列车以太网物理层一致性测试的应用*

孔 元， 李元轩,2， 黄志平,2， 赵红卫， 张 波

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

近年来，铁路机车车辆技术的发展作为铁路领域先进制造业的代表，呈现着日新月异的变化。动车组网络控制系统通信技术也在逐步发展，目前正处在从TCN技术体系[1]中MVB/WTB技术向着以太网方向演进，实现从中低速总线向着高速数据连接的技术跨越，设计上从封闭的工业总线向着开放的工业、商业等多用途网络连接方式变化，使得列车通信网络通信能力进一步提升。国际电工技术标准化组织IEC(International Electrotechnical Commission)针对列车以太网的应用相继发布了IEC 61375-3-4[2]、IEC 61375-2-5[3]、IEC 61375-2-3[4]、IEC 61375-2-4[5]等相关标准规范，确立了列车以太网技术的通信体系的整体架构和通信方式。在该体系中，现已明确列车以太网通信的相关特性，诸如：列车以太网采用100 Mb/s全双工以太网通信方式、规定了相关延时小于10 ms、通信数据包结构建议采用列车实时数据通信协议TRDP(Train Realtime Data Protocol)等特性。当前，以太网技术作为一种较为成熟的网络通信技术，其产品及解决方案繁多，如何保障动车组上各系统采用的以太网设备遵循统一的实现标准成为了动车组系统集成需要解决的重要问题。为保障动车组列车上所使用的以太网设备均符合相关IEC、IEEE以太网规范要求，需验证特定网络系统设备的通信符合性，需设计测试步骤、完善测试平台等相关手段，对以太网的通信能力、通信特征进行陈述和检定。受限于测试环境、技术因素，不可能做到完全彻底的测试，经济上的考虑也限制了测试内容，需围绕核心参数进行测试，因此测试方案是对设备指标参数提炼与概括。

不同于一般商业及民用以太网，为实现以太网在列车上正常运行，除通信协议的差异外，与传统以太网的主要区别在于需要考虑列车上更为复杂的电磁环境，以太网信号传输将受到更多的干扰。接入列车以太网的终端设备，必须通过其在复杂的电磁环境中保障数据传输质量的以太网传输标准的符合性验证。因此，以太网的物理层研究对于保障列车以太网信号的完整性和准确性具有重要意义。

文中对列车以太网物理层信号的特征进行了梳理，总结了以太网信号的相关特征，针对以太网物理层信号的一致性测试项点进行了描述，设计了以太网一致性试验台的基本架构和测试方案。实践证明以太网物理层一致性测试平台不仅可以对不合格被测设备进行鉴别，并且还可以列出测试结果和参数，对后续被测设备优化改进提供数据支持，为中国标准动车组中的以太网技术应用和系统集成提供基础。

1 以太网信号的特征

IEEE 802.3以太网标准[6]定义的开放式通信系统互联参考模型OSI(Open System Interconnection, OSI/RM, Open Systems Interconnection Reference Model)七层模型中，以太网数据传输使用的物理层定义包括物理编码PCS(Physical Coding Sublayer)子层、物理介质连接子层PMA(Physical Medium Attachment)和物理介质相关PMD(Physical Medium Dependent)子层。100 Mb/s以太网通信标准的PCS子层与PMA子层，同时支持光接口通信和电接口通信，并在IEC 61375标准中进一步规定了列车以太网通信规范标准统一为电接口通信类型100BASE-TX。列车以太网数据的传输使用超5类屏蔽双绞线，并使用D型编码M12圆形连接器，保证良好的屏蔽与数据传输效果。针对超5类以太网传输的线缆特征，在ANSI X3.263-1995标准[7]中定义了与传输信号物理特性相关的PMD子层的特征。关于以太网物理层的幅值、信号对称度、上升与下降时间、占空比失真抖动、传输抖动以及过冲等特性规定了限值范围，以太网物理层特征如表1所示。

表1 双绞线有源输出接口的特征

2 以太网物理层一致性测试的项点

根据一致性测试指示的程度可分为以下3种类型的测试：基本互联测试、能力测试和行为测试。基本互联测试提供了IUT(Implementation Under Test)一致性的初步证据；能力测试检验IUT的可观测能力是否与静态一致性要求和在PICS(Protocol implementation conformance statement)中声明的能力一致；行为测试在IUT能力的动态一致性要求的整个范围内尽量提供最全面的测试。

列车以太网物理层一致性测试平台应在被测设备完成基本互联测试和能力测试的基础上进一步对以太网物理层通信进行详细的行为测试，,以实现对被测设备的以太网通信特性全面度量。对照ANSI X3.263—1995标准，测试项点具体包括：以太网差模输出电压检测、波形过冲检测、信号幅度对称度检测、上升/下降时间检测、占空比失真检测、发送抖动检测、输出信号模板检测、发送器阻抗回输损耗检测、接收器阻抗回输损耗检测等。具体测试指标及限值要求，如表2所示。

3 以太网物理层一致性测试台的设计方案

列车以太网物理层一致性测试平台主要由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括工控机、显示屏、示波器、交换机和电源等通用设备以及高灵敏度差分探头、矢量网络分析仪等专用设备。软件部分主要包括物理层电气特性测试软件、设备状态分析一致性测试软件、测试结果导出报告生成软件。

