剖析如何確保通過USB 3.0認(rèn)證的一些測(cè)試技巧和技術(shù)

雖然已經(jīng)有早期的USB3.0產(chǎn)品上市，但向超速（SuperSpeed）USB的大規(guī)模轉(zhuǎn)換還沒有開始。部分問題是USB 2.0已經(jīng)十分普及，生產(chǎn)成本非常低。高帶寬設(shè)備（如視頻攝像機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備）成為了SuperSpeed USB的第一批應(yīng)用對(duì)象。然而，至少目前為止，成本因素將USB 3.0實(shí)現(xiàn)仍限制用于較高端的產(chǎn)品。

除了廣泛部署任何 新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所面臨的固有挑戰(zhàn)外，USB 3.0不僅僅是USB 2.0的常規(guī)升級(jí)，因?yàn)閁SB 3.0可以提供10倍的性能提升。雖然性能提高了，但消費(fèi)者對(duì)低成本互連的期望一直沒有改變。這就給工程師帶來了巨大的壓力，他們只能使用速度低得多的通道，同時(shí)仍要在各種條件下確?？煽啃?、互操作性和高性能。確保物理層（PHY）一致性的測(cè)試和認(rèn)證從未有現(xiàn)在這么關(guān)鍵或重要。

USB 3.0共享許多其它高速串行技術(shù)（如PCI Express和串行ATA）的特性：8b/10b編碼、顯著的通道衰減以及擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘。本文將討論一致性測(cè)試方法，以及如何對(duì)發(fā)送端、接收端、電纜及互連實(shí)施最精確、可重復(fù)的測(cè)量。掌握這些技巧后，到SuperSpeed平臺(tái)集成實(shí)驗(yàn)室（PIL）的旅程也許會(huì)更精彩。

高速Vs.超速

USB 3.0可以滿足帶寬日益增加的需求，能夠支持應(yīng)用提供更加實(shí)時(shí)的體驗(yàn)。目前在用的USB設(shè)備數(shù)量估計(jì)超過10億，因此USB 3.0需要具有后向兼容功能，以支持傳統(tǒng)的USB 2.0設(shè)備。當(dāng)然，USB 2.0和3.0之間還有多個(gè)重要的PHY區(qū)別（表1）。

為了應(yīng)對(duì)與更高速度接口有關(guān)的新挑戰(zhàn)，SuperSpeed USB一致性測(cè)試已經(jīng)作出了很大的修改。USB 2.0接收端的驗(yàn)證包括接收端靈敏度測(cè)試。USB 2.0設(shè)備必須響應(yīng)150mV或150mV以上的測(cè)試包，同時(shí)忽略（抑制）低于100mV的信號(hào)。

另一方面，SuperSpeed USB接收端必須在有許多信號(hào)損傷的條件下還能正常工作，因此測(cè)試要求比USB 2.0更加嚴(yán)格。設(shè)計(jì)師還必須考慮傳輸線效應(yīng)，并且使用包括在發(fā)送端進(jìn)行去加重、在接收端進(jìn)行連續(xù)時(shí)間線性均衡（CTLE）在內(nèi)的均衡技術(shù)。如今還要求在接收側(cè)進(jìn)行抖動(dòng)容限測(cè)試，但使用擴(kuò)頻時(shí)鐘（SSC）和異步參考時(shí)鐘可能導(dǎo)致互操作性問題。

評(píng)估USB 3.0串行數(shù)據(jù)鏈路的另外一個(gè)重要部分是測(cè)量波形和互連通道行為之間的復(fù)雜交互。以下假設(shè)已經(jīng)不再成立：因?yàn)榘l(fā)送端輸出信號(hào)符合眼圖模板，所以在所有通道達(dá)到給定損耗條件下設(shè)計(jì)都能正常工作。為了理解在給定最差通道條件下發(fā)送端的余量，除了一致性要求外，你還需要建模通道和電纜的組合，并使用通道建模軟件分析通道效應(yīng)（圖1）。

