USB3.0的物理層測(cè)試探討
[導(dǎo)讀]
USB簡(jiǎn)介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、MP3、U盤(pán)等外圍設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)，它使計(jì)算機(jī)與周邊設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)化。在USB1.1版本中支持兩種速率
USB簡(jiǎn)介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、MP3、U盤(pán)等外圍設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)，它使計(jì)算機(jī)與周邊設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)化。在USB1.1版本中支持兩種速率：全速12Mbps和低速1.5Mbps；而USB2.0中支持三種速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。在2002年Intel把USB2.0端口整合到了計(jì)算機(jī)的南橋芯片ICH4上，推動(dòng)了USB2.0的普及，目前除了鍵盤(pán)和鼠標(biāo)為低速設(shè)備外，絕大多數(shù)設(shè)備都是速率達(dá)480M的高速設(shè)備。
圖1：USB2.0與USB3.0的速度對(duì)比
圖2：力科的USB3.0測(cè)試夾具
USB3.0物理層測(cè)試內(nèi)容
力科最新版本的一致性測(cè)試軟件QualiPHY-USB3是根據(jù)2009年11月發(fā)布的USB3.0的電氣兼容性測(cè)試規(guī)范Rev0.9版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）來(lái)開(kāi)發(fā)的，并且會(huì)隨著測(cè)試規(guī)范的更新而不斷更新，該軟件安裝在示波器上，示波器通過(guò)USB電纜連接到PeRT3，使用USB與PeRT3進(jìn)行通信，在測(cè)試中，QualiPHY軟件可以控制PeRT3發(fā)送特定的信號(hào)，或從PeRT3中讀取RX測(cè)試結(jié)果，這樣只需QualiPHY軟件即可完成TX和RX的所有測(cè)試。在QualiPHY-USB3測(cè)試軟件中，包括了以下測(cè)試項(xiàng)目：
1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號(hào)測(cè)量
2. SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測(cè)量
3. 抖動(dòng)與眼圖測(cè)量
4. AC和DC共模電壓測(cè)量
5. 差分電壓幅度與去加重測(cè)量
6. 誤碼測(cè)試與抖動(dòng)容限測(cè)量
LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號(hào)測(cè)量
測(cè)量了Polling.LFPS信令的電壓和時(shí)間參數(shù)，在USB3.0規(guī)范CTS Rev0.9中是必測(cè)項(xiàng)目。測(cè)試方法為：待測(cè)試產(chǎn)品（PUT）的端口上插入U(xiǎn)SB3.0夾具，夾具上的TX端通過(guò)同軸電纜連接到示波器的兩個(gè)通道，將PUT上電后，PUT會(huì)發(fā)送出Polling.LFPS信令，示波器捕獲后測(cè)量其水平或垂直參數(shù)。如圖3所示為L(zhǎng)FPS的信號(hào)特征。在力科一致性測(cè)試軟件中會(huì)分析脈沖的上升、下降時(shí)間、周期、占空比、峰峰值、共模電壓，以及脈沖串的突發(fā)持續(xù)時(shí)間（tBurst）和重復(fù)時(shí)間（tRepeat）。
SSC經(jīng)常使用在計(jì)算機(jī)主板的電路上，用于減小電磁輻射。在USB3.0中，需要測(cè)試擴(kuò)頻時(shí)鐘的調(diào)制頻率（SSC Modulate Rate）、頻偏最大值（SSC Deviation Max）和頻偏最小值（SSC Deviation Min），測(cè)試時(shí)PUT發(fā)送出CP1碼型的數(shù)據(jù)流（CP是Compliance Pattern的簡(jiǎn)寫(xiě)，在USB3的物理層測(cè)試中，各項(xiàng)測(cè)試需要不同的測(cè)試碼型）,CP1碼型為D10.2，即0101連續(xù)跳變的碼型，相當(dāng)于頻率2.5GHz的時(shí)鐘，規(guī)范要求擴(kuò)頻時(shí)鐘的調(diào)制頻率為30-33KHz之間，頻偏最小值在+/-300ppm之間，頻偏最大值在-5300ppm到-3700ppm直接。如圖4為力科示波器測(cè)量擴(kuò)頻時(shí)鐘的結(jié)果。SSC是CTS Rev0.9中是必測(cè)項(xiàng)目，跟USB3.0芯片輸入時(shí)鐘緊密相關(guān)，如果輸入時(shí)鐘的SSC不符合要求，通常USB3.0的輸出信號(hào)的SSC也無(wú)法通過(guò)測(cè)試。
