- USB3.0的物理層測試內容和測試難點
- TX測試通過USB電纜控制PeRT3并讀取測試結果
- RX測試通過GPIB接口控制RF Switch切換到另一鏈路
USB簡介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤、鼠標、打印機、掃描儀、數碼相機、MP3、U盤等外圍設備連接到計算機，它使計算機與周邊設備的接口標準化。在USB1.1版本中支持兩種速率：全速12Mbps和低速1.5Mbps；而USB2.0中支持三種速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。在2002年Intel把USB2.0端口整合到了計算機的南橋芯片ICH4上，推動了USB2.0的普及，目前除了鍵盤和鼠標為低速設備外，絕大多數設備都是速率達480M的高速設備。
圖1：USB2.0與USB3.0的速度對比
盡管USB2.0的速度已經相當快，對于目前藍光DVD、高清視頻、TB級別的大容量硬盤的數據傳輸還是有些慢，于是，在2008年11月，HP、Intel、微軟、NEC、ST-NXP、TI聯合起來正式發布了USB3.0的V1.0規范。USB3.0又稱為SuperSpeed USB，比特率高達5Gbps，相比目前USB2.0的480Mbps的速率，提高了10倍以上，如圖1所示：使用USB2.0拷貝25GB的文件需要14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預計將在2011年逐漸在計算機和消費電子產品上使用。
力科于2009年4月發布了USB3.0的物理層測試解決方案，包括了針對HOST/DEVICE的發送端（TX）測試和接收端（RX）測試、以及USB3.0電纜的TDR測試。對于USB3.0的TX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、眼圖醫生軟件和測試夾具（見圖2），可以快速完成USB3.0的發送端Compliance測試和調試分析。對于USB3.0的RX測試，力科的PeRT3是具備協議通信能力的誤碼率測試儀，可以完成USB3. 0的誤碼和抖動容限測試。在USB3.0規范中要求同時測量TX和RX。
圖2：力科的USB3.0測試夾具
力科最新版本的一致性測試軟件QualiPHY-USB3是根據2009年11月發布的USB3.0的電氣兼容性測試規范Rev0.9版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）來開發的，并且會隨著測試規范的更新而不斷更新，該軟件安裝在示波器上，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：
1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號測量
2. SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測量
3. 抖動與眼圖測量
4. AC和DC共模電壓測量
5. 差分電壓幅度與去加重測量
6. 誤碼測試與抖動容限測量
LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號測量
測量了Polling.LFPS信令的電壓和時間參數，在USB3.0規范CTS Rev0.9中是必測項目。測試方法為：待測試產品（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會發送出Polling.LFPS信令，示波器捕獲后測量其水平或垂直參數。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，以及脈沖串的突發持續時間（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發送出CP1碼型的數據流（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連續跳變的碼型，相當于頻率2.5GHz的時鐘，規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直接。如圖4為力科示波器測量擴頻時鐘的結果。SSC是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的輸出信號的SSC也無法通過測試。
圖4：擴頻時鐘測試結果
在USB3.0的TX的眼圖和抖動測試中，測量的是待測試信號經過參考測試信道后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。目前業界常用的是Intel的11英寸背板和3米USB電纜作為參考信道。
圖5：USB3.0的TX的眼圖測試點（來自USB3.0規范）
如圖6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6：USB3.0的Transmitter測試在近端、遠端和均衡后的眼圖對比
AC和DC共模電壓測量
這項測試需要PUT發送CP0碼流，測量差分信號的交流和直流共模電壓，在USB3.0 Specification Rev1.0中有要求（前者Vtx-ac-cm-pp <=0.1V，后者Vtx-dc-cm在0-2.2V之間），但是在USB3.0的兼容性測試規范CTS Rev0.9中未作要求。
差分電壓幅度和去加重測量
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PUT需要發送出測試碼型CP8，CP8由50-250個連續的1和50-250個連續的0重復交替組成，而且消除了去加重，其波形相當于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果更精確。
為了把5Gbps速率的數據傳送較遠的距離，USB3.0的發送端使用了去加重技術，這項測試可以測量PUT的去加重程度是否滿足規范要求（要求在-3dB到-4dB之間）。測試時DUT發送出CP7碼流，CP7碼型由50-250個連續的1和50-250個連續的0重復交替組成，而且是添加了去加重的信號波形。在USB3.0的兼容性測試規范CTS Rev0.9中對差分電壓幅度和去加重測量未作要求。
誤碼與抖動容限測試
由于USB3.0的速率高達5Gbps，在USB3.0規范中接收機測試成為必測項目。接收機測試包括了誤碼和抖動容限測試兩部分。
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對于Receiver Compliance測試，需要使用誤碼率測試儀BERT（Bit Error Ratio Tester，簡稱BERT），比如力科的PeRT3。BERT由Pattern Generator和Error Detector組成。如下圖7左圖所示為傳統的BER測試和抖動容限測試的示意圖。
BERT的Pattern Generator發送出特定的測試碼流，碼流中添加了定量的抖動，通過參考測試信道后到達待測試芯片（DUT）的RX端，DUT設置為retimed loopback模式（重定時自環模式），將接收到的數據從芯片的TX端發送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的碼流和發送的碼流，對錯誤的比特計數，得到誤碼率。調節Pattern Generator輸出碼流在各種頻段的抖動值，并測試誤碼率，可以得到DUT的抖動容限。
對于USB3.0的接收機測試還可以使用另一種方法：即Loopback BERT Method。如下圖7的右圖所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT發送出的已知的測試碼流，對接收到的誤碼計數，誤碼數量存入誤碼寄存器（如下圖7的Error Register），LeCroy PeRT3直接讀取誤碼寄存器，得到誤碼率和抖動容限測試結果。
圖7：USB3.0的兩種誤碼測試和抖動容限測試方法示意圖
USB3.0的測試難點與力科的解決方案
目前在USB3.0的物理層測試中，通常存在以下難點
1. 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），對于USB3.0的板級開發工程師去配置PUT發送出不同的測試碼型比較困難。
2. RX的測試需要讓PUT進入Loopback模式，板級開發工程師很難讓PUT的芯片進入環回模式，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A公司的測試方案需要多臺儀器，TX和RX的測試結果分別在兩臺儀器上，生成了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。
在2009年11月力科更新了USB3.0的物理層測試方案，可以全自動的完成兼容性測試的所有項目，解決了上述三個難點。如下圖8、9所示力科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測試夾具等等組成。
圖8：USB3.0的全自動測試原理示意圖
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，把信號發送給PeRT3的Error Dector端。
由于示波器通過USB電纜控制PeRT和并讀取PeRT的測試結果，并通過GPIB控制RF Switch在鏈路間自動切換，這樣，USB3.0的TX和RX測試完全自動化，無需人工干預，操作步驟非常簡單，節省了測試時間。
圖9：力科USB3.0的物理層測試解決方案
本文簡要介紹了USB3.0的物理層測試內容和測試難點。力科的一致性測試軟件QualiPHY-USB3.0可以控制示波器、誤碼率測試儀PeRT3，快捷的、全自動的測量USB3.0的所有測試項目，大大的簡化了工程師的測試與調試時間，是業內最全面和 快捷的測試解決方案。
參考文獻
1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0.
2, Electrical Compliance Test Specification Rev0.9, SuperSpeed USB.
3, LeCroy USB3.0 Datasheet.