發(fā)送端的一致性測(cè)試

發(fā)送端測(cè)試需要使用各種測(cè)試圖案（表2）。每種圖案的選擇依據(jù)是與評(píng)估圖案的測(cè)試有關(guān)的特征。CP0是一個(gè)D0.0擾碼序列，用于測(cè)量確定性抖動(dòng)（Dj），比如數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)抖動(dòng)（DDJ）。而CP1是一種無擾碼的D10.2全速時(shí)鐘圖案，不產(chǎn)生DDJ，因此更加適合用于評(píng)估隨機(jī)抖動(dòng)（RJ）。

抖動(dòng)和眼圖高度是在應(yīng)用均衡器函數(shù)和合適的時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)置（二階鎖相環(huán)或PLL，閉環(huán)帶寬是10MHz，阻尼系數(shù)為0.707）之后用100萬個(gè)連續(xù)單位間隔測(cè)量的。抖動(dòng)結(jié)果的計(jì)算方法是以1 x 10-12的誤碼率（BER）從測(cè)量數(shù)據(jù)總量中提取抖動(dòng)性能。例如，利用抖動(dòng)外推法，目標(biāo)RJ等于測(cè)量得到的RJ（rms）乘以14.069。

圖2顯示了標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)送端一致性測(cè)試裝置，其中包括參考測(cè)試通道和電纜。測(cè)試點(diǎn)2（TP2）最靠近被測(cè)設(shè)備（DUT），而測(cè)試點(diǎn)1（TP1）是遠(yuǎn)端測(cè)量點(diǎn)。所有發(fā)送端的常規(guī)化測(cè)量都是在TP點(diǎn)的信號(hào)上進(jìn)行的。

在TP1點(diǎn)采集到信號(hào)后，可以使用一款稱為SigTest的軟件工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，類似于正式的PCI Express一致性測(cè)試。對(duì)于要求預(yù)先一致性測(cè)試、表征或調(diào)試的應(yīng)用，還可以用其它工具深入觀察不同條件或參數(shù)下的設(shè)計(jì)行為。帶USB 3.0特定軟件的高速示波器可以提供自動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化PHY發(fā)送端測(cè)試。這些工具可以確保測(cè)試設(shè)備得到了正確配置，從而有效節(jié)省時(shí)間。

在測(cè)試完成后，一份詳細(xì)的通過/失敗測(cè)試報(bào)告將突出顯示可能存在設(shè)計(jì)問題的地方。如果在不同測(cè)試位置（例如公司實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試室）之間出現(xiàn)矛盾，應(yīng)該使用前次測(cè)試運(yùn)行時(shí)保存的數(shù)據(jù)再次執(zhí)行測(cè)試。

在要求進(jìn)一步分析的場(chǎng)合，可以用抖動(dòng)分析和眼圖分析軟件進(jìn)行查錯(cuò)和設(shè)計(jì)表征。例如，一次可以顯示多個(gè)眼圖，允許工程師分析不同的時(shí)鐘恢復(fù)技術(shù)或分析軟件通道模型的效果。另外，可以使用不同的濾波器分析SSC效應(yīng)，最終解決系統(tǒng)互操作性問題。

均衡考慮事項(xiàng)

由于有較大的通道衰減，SuperSpeed USB要求采用某種形式的補(bǔ)償機(jī)制來打開接收端的眼圖。發(fā)送端一般采用去加重形式的均衡技術(shù)。歸一化的去加重比率在線性刻度下規(guī)定為3.5dB或1.5x。舉例來說，當(dāng)跳變沿比特電平為150mVp-p時(shí)，非跳變沿比特電平將為100mVp-p。