圖4：擴(kuò)頻時(shí)鐘測(cè)試結(jié)果
抖動(dòng)與眼圖測(cè)量
在USB3.0的TX的眼圖和抖動(dòng)測(cè)試中，測(cè)量的是待測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)參考測(cè)試信道后TP1點(diǎn)的眼圖和抖動(dòng)。如圖5中的Reference test channel即為參考測(cè)試信道，在規(guī)范中定義了long channel、short channel和3米電纜三種參考測(cè)試信道。如果使用long channel或者較長(zhǎng)電纜，信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)衰減比較大，眼圖已經(jīng)閉合，USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡后，信號(hào)眼圖的質(zhì)量將大大改善，所以要求測(cè)試儀器分析出CTLE均衡器處理后信號(hào)的眼圖和抖動(dòng)。目前業(yè)界常用的是Intel的11英寸背板和3米USB電纜作為參考信道。
圖6：USB3.0的Transmitter測(cè)試在近端、遠(yuǎn)端和均衡后的眼圖對(duì)比
眼圖和抖動(dòng)測(cè)試中信號(hào)源需要發(fā)出特別的測(cè)試碼型，對(duì)于眼圖測(cè)試，需要CP0碼型（擾碼的D0.0），對(duì)于抖動(dòng)測(cè)試，需要CP0碼流或者CP1碼流（D10.2），前者用于確定性抖動(dòng)Dj的測(cè)量，后者用于隨機(jī)抖動(dòng)Rj的測(cè)量。眼高必須從連續(xù)的1百萬(wàn)個(gè)比特疊加的眼圖中測(cè)量，力科SDA813Zi示波器完成1百萬(wàn)比特的眼圖僅需2秒，速度是同類(lèi)示波器的10-50倍以上。抖動(dòng)為10e-12誤碼率時(shí)抖動(dòng)的峰峰值（即總體抖動(dòng)Tj）。
AC和DC共模電壓測(cè)量
這項(xiàng)測(cè)試需要PUT發(fā)送CP0碼流，測(cè)量差分信號(hào)的交流和直流共模電壓，在USB3.0 Specification Rev1.0中有要求（前者Vtx-ac-cm-pp <=0.1V，后者Vtx-dc-cm在0-2.2V之間），但是在USB3.0的兼容性測(cè)試規(guī)范CTS Rev0.9中未作要求。
差分電壓幅度和去加重測(cè)量
差分電壓擺幅測(cè)試的目的是驗(yàn)證信號(hào)峰峰值是否在0.8-1.2V之間。測(cè)試中PUT需要發(fā)送出測(cè)試碼型CP8，CP8由50-250個(gè)連續(xù)的1和50-250個(gè)連續(xù)的0重復(fù)交替組成，而且消除了去加重，其波形相當(dāng)于50-250分頻的時(shí)鐘。在這些測(cè)試中，把USB3.0測(cè)試夾具去嵌后測(cè)量結(jié)果更精確。
為了把5Gbps速率的數(shù)據(jù)傳送較遠(yuǎn)的距離，USB3.0的發(fā)送端使用了去加重技術(shù)，這項(xiàng)測(cè)試可以測(cè)量PUT的去加重程度是否滿(mǎn)足規(guī)范要求（要求在-3dB到-4dB之間）。測(cè)試時(shí)DUT發(fā)送出CP7碼流，CP7碼型由50-250個(gè)連續(xù)的1和50-250個(gè)連續(xù)的0重復(fù)交替組成，而且是添加了去加重的信號(hào)波形。在USB3.0的兼容性測(cè)試規(guī)范CTS Rev0.9中對(duì)差分電壓幅度和去加重測(cè)量未作要求。
誤碼與抖動(dòng)容限測(cè)試
由于USB3.0的速率高達(dá)5Gbps，在USB3.0規(guī)范中接收機(jī)測(cè)試成為必測(cè)項(xiàng)目。接收機(jī)測(cè)試包括了誤碼和抖動(dòng)容限測(cè)試兩部分。
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、MP3、U盤(pán)等外圍設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)，它使計(jì)算機(jī)與周邊設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)化。在USB1.1版本中支持兩種速率：全速12Mbps和低速1.5Mbps；而USB2.0中支持三種速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。在2002年Intel把USB2.0端口整合到了計(jì)算機(jī)的南橋芯片ICH4上，推動(dòng)了USB2.0的普及，目前除了鍵盤(pán)和鼠標(biāo)為低速設(shè)備外，絕大多數(shù)設(shè)備都是速率達(dá)480M的高速設(shè)備。
