USB3.0的物理層接收端的測(cè)試方法 (完整版)

USB3.0的物理層接收端的測(cè)試方法 (完整版)

USB3.0的Receiver測(cè)試的兩種方法

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)試包括了誤碼率測(cè)試和接收機(jī)抖動(dòng)容限測(cè)試兩部分。

對(duì)于Receiver Compliance測(cè)試，需要使用誤碼率測(cè)試儀BERT（Bit Error Ratio Tester，簡(jiǎn)稱(chēng)BERT），比如力科的PeRT3。BERT由Pattern Generator和Error Detector組成。如下圖1左圖所示為傳統(tǒng)的BER測(cè)試和抖動(dòng)容限測(cè)試的示意圖。BERT的Pattern Generator發(fā)送出特定的測(cè)試碼流，碼流中添加了定量的抖動(dòng)，通過(guò)參考測(cè)試信道后到達(dá)待測(cè)試芯片（DUT）的RX端，DUT設(shè)置為retimed loopback模式（重定時(shí)自環(huán)模式），將接收到的數(shù)據(jù)從芯片的TX端發(fā)送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的碼流和發(fā)送的碼流，對(duì)錯(cuò)誤的比特計(jì)數(shù)，得到誤碼率。調(diào)節(jié)Pattern Generator輸出碼流在各種頻段的抖動(dòng)值，并測(cè)試誤碼率，可以得到DUT的抖動(dòng)容限。

對(duì)于USB3.0的接收機(jī)測(cè)試還可以使用另一種方法：即Loopback BERT Method。如下圖1的右圖所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT發(fā)送出的已知的測(cè)試碼流，對(duì)接收到的誤碼計(jì)數(shù)，誤碼數(shù)量存入誤碼寄存器（如下圖1的Error Register），LeCroy PeRT3直接讀取誤碼寄存器，得到誤碼率和抖動(dòng)容限測(cè)試結(jié)果。

兩種測(cè)試方法對(duì)比，前者是串行信號(hào)接收端測(cè)試通常使用的傳統(tǒng)方法，其誤碼判定在BERT端，即在DUT的外部進(jìn)行BER測(cè)試；后者是USB3.0芯片接收端直接測(cè)量誤碼率，測(cè)試儀器讀取待測(cè)試芯片的誤碼寄存器來(lái)了解誤碼值，即DUT內(nèi)部進(jìn)行BER測(cè)量。力科的PeRT3同時(shí)支持以上兩種測(cè)試方法。

力科的接收機(jī)測(cè)試方案——PeRT3

PeRT3是Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester的簡(jiǎn)寫(xiě)（如下圖2所示）。首先具備了BERT的Pattern Generator和Error Detector功能，可以對(duì)輸入信號(hào)注入不同頻段的隨機(jī)抖動(dòng)和固有抖動(dòng)，而且獨(dú)有的協(xié)議層分析能力可以對(duì)DUT進(jìn)行初始化和遙控，控制其進(jìn)入或退出環(huán)回模式，使接收機(jī)測(cè)試更加方便和快捷，還可以測(cè)量Frame Error Rate，并識(shí)別和記錄協(xié)議層的錯(cuò)誤。

對(duì)于USB3.0的接收端測(cè)試，需要配置PeRT3和實(shí)時(shí)示波器SDA813Zi，SDA813Zi用于校準(zhǔn)PeRT3的碼型發(fā)生器輸出信號(hào)的幅度和抖動(dòng)等指標(biāo)。