CTLE一致性均衡實(shí)現(xiàn)包括裸片上的有源接收端均衡或無源高頻濾波器（比如電纜均衡器中使用的濾波器）。這種模型非常適合用于一致性測(cè)試，因?yàn)樵诿枋鲛D(zhuǎn)移函數(shù)時(shí)非常簡(jiǎn)單。CTLE實(shí)現(xiàn)在頻域有一組極點(diǎn)和零點(diǎn)，因此在目標(biāo)頻率處會(huì)出現(xiàn)峰值。

CTLE實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)而言更加簡(jiǎn)單，并且比替代性技術(shù)消耗更低的功率。然而，在某些情況下，由于適配性、精度和噪聲放大等方面的限制，它們可能還不夠。其它技術(shù)包括前饋均衡（FFE）和判定反饋均衡（DFE），這些技術(shù)使用經(jīng)比例因子加權(quán)的數(shù)據(jù)樣本來補(bǔ)償通道損耗。

CTLE和FFE都是線性均衡器，因此都會(huì)由于高頻噪聲的提升而出現(xiàn)信噪比的劣化。然而，DFE在反饋環(huán)路中使用非線性元件，因而能最大限度地減少噪聲放大，補(bǔ)償碼間干擾（ISI）。

圖3所示例子顯示了經(jīng)過顯著通道衰減后的5Gbit/s信號(hào)以及使用去加重、CTLE和DFE技術(shù)均衡過的信號(hào)。

USB 3.0接收端測(cè)試

USB 3.0接收端測(cè)試類似于其它高速串行總線接收端的一致性測(cè)試，一般分為三個(gè)階段，開始是受壓眼圖校準(zhǔn)，然后是抖動(dòng)容限測(cè)試，最后是分析。下面讓我們看看這個(gè)過程的流程圖（圖4）。

受壓眼圖校準(zhǔn)使用最糟糕信號(hào)，這個(gè)信號(hào)通常在垂直方向（通過增加的抖動(dòng)）和水平方向（通過將幅度設(shè)置為接收端在部署時(shí)能看到的最低值）都有損傷。當(dāng)任何測(cè)試夾具、電纜或儀器發(fā)生改變時(shí)都必須執(zhí)行受壓眼圖校準(zhǔn)。

抖動(dòng)容限測(cè)試將校準(zhǔn)后的受壓眼圖用作輸入，然后施加更高頻率帶來的附加正弦抖動(dòng)（SJ）。這種SJ將作用于接收端內(nèi)的時(shí)鐘恢復(fù)電路，因此不僅使用最差信號(hào)條件測(cè)試了接收端，而且時(shí)鐘恢復(fù)也得到了明確的測(cè)試。最后，通過分析評(píng)估測(cè)試完成后是否需要執(zhí)行額外的設(shè)計(jì)任務(wù)才能達(dá)到一致性。

受壓眼圖校準(zhǔn)過程首先要用一致性夾具、電纜和通道設(shè)置好測(cè)試設(shè)備（圖5）。下一步是反復(fù)測(cè)量和調(diào)整各種類型的外加應(yīng)力，如抖動(dòng)。校準(zhǔn)步驟執(zhí)行時(shí)不需要DUT，但需要一致性測(cè)試夾具、通道以及測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生的特定數(shù)據(jù)圖案。測(cè)試儀器應(yīng)能執(zhí)行兩種功能——能夠增加各種應(yīng)力的圖案發(fā)生功能，以及抖動(dòng)和眼圖測(cè)量等信號(hào)分析功能。

校準(zhǔn)受壓眼圖時(shí)必須完成三種損傷校準(zhǔn)：RJ、SJ和眼圖高度。每種校準(zhǔn)都要求對(duì)圖案發(fā)生器和分析儀進(jìn)行特定的設(shè)置。對(duì)每組電纜、適配器和儀器也必須做一次受壓眼圖校準(zhǔn)。

由于使用不同的適配器和參考通道組，主機(jī)和設(shè)備將經(jīng)過不同的受壓眼圖校準(zhǔn)過程。一旦完成后，校準(zhǔn)眼圖的設(shè)置可以重復(fù)使用，只有當(dāng)設(shè)備設(shè)置發(fā)生改變時(shí)才必須做再次校準(zhǔn)。

