安泰測(cè)試給某實(shí)驗(yàn)室提供方案—（一）USB3.0的物理層發(fā)送端測(cè)試方案

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安泰測(cè)試給某實(shí)驗(yàn)室提供方案—（一）USB3.0的物理層發(fā)送端測(cè)試方案

Agitek小編今天帶您了解USB3.0物理層發(fā)送端測(cè)試方案。

USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、MP3、U 盤等外圍設(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。”25GB，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

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 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。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。

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，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。

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)。

如下 54 所示，左邊的眼圖是靠近 TX 近端測(cè)量到的眼圖；中間的眼圖是通過兼容性信道（參考測(cè)試信道）后測(cè)量的眼圖，可見眼圖的張開程度較小，抖動(dòng)較大；右邊的眼圖是仿真 CTLE 均衡后的眼圖，可見眼高和抖動(dòng)都得到改善。

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 百萬個(gè)比特疊加的眼圖中測(cè) 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(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。

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