USB3.0的物理層接收端的測試方法（二）

USB簡介

USB(UniversalSerialBus)即通用串行總線，用于把鍵盤、鼠標、打印機、掃描儀、數(shù)碼相機、MP3、U盤等外圍設(shè)備連接到計算機，它使計算機與周邊設(shè)備的接口標準化，從2000年以后，支持USB2.0版本的計算機和設(shè)備已被廣泛使用，USB2.0包括了三種速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。目前除了鍵盤和鼠標為低速設(shè)備外，大多數(shù)設(shè)備都是速率達480M的高速設(shè)備。

盡管USB2.0的速度已經(jīng)相當(dāng)快，對于目前高清視頻和動輒GByte的數(shù)據(jù)傳輸還是有些慢，在2008年11月，HP、Intel、微軟、NEC、ST-NXP、TI聯(lián)合起來正式發(fā)布了USB3.0的V1.0規(guī)范。USB3.0又稱為SuperSpeedUSB，比特率高達5Gbps，相比目前USB2.0的480Mbps的速率，提高了10倍以上，引用Intel專家JeffRavencraft的話：“以25GB的文件傳輸為例，USB2.0需要13.9分鐘，而3.0只需70秒左右。”25GB，正好是單面單層藍光光盤的容量。USB3.0預(yù)計將在2010年逐漸在計算機和消費電子產(chǎn)品上使用。

力科于2009年4月發(fā)布了USB3.0的物理層測試解決方案，能提供端到端的互操作測試和兼容性測試，包括了Transmitter測試、Receiver測試、TDR測試。此外，力科還提供了業(yè)界領(lǐng)先的USB3.0協(xié)議層測試方案。

USB3.0的Transmitter測試

對于USB3.0的Transmitter測試，為了測量到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80GS/s)，配合USB3.0一致性測試軟件QualiPHY、眼圖醫(yī)生軟件和測試夾具，可以快速完成USB3.0的發(fā)送端Compliance測試和調(diào)試分析。

QualiPHY軟件可以使USB3.0發(fā)送端的各項測試自動化，并生成多種格式的測試報告。在QualiPHY的USB3.0測試軟件中，包括差分電壓擺幅測試、去加重比值測試(De-emphasisratiotest)、眼圖和抖動測試、擴頻時鐘測試(SpreadSpectrumTest)，圖1所示為報告中的整體測試項目概覽，列出了測試項目對應(yīng)的Spec的條目，測試項目的名稱，當(dāng)前測試結(jié)果，測試判定條件等。

在發(fā)送端測試中，通常需要消除USB3.0的測試夾具引入的損耗和反射。如下圖1所示為USB3.0發(fā)送端測試示意圖：夾具插到待測試芯片的USB口，夾具上通過PCB的傳輸線USB口引出到4個SMA連接頭(USB3的TX和RX各兩個)，然后用SMA接口的同軸電纜連接到示波器。由于夾具上的連接器、過孔、傳輸線等會使信號發(fā)生衰減、色散或者反射，導(dǎo)致示波器測量到的信號有所惡化。力科的眼圖醫(yī)生軟件包括了夾具去嵌功能，只需輸入夾具的S參數(shù)模型文件(可由VNA或者TDR測量得到)，即可計算出沒有夾具時測量到的信號的波形與眼圖。

如圖2左下部分所示為示波器測量的USB3.0信號去嵌后測量到的眼圖，圖1右下部分是示波器直接測量到的眼圖(即未作夾具去嵌的眼圖)，相比后者，前者的上升下降沿更陡峭，眼輪廓清晰，眼張得更開。從這個比較圖中可以看到力科的去嵌技術(shù)可以消除測試夾具的負面作用。使用夾具去嵌功能后，可以更加準確的測量電壓擺幅和去加重的比值。

圖1:力科一致性測試軟件QualiPHY產(chǎn)生的報告一部分

差分電壓擺幅測試

差分電壓擺幅測試的目的是驗證信號峰峰值是否在0.8-1.2V之間。測試中DeviceUnderTest(簡稱DUT)需要發(fā)送出測試碼型CP8(CP是CompliancePattern的簡寫，在USB3的物理層測試中，各項測試需要不同的測試碼型，USB3.0規(guī)范中定義了各種測試碼流，USB3.0的芯片廠商提供了軟件接口來配置其發(fā)送數(shù)據(jù)的碼型)，CP8由50-250個連續(xù)的1和50-250個連續(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分頻的時鐘。在這些測試中，把USB3.0測試夾具去嵌后測量結(jié)果更精確。