額外的圖案發(fā)生器要求

前面已經(jīng)介紹了要求校準(zhǔn)的全部事項(xiàng)，下面讓我們?cè)倏纯疵坎叫?zhǔn)對(duì)圖案發(fā)生器的附加要求，包括使用的數(shù)據(jù)圖案、去加重程度、SSC是否應(yīng)激活等。在受壓眼圖校準(zhǔn)方案中，列出了兩種圖案，即CP0和CP1。表3列出了所有的USB 3.0一致性圖案供參考。

CP0是一種8b/10b編碼、PRBS-16數(shù)據(jù)圖案（將D0.0字符送到USB 3.0發(fā)送端中進(jìn)行擾碼和編碼的結(jié)果）。經(jīng)過8b/10b編碼后，最長(zhǎng)的連1或連0長(zhǎng)度從PRBS-16圖案中的16比特減少到了5個(gè)比特。CP3是類似于8b/10b編碼過的PRBS-16的圖案，其中包含最短（單個(gè)比特）和最長(zhǎng)的相同比特序列。

CP1是用于RJ校準(zhǔn)的時(shí)鐘圖案。許多儀器在RJ測(cè)量時(shí)采用dual-Dirac隨機(jī)與確定性抖動(dòng)分離方法。使用時(shí)鐘圖案可以避免dual-Dirac方法的一些缺陷，例如將DDJ報(bào)告為RJ，特別是針對(duì)長(zhǎng)圖案。通過使用時(shí)鐘圖案，作為ISI結(jié)果的DDJ將從抖動(dòng)測(cè)量中消除，從而形成更精確的RJ測(cè)量結(jié)果。

在圖案發(fā)生器和分析儀之間的有損通道（即USB 3.0參考通道和電纜）將導(dǎo)致垂直和水平方向表現(xiàn)為眼圖關(guān)閉的頻率相關(guān)損耗（圖6）。為了解決這種損耗問題，需要使用發(fā)送端去加重技術(shù)提升信號(hào)中的高頻分量，從而使BER為10-12或更高的工作鏈路有足夠好的接收眼圖。

從這些眼圖可以看出，沒有去加重時(shí)所有幅度名義上都是相同的。采用去加重后，跳變沿比特的幅度要高于非跳變沿比特的幅度，從而有效提升了信號(hào)的高頻分量。

在通過有損通道和電纜后，沒有經(jīng)過去加重處理的信號(hào)將受到碼間干擾（ISI）的影響，眼圖開度要比經(jīng)過了去加重的信號(hào)小。同時(shí)，采用去加重的信號(hào)是全開的。從這里可以看出，去加重程度會(huì)影響ISI和DDJ的程度，進(jìn)而影響接收端的眼圖開度。

在同步數(shù)字系統(tǒng)（包括USB 3.0）中經(jīng)常使用SSC來減小電磁干擾（EMI）。如果不使用SSC，數(shù)字流頻譜中的載頻（即5Gbps）及其諧波處會(huì)出現(xiàn)大幅度的尖峰，并且有可能超過調(diào)整極限（圖7）。

為了防止出現(xiàn)這個(gè)問題，可以用SSC擴(kuò)展頻譜能量。在這個(gè)案例中載頻被一個(gè)三角波所調(diào)制。用于接收端測(cè)試的頻率“擴(kuò)展”量是5000ppm或25MHz，頻率調(diào)制周期為33kHz或每隔30μs，即三角波的一個(gè)周期。經(jīng)過SSC后，頻譜中的能量得到了擴(kuò)展，不會(huì)再有單個(gè)頻率破壞規(guī)范極限。