圖1：USB2.0與USB3.0的速度對(duì)比
盡管USB2.0的速度已經(jīng)相當(dāng)快，對(duì)于目前藍(lán)光DVD、高清視頻、TB級(jí)別的大容量硬盤(pán)的數(shù)據(jù)傳輸還是有些慢，于是，在2008年11月，HP、Intel、微軟、NEC、ST-NXP、TI聯(lián)合起來(lái)正式發(fā)布了USB3.0的V1.0規(guī)范。USB3.0又稱(chēng)為SuperSpeed USB，比特率高達(dá)5Gbps，相比目前USB2.0的480Mbps的速率，提高了10倍以上，如圖1所示：使用USB2.0拷貝25GB的文件需要14分鐘，而3.0只需70秒左右。 25GB，正好是單面單層藍(lán)光光盤(pán)的容量。USB3.0預(yù)計(jì)將在2011年逐漸在計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品上使用。
力科于2009年4月發(fā)布了USB3.0的物理層測(cè)試解決方案，包括了針對(duì)HOST/DEVICE的發(fā)送端（TX）測(cè)試和接收端（RX）測(cè)試、以及USB3.0電纜的TDR測(cè)試。對(duì)于USB3.0的TX測(cè)試，為了測(cè)量到5次諧波，需要帶寬12.5GHz以上的示波器，力科的SDA813Zi帶寬13GHz，采樣率40GSamples/s（最高可達(dá)80GS/s），配合USB3.0一致性測(cè)試軟件QualiPHY、眼圖醫(yī)生軟件和測(cè)試夾具（見(jiàn)圖2），可以快速完成USB3.0的發(fā)送端Compliance測(cè)試和調(diào)試分析。對(duì)于USB3.0的RX測(cè)試，力科的PeRT3是具備協(xié)議通信能力的誤碼率測(cè)試儀，可以完成USB3. 0的誤碼和抖動(dòng)容限測(cè)試。在USB3.0規(guī)范中要求同時(shí)測(cè)量TX和RX。
圖2：力科的USB3.0測(cè)試夾具
力科最新版本的一致性測(cè)試軟件QualiPHY-USB3是根據(jù)2009年11月發(fā)布的USB3.0的電氣兼容性測(cè)試規(guī)范Rev0.9版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）來(lái)開(kāi)發(fā)的，并且會(huì)隨著測(cè)試規(guī)范的更新而不斷更新，該軟件安裝在示波器上，示波器通過(guò)USB電纜連接到PeRT3，使用USB與PeRT3進(jìn)行通信，在測(cè)試中，QualiPHY軟件可以控制PeRT3發(fā)送特定的信號(hào)，或從PeRT3中讀取RX測(cè)試結(jié)果，這樣只需QualiPHY軟件即可完成TX和RX的所有測(cè)試。在QualiPHY-USB3測(cè)試軟件中，包括了以下測(cè)試項(xiàng)目：
1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號(hào)測(cè)量
2. SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測(cè)量
3. 抖動(dòng)與眼圖測(cè)量
4. AC和DC共模電壓測(cè)量
5. 差分電壓幅度與去加重測(cè)量
6. 誤碼測(cè)試與抖動(dòng)容限測(cè)量
LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號(hào)測(cè)量
測(cè)量了Polling.LFPS信令的電壓和時(shí)間參數(shù)，在USB3.0規(guī)范CTS Rev0.9中是必測(cè)項(xiàng)目。測(cè)試方法為：待測(cè)試產(chǎn)品（PUT）的端口上插入U(xiǎn)SB3.0夾具，夾具上的TX端通過(guò)同軸電纜連接到示波器的兩個(gè)通道，將PUT上電后，PUT會(huì)發(fā)送出Polling.LFPS信令，示波器捕獲后測(cè)量其水平或垂直參數(shù)。如圖3所示為L(zhǎng)FPS的信號(hào)特征。在力科一致性測(cè)試軟件中會(huì)分析脈沖的上升、下降時(shí)間、周期、占空比、峰峰值、共模電壓，以及脈沖串的突發(fā)持續(xù)時(shí)間（tBurst）和重復(fù)時(shí)間（tRepeat）。
圖3：LFPS信號(hào)的波形
SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測(cè)量SSC經(jīng)常使用在計(jì)算機(jī)主板的電路上，用于減小電磁輻射。在USB3.0中，需要測(cè)試擴(kuò)頻時(shí)鐘的調(diào)制頻率（SSC Modulate Rate）、頻偏最大值（SSC Deviation Max）和頻偏最小值（SSC Deviation Min），測(cè)試時(shí)PUT發(fā)送出CP1碼型的數(shù)據(jù)流（CP是Compliance Pattern的簡(jiǎn)寫(xiě)，在USB3的物理層測(cè)試中，各項(xiàng)測(cè)試需要不同的測(cè)試碼型）,CP1碼型為D10.2，即0101連續(xù)跳變的碼型，相當(dāng)于頻率2.5GHz的時(shí)鐘，規(guī)范要求擴(kuò)頻時(shí)鐘的調(diào)制頻率為30-33KHz之間，頻偏最小值在+/-300ppm之間，頻偏最大值在-5300ppm到-3700ppm直接。如圖4為力科示波器測(cè)量擴(kuò)頻時(shí)鐘的結(jié)果。SSC是CTS Rev0.9中是必測(cè)項(xiàng)目，跟USB3.0芯片輸入時(shí)鐘緊密相關(guān)，如果輸入時(shí)鐘的SSC不符合要求，通常USB3.0的輸出信號(hào)的SSC也無(wú)法通過(guò)測(cè)試。
圖4：擴(kuò)頻時(shí)鐘測(cè)試結(jié)果
在USB3.0的TX的眼圖和抖動(dòng)測(cè)試中，測(cè)量的是待測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)參考測(cè)試信道后TP1點(diǎn)的眼圖和抖動(dòng)。如圖5中的Reference test channel即為參考測(cè)試信道，在規(guī)范中定義了long channel、short channel和3米電纜三種參考測(cè)試信道。如果使用long channel或者較長(zhǎng)電纜，信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)衰減比較大，眼圖已經(jīng)閉合，USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡后，信號(hào)眼圖的質(zhì)量將大大改善，所以要求測(cè)試儀器分析出CTLE均衡器處理后信號(hào)的眼圖和抖動(dòng)。目前業(yè)界常用的是Intel的11英寸背板和3米USB電纜作為參考信道。
圖5：USB3.0的TX的眼圖測(cè)試點(diǎn)（來(lái)自USB3.0規(guī)范）
如圖6所示，左邊的眼圖是靠近TX近端測(cè)量到的眼圖；中間的眼圖是通過(guò)兼容性信道（參考測(cè)試信道）后測(cè)量的眼圖，可見(jiàn)眼圖的張開(kāi)程度較小，抖動(dòng)較大；右邊的眼圖是仿真CTLE均衡后的眼圖，可見(jiàn)眼高和抖動(dòng)都得到改善。圖6：USB3.0的Transmitter測(cè)試在近端、遠(yuǎn)端和均衡后的眼圖對(duì)比
AC和DC共模電壓測(cè)量
這項(xiàng)測(cè)試需要PUT發(fā)送CP0碼流，測(cè)量差分信號(hào)的交流和直流共模電壓，在USB3.0 Specification Rev1.0中有要求（前者Vtx-ac-cm-pp <=0.1V，后者Vtx-dc-cm在0-2.2V之間），但是在USB3.0的兼容性測(cè)試規(guī)范CTS Rev0.9中未作要求。
差分電壓幅度和去加重測(cè)量
差分電壓擺幅測(cè)試的目的是驗(yàn)證信號(hào)峰峰值是否在0.8-1.2V之間。測(cè)試中PUT需要發(fā)送出測(cè)試碼型CP8，CP8由50-250個(gè)連續(xù)的1和50-250個(gè)連續(xù)的0重復(fù)交替組成，而且消除了去加重，其波形相當(dāng)于50-250分頻的時(shí)鐘。在這些測(cè)試中，把USB3.0測(cè)試夾具去嵌后測(cè)量結(jié)果更精確。
為了把5Gbps速率的數(shù)據(jù)傳送較遠(yuǎn)的距離，USB3.0的發(fā)送端使用了去加重技術(shù)，這項(xiàng)測(cè)試可以測(cè)量PUT的去加重程度是否滿(mǎn)足規(guī)范要求（要求在-3dB到-4dB之間）。測(cè)試時(shí)DUT發(fā)送出CP7碼流，CP7碼型由50-250個(gè)連續(xù)的1和50-250個(gè)連續(xù)的0重復(fù)交替組成，而且是添加了去加重的信號(hào)波形。在USB3.0的兼容性測(cè)試規(guī)范CTS Rev0.9中對(duì)差分電壓幅度和去加重測(cè)量未作要求。
誤碼與抖動(dòng)容限測(cè)試
由于USB3.0的速率高達(dá)5Gbps，在USB3.0規(guī)范中接收機(jī)測(cè)試成為必測(cè)項(xiàng)目。接收機(jī)測(cè)試包括了誤碼和抖動(dòng)容限測(cè)試兩部分。
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