USB3.0的測試難點與物理層測試探討
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圖1：USB2.0與USB3.0的速度對比
USB3.0 的測試難點
目前在USB3.0的物理層測試中主要存在以下難點：
1. 發(fā)送端(TX)的全部測試需要不同的兼容性測試碼型(全部測試需要CP0/CP1/CP7/CP8)，而對于USB3.0的板級開發(fā)工程師來說，去配置 PUT發(fā)送出不同的測試碼型比較困難；
2. 接收端(RX)的測試需要讓待測試產(chǎn)品(PUT)進入環(huán)回(Loopback)模式，而板級開發(fā)工程師很難讓PUT的芯片進入環(huán)回模式來測試其誤碼和抖動容限；
3. TX和RX都是兼容性測試的必測項目，但是目前的測試方案需要多臺儀器，TX和RX的測試結果分別出現(xiàn)在兩臺儀器上，生成兩個獨立的測試報告，測試的配置和操作過程非常復雜，完成全部項目測量需要很長時間。
解決上述難點，可以考慮采用力科最新的USB3.0物理層測試方案。圖 8、9即為力科USB3.0的解決方案示意圖，測試儀器和附件由帶寬13GHz以上的示波器、PeRT3、RF Switch、USB3.0測試夾具等組成。
圖8：USB3.0的全自動測試原理示意圖
在TX測試時，信號的傳輸鏈路如圖8的上半部分所示，力科示波器通過USB電纜控制PeRT3，PeRT3通過同軸電纜向PUT的RX端發(fā)送Ping.LFPS，PUT的TX連接到示波器的通道。PeRT每發(fā)送一次 Ping.LFPS，則PUT的TX發(fā)送的碼型在CP0到CP8之間切換一次(比如從CP0變?yōu)镃P1，或從CP8變?yōu)镃P0)，這樣就無需測試人員去配置PUT發(fā)送不同的測試碼型。通過PeRT3，力科的QualiPHY軟件會自動控制PUT發(fā)送不同的測試碼型，完成TX的所有測試。
在RX測試時，示波器通過GPIB接口控制RF Switch切換到另一鏈路，如圖8下部分所示，PeRT3的碼型發(fā)生器輸出的加入抖動的信號先通過Compliance Test Channel(由Intel的11英寸背板和3米USB3.0電纜組成)，然后連接到USB3夾具，進入PUT的RX端，PUT的TX端通過夾具，把信號發(fā)送給PeRT3的Error Dector端。
圖2：力科的USB3.0測試夾具
由于示波器通過USB電纜控制PeRT并讀取PeRT的測試結果，并通過GPIB控制RF Switch在鏈路間自動切換，因此USB3.0的TX和RX測試完全實現(xiàn)自動化，無需人工干預，操作步驟非常簡單，節(jié)省了測試時間。
USB3.0 物理層測試內容
本文以力科最新版本的一致性測試軟件QualiPHY-USB3對USB 3.0的物理層測試內容進行分析。該軟件根據(jù)2009年11月發(fā)布的USB3.0的電氣兼容性測試規(guī)范Rev0.9版本開發(fā)，安裝在示波器上，示波器通過 USB電纜連接到PeRT3，使用USB與PeRT3進行通信，在測試中，QualiPHY軟件可以控制PeRT3發(fā)送特定的信號，或從PeRT3中讀取 RX測試結果，這樣只需QualiPHY軟件即可完成TX和RX的所有測試。在QualiPHY-USB3測試軟件中，包括了以下測試項目：
LFPS(Low Frequency Periodic Signaling)信號測量
測量Polling.LFPS信令的電壓和時間參數(shù)，這在 USB3.0規(guī)范CTS Rev0.9中是必測項目。測試方法為：待測試產(chǎn)品(PUT)的端口上插入USB3.0夾具，夾具上的TX端通過同軸電纜連接到示波器的兩個通道，將 PUT上電后，PUT會發(fā)送出Polling.LFPS信令，示波器捕獲后測量其水平或垂直參數(shù)。如圖3所示為LFPS的信號特征。在力科一致性測試軟件中會分析脈沖的上升、下降時間、周期、占空比、峰峰值、共模電壓，以及脈沖串的突發(fā)持續(xù)時間(tBurst)和重復時間(tRepeat)。
圖3：LFPS信號的波形
SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測量
SSC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制頻率(SSC Modulate Rate)、頻偏最大值(SSC Deviation Max)和頻偏最小值(SSC Deviation Min），測試時PUT發(fā)送出CP1碼型的數(shù)據(jù)流(CP是Compliance Pattern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)，CP1碼型為D10.2，即0101連續(xù)跳變的碼型，相當于頻率 2.5GHz的時鐘，規(guī)范要求擴頻時鐘的調制頻率為30-33KHz之間，頻偏最小值在+/-300ppm之間，頻偏最大值在-5300ppm到 -3700ppm之間。圖4為力科示波器測量擴頻時鐘的結果。SSC在CTS Rev0.9中是必測項目，跟USB3.0芯片輸入時鐘緊密相關，如果輸入時鐘的SSC不符合要求，通常USB3.0輸出信號的SSC也無法通過測試。
圖4：擴頻時鐘測試結果
抖動與眼圖測量
在USB3.0的TX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。如圖5中的Reference test channel即為參考測試信道，在規(guī)范中定義了long channel、short channel和3米電纜三種參考測試信道。如果使用long channel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，信號眼圖的質量將大大改善，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。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。
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