去加重比值測試

為了把5Gbps速率的數(shù)據(jù)傳送較遠的距離，USB3.0的發(fā)送端使用了去加重技術(shù)，這項測試可以測量DUT的去加重程度是否滿足規(guī)范要求(要求在-3dB到-4dB之間)。測試時DUT發(fā)送出CP7碼流，CP7碼型由50-250個連續(xù)的1和50-250個連續(xù)的0重復(fù)交替組成，而且是添加了去加重的信號波形。圖3為某USB3.0芯片的去加重測量結(jié)果，該芯片采用了-3.47dB的去加重。

圖3：某USB3.0芯片的去加重比值測量

眼圖與抖動測試

在USB3.0的TX的眼圖和抖動測試中，測量的是待測試信號經(jīng)過參考測試信道后TP1點的眼圖和抖動。如下圖4中的Referencetestchannel即為參考測試信道，在規(guī)范中定義了longchannel、shortchannel和3米電纜三種參考測試信道。如果使用longchannel或者較長電纜，信號到達接收端時衰減比較大，眼圖已經(jīng)閉合，USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器對信號進行均衡后(CTLE均衡器介紹見本文最后一部分)，信號眼圖的質(zhì)量將大大改善，所以要求測試儀器分析出CTLE均衡器處理后信號的眼圖和抖動。

圖4：USB3.0的TX的眼圖測試點(來自USB3.0規(guī)范)

如下圖5所示，左邊的眼圖是靠近TX近端測量到的眼圖;中間的眼圖是通過兼容性信道(參考測試信道)后測量的眼圖，可見眼圖的張開程度較小，抖動較大;右邊的眼圖是仿真CTLE均衡后的眼圖，可見眼高和抖動都得到改善。

圖5：USB3.0的Transmitter測試在近端、遠端和均衡后的眼圖對比

眼圖和抖動測試中信號源需要發(fā)出特別的測試碼型，對于眼圖測試，需要CP0碼型(擾碼的D0.0)，對于抖動測試，需要CP0碼流或者CP1碼流(D10.2)，前者用于確定性抖動Dj的測量，后者用于隨機抖動Rj的測量。眼高必須從連續(xù)的1百萬個比特疊加的眼圖中測量，力科SDA813Zi示波器完成1百萬比特的眼圖僅需2秒，速度是同類示波器的10-50倍以上。抖動為10e-12誤碼率時抖動的峰峰值(即總體抖動Tj)。

擴頻時鐘測試(SpreadSpectrumClockTest)

擴頻時鐘經(jīng)常使用在計算機主板的電路上，用于減小電磁輻射。在USB3.0中，需要測試擴頻時鐘的調(diào)制頻率和頻偏，測試時DUT發(fā)送出CP1碼型的數(shù)據(jù)流(CP1碼型為D10.2，即0101連續(xù)跳變的碼型，相當(dāng)于頻率2.5GHz的時鐘)，規(guī)范要求擴頻時鐘的調(diào)制頻率為30-33KHz之間，頻偏在0ppm到-5000ppm之間。如下圖6為力科示波器測量擴頻時鐘的結(jié)果。

USB3.0使用的CTLE均衡器

ContinuousTimeLinearEqualization均衡器(簡稱CTLE)即連續(xù)時間線性均衡器，是一種常見的線性均衡器，在USB3.0芯片的接收端中使用了CTLE均衡器。USB3.0的速度高達5Gbps，當(dāng)USB電纜較長時，RX端眼圖很可能已閉合，這時分析眼圖與抖動是沒有意義的。使用力科眼圖醫(yī)生的CTLE均衡仿真后，對均衡后信號測量眼圖與抖動指標，可以精確的驗證其性能。結(jié)合力科的信道仿真功能，直接測量USB3.0的TX，可以迅速評估不同的信道是否需要均衡或者均衡后信號的性能指標如何。

USB的官方組織規(guī)定了USB3.0使用的CTLE均衡器的參數(shù)，如下圖7左上部分為均衡器的頻響，右上方的表格是均衡器的參數(shù)，下方是力科示波器中集成了USB3.0的均衡器參數(shù)，可方便調(diào)用。

結(jié)語：本文簡要介紹了力科測試USB3.0的發(fā)送端的解決方案。力科的眼圖醫(yī)生軟件可以快速驗證經(jīng)過USB3.0電纜后遠端的信號質(zhì)量，以及CTLE均衡器均衡后的眼圖和抖動，幫助USB3.0開發(fā)人員快速測試和驗證USB3.0芯片和電路設(shè)計。力科第四代示波器SDA813Zi強大的眼圖和抖動分析能力，可以快速的調(diào)試和分析USB3.0設(shè)計中的碰到的各種問題。

參考文獻

1,UniversalSerialBus3.0Specification,Revision1.0