安泰測試給某實驗室提供方案—（一）USB3.0的物理層發送端測試方案

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安泰測試給某實驗室提供方案—（一）USB3.0的物理層發送端測試方案

Agitek小編今天帶您了解USB3.0物理層發送端測試方案。

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，從 2000年以后，支持 USB2.0 版本的計算機和設備已被廣泛使用，USB2.0 包括了三種速率：高速480Mbps、全速 12Mbps、低速 1.5Mbps。目前除了鍵盤和鼠標為低速設備外，大多數設備都是速率達 480M 的高速設備。

盡管 USB2.0 的速度已經相當快，對于目前高清視頻和動輒 GByte 的數據傳輸還是有些慢，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 Super Speed 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，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。”25GB，正好是單面單層藍光光盤的容量。USB3.0 預計將在 2010 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，能提供端到端的互操作測試和兼容性測試，包括了 Transmitter 測試、Receiver 測試、TDR 測試。此外，力科還提供了業界領先的 USB3.0 協議層測試方案。

USB3.0 的 Transmitter 測試

USB3.0的Transmitter 測試對于 USB3.0 的 Transmitter 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，可以快速完成 USB3.0 的發送端 Compliance 測試和調試分析。QualiPHY 軟件可以使 USB3.0 發送端的各項測試自動化，并生成多種格式的測試報告。在 QualiPHY 的 USB3.0 測試軟件中，包括差分電壓擺幅測試、去加重比值測試（De-emphasis ratio test）、眼圖和抖動測試、擴頻時鐘測試（Spread Spectrum Test），圖 1 所示為報告中的整體測試項目概覽，列出了測試項目對應的 Spec 的條目，測試項目的名稱，當前測試結果，測試判定條件等。

在發送端測試中，通常需要消除 USB3.0 的測試夾具引入的損耗和反射。如下圖 1 所示為 USB3.0 發送端測試示意圖：夾具插到待測試芯片的 USB 口，夾具上通過 PCB 的傳輸線 USB 口引出到 4 個 SMA 連接頭（USB3 的 TX 和 RX 各兩個），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、過孔、傳輸線等會使信號發生衰減、色散或者反射，導致示波器測量到的信號有所惡化。力科的眼圖醫生軟件包括了夾具去嵌功能，只需輸入夾具的 S 參數模型文件（可由 VNA 或者 TDR 測量得到），即可計算出沒有夾具時測量到的信號的波形與眼圖。如圖 2 左下部分所示為示波器測量的 USB3.0 信號去嵌后測量到的眼圖， 圖 1右下部分是示波器直接測量到的眼圖（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。從這個比較圖中可以看到力科的去嵌技術可以消除測試夾具的負面作用。使用夾具去嵌功能后，可以更加準確的測量電壓擺幅和去加重的比值。

差分電壓擺幅測試

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 Device Under Test（簡稱 DUT） 需要發送出測試碼型 CP8（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，USB3.0 規范中定義了各種測試碼流，USB3.0 的芯片廠商提供了軟件接口來配置其發送數據的碼型），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。

去加重比值測試

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 DUT 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。圖3為某USB3.0芯片的去加重測量結果，該芯片采用了-3.47dB的去加重。

眼圖與抖動測試

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。如下圖 4 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（CTLE 均衡器介紹見本文最后一部分），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。

如下 54 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。

眼圖和抖動測試中信號源需要發出特別的測試碼型，對于眼圖測試，需要 CP0 碼型（擾

碼的 D0.0），對于抖動測試，需要 CP0 碼流或者 CP1 碼流（D10.2），前者用于確定性抖動 Dj 的測量，后者用于隨機抖動 Rj 的測量。眼高必須從連續的 1 百萬個比特疊加的眼圖中測 量，力科 SDA813Zi 示波器完成 1 百萬比特的眼圖僅需 2 秒，速度是同類示波器的 10-50 倍以上。抖動為 10e-12 誤碼率時抖動的峰峰值（即總體抖動 Tj）。

擴頻時鐘測試（Spread Spectrum Clock Test）

擴頻時鐘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和頻偏，測試時DUT 發送出 CP1 碼型的數據流（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，頻偏在 0ppm 到-5000ppm 之間。如下圖 6 為力科示波器測量擴頻時鐘的結果。

USB3.0 使用的 CTLE 均衡器

Continuous Time Linear Equalization 均衡器（簡稱 CTLE）即連續時間線性均衡器，是一種常見的線性均衡器，在 USB3.0 芯片的接收端中使用了 CTLE 均衡器。USB3.0 的速度高達 5Gbps，當 USB 電纜較長時，RX 端眼圖很可能已閉合，這時分析眼圖與抖動是沒有意義的。使用力科眼圖醫生的 CTLE 均衡仿真后，對均衡后信號測量眼圖與抖動指標，可以精確的驗證其性能。結合力科的信道仿真功能，直接測量 USB3.0 的 TX，可以迅速評估不同的信道是否需要均衡或者均衡后信號的性能指標如何。

USB 的官方組織規定了 USB3.0 使用的 CTLE 均衡器的參數，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，下方是力科示波器中集成了 USB3.0 的均衡器參數，可方便調用。

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