如前所述，USB 3.0中的接收側(cè)均衡可以改善被碼間干擾損傷的信號(hào)，這種碼間干擾是由于參考通道和電纜中的頻率相關(guān)損耗引起的。這種概念等同于去加重——通過信號(hào)處理方法提升信號(hào)中的高頻分量。

雖然設(shè)備或主機(jī)中的接收端均衡電路與具體實(shí)現(xiàn)有關(guān)，但USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)為一致性測(cè)試規(guī)定了CTLE（圖8）。這種CTLE必須在進(jìn)行一致性測(cè)試測(cè)量（都是針對(duì)發(fā)送端測(cè)試，在本例中是接收端受壓眼圖校準(zhǔn)）之前，由誤碼率測(cè)試儀（BERT）或示波器等參考接收端實(shí)現(xiàn)，并且通常采用軟件模擬的方式。

使用CTLE模擬進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量主要影響由信號(hào)處理方法引起的抖動(dòng)，即ISI。CTLE模擬不影響與數(shù)據(jù)圖案（如RJ和SJ）不相關(guān)的抖動(dòng)分量，雖然根據(jù)一致性測(cè)試規(guī)范（CTS）這兩種測(cè)量都要求使用CTLE。另一方面，眼圖高度會(huì)直接受到影響，因?yàn)镮SI影響測(cè)量。

抖動(dòng)測(cè)量時(shí)必須使用具有一致性抖動(dòng)轉(zhuǎn)移函數(shù)（JTF）的時(shí)鐘恢復(fù)“黃金PLL”，如圖9中的藍(lán)線所示。JTF表明了有多少抖動(dòng)從輸入信號(hào)轉(zhuǎn)移到下游分析儀。在本例中，-3dB截止頻率是4.9MHz。

在更低的SJ頻率（沿著JTF的傾斜部分，此處的PLL環(huán)路響應(yīng)是平坦的），恢復(fù)時(shí)鐘跟蹤數(shù)據(jù)信號(hào)上的抖動(dòng)。這樣，相對(duì)于時(shí)鐘的數(shù)據(jù)抖動(dòng)將按照J(rèn)FT得到衰減。在較高的SJ頻率點(diǎn)，JTF變平，PLL響應(yīng)向下傾斜，信號(hào)中的SJ部分被轉(zhuǎn)移到下游分析儀。除了受壓眼圖校準(zhǔn)期間的SJ外，所有測(cè)量都規(guī)定要使用一致性JTF。

一旦受壓眼圖完成校準(zhǔn)，接收端測(cè)試就可以開始了。USB 3.0與以前的USB 2.0不同，要求進(jìn)行BER測(cè)試。采用抖動(dòng)容限測(cè)試形式的BER測(cè)試僅是接收端測(cè)試要求的測(cè)試項(xiàng)目。抖動(dòng)容限測(cè)試使用最差輸入信號(hào)條件試驗(yàn)接收端（受壓眼圖的校準(zhǔn)見前面部分）。在受壓眼圖頂部，圍繞JTF的-3dB截止頻率且覆蓋一定頻率范圍的一系列SJ頻率和幅度被注入測(cè)試信號(hào)，同時(shí)由誤碼檢測(cè)器監(jiān)視接收端的錯(cuò)誤或比特誤碼，并計(jì)算BER。

本文小結(jié)

隨著USB 3.0開始走向主流，需要對(duì)發(fā)送端和接收端進(jìn)行成功的一致性和認(rèn)證測(cè)試，這是將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的關(guān)鍵。這些產(chǎn)品不僅要求能與其它USB 3.0設(shè)備一起工作，而且要滿足消費(fèi)者對(duì)各種條件下的性能和可靠性的期望值。

性能的急劇提高帶來了許多新的測(cè)試要求，也使得設(shè)計(jì)和認(rèn)證比前代標(biāo)準(zhǔn)更具挑戰(zhàn)性。幸運(yùn)的是，有一整套測(cè)試工具和資源可以用來協(xié)助SuperSpeed USB商標(biāo)認(rèn)證。

編輯：jq