在接收機(jī)測(cè)試中，碼型發(fā)生器和待測(cè)試芯片的擴(kuò)頻時(shí)鐘功能（SSC）都打開(kāi)，輸出信號(hào)的特征需滿(mǎn)足下圖3所示：信號(hào)的峰峰值大于750毫伏，-3dB的去加重，隨機(jī)抖動(dòng)的RMS值為0.0121UI（Unit Interval的簡(jiǎn)稱(chēng)，即1個(gè)比特的時(shí)間），即0.0121*200ps = 2.42ps，添加的正弦抖動(dòng)的頻率為500kHz、1MHz、2MHz、4.9MHz、50MHz，其對(duì)應(yīng)的抖動(dòng)峰峰值為2UI、1UI、0.5UI、0.2UI、0.2UI。要求在添加了上述數(shù)量的隨機(jī)抖動(dòng)和正弦抖動(dòng)后誤碼率小于 。其中，頻率低于500KHz的抖動(dòng)大于2個(gè)比特，說(shuō)明USB3.0芯片的接收端需具備較強(qiáng)的抖動(dòng)過(guò)濾能力，因?yàn)槎鄶?shù)開(kāi)關(guān)電源工作在這個(gè)頻段。




圖3：接收機(jī)抖動(dòng)容限測(cè)試的參數(shù)設(shè)置（BER=? ）

碼型發(fā)生器輸出信號(hào)的幅度、去加重和抖動(dòng)參數(shù)在圖3中的TP1點(diǎn)用示波器SDA813Zi測(cè)量并校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后連接參考測(cè)試信道和電纜，通過(guò)USB3.0夾具連接到DUT的RX，DUT的TX連接到PeRT3的Error Detector。

推薦的測(cè)試碼流是擾碼后的D0.0，對(duì)于USB3.0的誤碼率為 測(cè)試，一次需要大概10分鐘，而規(guī)范要求測(cè)量加入5個(gè)頻率正弦抖動(dòng)時(shí)的誤碼，所以完成5個(gè)頻點(diǎn)的測(cè)試需要50分鐘，非常耗時(shí)。為了加快測(cè)試與驗(yàn)證速度，在USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5中提出一種快速測(cè)量接收機(jī)BER的方法，即加大各頻點(diǎn)的固有抖動(dòng)數(shù)值后，只測(cè)量到誤碼率= ，這樣只需30秒即可完成5個(gè)頻點(diǎn)的抖動(dòng)容限測(cè)試。如圖4所示為誤碼率= 的抖動(dòng)容限測(cè)試參數(shù)。

圖4：接收機(jī)抖動(dòng)容限測(cè)試的參數(shù)設(shè)置（BER= ）

力科PeRT3可以自動(dòng)測(cè)量多個(gè)頻點(diǎn)下的抖動(dòng)容限和誤碼率，如下圖5所示為某USB3.0芯片的抖動(dòng)容限測(cè)試結(jié)果，橫軸為頻率，縱軸為該頻點(diǎn)的抖動(dòng)幅度，黑線為USB3.0規(guī)范要求的抖動(dòng)容限，紅點(diǎn)為出現(xiàn)誤碼的正弦抖動(dòng)的幅度，由于紅點(diǎn)都在黑線之上，說(shuō)明該芯片接收端的抖動(dòng)容限滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖5：某USB3.0芯片接收機(jī)測(cè)試結(jié)果

結(jié)語(yǔ)：本文簡(jiǎn)要介紹了力科測(cè)試USB3.0的接收端的解決方案。力科的PeRT3結(jié)合了誤碼率測(cè)試儀和協(xié)議分析儀兩種功能，可以快速驗(yàn)證USB3.0芯片的接收端抖動(dòng)容限和誤碼率，配合力科第四代示波器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。


圖6：力科的USB3.0的發(fā)送端和接收端測(cè)試系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)
1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0.
2, USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5.
3, LeCroy USB3.0 Datasheet.

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，從2000年以后，支持USB2.0版本的計(jì)算機(jī)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(pán)和鼠標(biāo)為低速設(shè)備外，大多數(shù)設(shè)備都是速率達(dá)480M的高速設(shè)備。

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(chēng)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(zhuān)家Jeff Ravencraft的話(huà)：“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(pán)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(chēng)，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(chēng)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(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。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(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）。

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(chēng)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。

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