表2 物理层一致性测试指标

从功能结构上如图1所示可分为人机交互、数据通信、测试仪器和被测单元4部分。人机交互部分主要由1台工控机及其安装的人机交互界面软件构成；数据通信部分主要由工控机、交换机和安装于工控机上的测试软件组成；测试仪器主要包含示波器、矢量网络分析仪、测试夹具等。

图1 测试平台功能结构框图

在测试过程中需要对被测设备的以太网物理层信号进行测量，但因以太网网卡并不会主动发送标准数据包用于观测，测量存在一定的困难。一般采用两种方式进行测试：①主流网卡芯片如英特尔Intel、博通Broadcom等网卡，通过修改寄存器或使用厂商提供的发包工具主动发出待测数据包；②通过标准化诱导装置诱导被测设备发包。诱导发包的方法配置较为方便，试验台设计陪测装置用于激励被测设备包，结构示意图如图2所示诱导装置的发送端与被测设备IUT的接收端相连，被测设备的发送端连接测试夹具，并由高精度示波器获取连接至测试夹具的以太网物理层信号。

图2 诱导发包装置连接示意图

测试平台的软件如图3所示可分为3个主要模块，分别为管理程序、采集处理程序和数据存档程序。管理程序负责驱动示波器、矢量网络分析仪以及测试系统的驱动工作，使得各独立测试仪器协同工作完成相关测试参数和测试环境的设置。采集处理程序负责对测试仪接收到的物理层信号进行接收、变换和采集，对以太网线路中的电流、电压、频率及周期等信号特征进行读取，并在处理程序中对原始信号进行线性、非线性和滤波处理，获取准确信息。数据存档程序分别运行于测试仪器与工控机中，工控机作为上位机调用测试仪器中的结果在显示屏中显示，操作人员可通过显示屏的显示对于测试结果进行确认，并由操作人员控制将相关测试结果进行保存，输出测试报告存档。

图3 测试平台软件结构框图

考虑到列车运行中的复杂电磁环境，一般建议在标准以太网物理层信号特征要求的基础上在限制内提升物理层信号质量要求。因铁路跨车连接器使用重载连接器，内部使用以太网模块，可能因施工质量差异引入更多的线路损耗，在标准限值范围内，建议如表3所示，调整差模输出电压正负值范围至±1 000～±1 050 mV。实际测试中发现执行更高的输出电压要求，也有利于改善AOI模板眼图的测试结果。

表3 铁路环境建议修正使用的测试指标

4 以太网物理层一致性测试的应用

以太网物理层一致性测试可有效鉴别以太网被测设备的性能指标，除检定不合格被测样品外，实际应用中还可通过对比分析为被测设备给出相应的修正建议，有助于提升设备通信质量。通常产品一致性测试质量不高主要集中在信号幅值、抖动以及回波损耗等3个方面。

(1)修正幅值改善质量

以太网信号的幅值很大程度体现了以太网信号的抗衰减能力，如图4(a)所示，被测设备测得幅值为952 mV，接近标准规定下限950 mV。被测设备因信号放大电路设计不完善，造成输出差分信号幅值偏低，在传输中信号强度偏弱，较易受信号、电源等波动造成的干扰影响。此外，由于贴近幅值指标下限在实际产品制造过程中的生产差异可能造成量产产品易出现批量不合格。对被测设备提出整改建议后，如图4(b)所示，被测设备经优化电路设计改善幅值输出至1 022 mV，解决该问题提升了通信质量。

图4 信号幅值

(2)改善信号抖动问题

以太网信号在发送过程中由于内部晶振或外部环境的影响，信号的时间属性或出现误差，如图5(a)所示，被测设备测得信号抖动为1.095 ns，接近标准规定上线1.4 ns，信号形成眼图包络不清晰。查找原因确定了被测设备因电路电源对电源输入端质量要求高，对输入端的防护抗扰设计不完善，造成信号抖动范围大，接收设备易出现误码判断，最终影响通信质量。对改进设备电源模块重新设计，提升了设备的抗扰能力，如图5(b)所示，被测设备信号抖动范围压缩至0.573 ns，提升了信号的时间准确性。

图5 信号抖动范围

(3)改进阻抗匹配性能

回波损耗是被测设备端口的反射波功率与入射波功率之比，该指标体现了被测设备的以太网接口阻抗匹配特性，该参数的设计是以超五类以太网线阻抗为匹配对象进行设计，符合阻抗匹配的设备接口才能在传输中损耗低。如图6(a)所示，被测设备的以太网接口的高频回波损耗出现了超过限值的情况，证明在高频段信号出现了与以太网网线阻抗失配。通过重新调整接口的阻性、容性器件的参数，并重新调整了整体板卡的布线，如图6(b)所示，测得的回波损耗值小于限值，接口阻抗匹配特性得到改善。

图6 回波损耗值超限情况

5 总 结

动车组以太网技术的应用将大大提升列车网络的通信能力，研究以太网测试方法有助于改善列车以太网通信质量，实际测试结果表明可有效鉴别存在缺陷的以太网被测设备，并有助于排查设计源头质量缺陷，为以太网设备的通信质量提升提供数据指导，有效提高整体列车以太网网络通信可靠性。以太网物理层试验方法是以太网通信的基础，随着测试标准和测试手段的进一步完善，未来将会有更多的面向通信协议的测试方法或面向整体列车网络质量的测试方法和手段出现。