USB3.0的物理層接收端的測(cè)試方法 (完整版)
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盡管USB2.0的速度已經(jīng)相當(dāng)快，對(duì)于目前高清視頻和動(dòng)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(lái)正式發(fā)布了USB3.0的V1.0規(guī)范。USB3.0又稱為Super Speed 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，引用Intel專家Jeff Ravencraft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?！?5GB，正好是單面單層藍(lán)光光盤的容量。USB3.0預(yù)計(jì)將在2010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，能提供端到端的互操作測(cè)試和兼容性測(cè)試，包括了Transmitter測(cè)試、Receiver測(cè)試、TDR測(cè)試。此外，力科還提供了業(yè)界領(lǐng)先的USB3.0協(xié)議層測(cè)試方案。
USB3.0的Transmitter測(cè)試
對(duì)于USB3.0的Transmitter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，可以快速完成USB3.0的發(fā)送端Compliance測(cè)試和調(diào)試分析。
QualiPHY軟件可以使USB3.0發(fā)送端的各項(xiàng)測(cè)試自動(dòng)化，并生成多種格式的測(cè)試報(bào)告。在QualiPHY的USB3.0測(cè)試軟件中，包括差分電壓擺幅測(cè)試、去加重比值測(cè)試（De-emphasis ratio test）、眼圖和抖動(dòng)測(cè)試、擴(kuò)頻時(shí)鐘測(cè)試（Spread Spectrum Test），圖1所示為報(bào)告中的整體測(cè)試項(xiàng)目概覽，列出了測(cè)試項(xiàng)目對(duì)應(yīng)的Spec的條目，測(cè)試項(xiàng)目的名稱，當(dāng)前測(cè)試結(jié)果，測(cè)試判定條件等。
在發(fā)送端測(cè)試中，通常需要消除USB3.0的測(cè)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(cè)試示意圖：夾具插到待測(cè)試芯片的USB口，夾具上通過(guò)PCB的傳輸線USB口引出到4個(gè)SMA連接頭（USB3的TX和RX各兩個(gè)），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(guò)孔、傳輸線等會(huì)使信號(hào)發(fā)生衰減、色散或者反射，導(dǎo)致示波器測(cè)量到的信號(hào)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(cè)量得到），即可計(jì)算出沒(méi)有夾具時(shí)測(cè)量到的信號(hào)的波形與眼圖。
如圖2左下部分所示為示波器測(cè)量的USB3.0信號(hào)去嵌后測(cè)量到的眼圖，圖1右下部分是示波器直接測(cè)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(kāi)。從這個(gè)比較圖中可以看到力科的去嵌技術(shù)可以消除測(cè)試夾具的負(fù)面作用。使用夾具去嵌功能后，可以更加準(zhǔn)確的測(cè)量電壓擺幅和去加重的比值。
圖1: 力科一致性測(cè)試軟件QualiPHY產(chǎn)生的報(bào)告一部分
差分電壓擺幅測(cè)試
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Device Under Test（簡(jiǎn)稱DUT）需要發(fā)送出測(cè)試碼型CP8（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，USB3.0規(guī)范中定義了各種測(cè)試碼流，USB3.0的芯片廠商提供了軟件接口來(lái)配置其發(fā)送數(shù)據(jù)的碼型），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。
去加重比值測(cè)試
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(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。圖3為某USB3.0芯片的去加重測(cè)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(cè)量
眼圖與抖動(dòng)測(cè)試
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)。如下圖4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（CTLE均衡器介紹見(jiàn)本文最后一部分），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)。
圖4：USB3.0的TX的眼圖測(cè)試點(diǎn)（來(lái)自USB3.0規(guī)范）
如下圖5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5：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）。
擴(kuò)頻時(shí)鐘測(cè)試（Spread Spectrum Clock Test）
擴(kuò)頻時(shí)鐘經(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)制頻率和頻偏，測(cè)試時(shí)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(shí)鐘），規(guī)范要求擴(kuò)頻時(shí)鐘的調(diào)制頻率為30-33KHz之間，頻偏在0ppm到-5000ppm之間。如下圖6為力科示波器測(cè)量擴(kuò)頻時(shí)鐘的結(jié)果。
USB3.0使用的CTLE均衡器
Continuous Time Linear Equalization均衡器（簡(jiǎn)稱CTLE）即連續(xù)時(shí)間線性均衡器，是一種常見(jiàn)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(dá)5Gbps，當(dāng)USB電纜較長(zhǎng)時(shí)，RX端眼圖很可能已閉合，這時(shí)分析眼圖與抖動(dòng)是沒(méi)有意義的。使用力科眼圖醫(yī)生的CTLE均衡仿真后，對(duì)均衡后信號(hào)測(cè)量眼圖與抖動(dòng)指標(biāo)，可以精確的驗(yàn)證其性能。結(jié)合力科的信道仿真功能，直接測(cè)量USB3.0的TX，可以迅速評(píng)估不同的信道是否需要均衡或者均衡后信號(hào)的性能指標(biāo)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(yǔ)：本文簡(jiǎn)要介紹了力科測(cè)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(yàn)證經(jīng)過(guò)USB3.0電纜后遠(yuǎn)端的信號(hào)質(zhì)量，以及CTLE均衡器均衡后的眼圖和抖動(dòng)，幫助USB3.0開(kāi)發(fā)人員快速測(cè)試和驗(yàn)證USB3.0芯片和電路設(shè)計(jì)。力科第四代示波器SDA813Zi強(qiáng)大的眼圖和抖動(dòng)分析能力，可以快速的調(diào)試和分析USB3.0設(shè)計(jì)中的碰到的各種問(wèn)題。
評(píng)論