使用されています。このため、100Mbps のデータ伝送には125Mbpsでの信号伝送が必要になります。ただし、100MHz のカテゴリ5のケーブルでの使用を考え、周波数帯域を4分の1に押さえられるMLT-3 コーディングが採用されました。
(図7)
100BASE-TXの伝送方式
- NRZI
- Multilevel Threshold-3(MLT-3)
- 125MHz

図7:100BASE-TXの伝送方式

5.1000BASE-Tの通信方式

1000BASE-Tでは多値化技術がさらに進行し、4D-PAM5が採用されました。これは5レベルの信号を4ペアのツイストペアで伝送することで625のシンボルを伝送できる技術です。また、エコーやクロストークの影響を容易に除去できるようにマスタ/スレーブ タイミング方式が採用されています。(図8)

1000BASE-T の信号
  
図8:1000BASE-T の信号

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6.10/100/1000 BASE を切り替えるAutoNegotiation機能

10BASE-T ではアイドル信号としてLink Test Pulse 使用されていました。(図9)

Test Mode 4 Zoomed- In

10BASE-T Normal Link Pulse Sequence

図910BASE-T Normal Link Pulse Sequence

100BASE-TX の登場により、100BASE-TX と10BASE-T の両方の技術を持つデバイスが通信パートナーによりスピードを自由に切り替えることができるようにAutoNegotiation 機能が追加されました。この技術を導入するために、Fast Link Pulse が導入されました。Fast Link Pulse はLink Test Pulse と同じ間隔で出力されますが、クロック信号の間にデータ信号が出力される手法を取ります。(図10、11)

FLP(Fast Link Pulse) BurstによるAuto negotiation
図10:
FLP(Fast Link Pulse) BurstによるAuto negotiation

  

FLP(Fast Link Pulse) BurstによるAuto negotia (拡大図)

図11:図10の拡大図

 

この技術はNational Semiconductor社の技術に基づいて開発されました。

 

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