2002年Intel將USB2.0端口整合到計算機(jī)南橋芯片ICH4上的舉動，推動了USB2.0的普及。USB2.0版本支持三種速率：高速 480Mbps、全速12Mbps以及低速1.5Mbps。隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，480Mbps對于藍(lán)光DVD、高清視頻、TB級別大容量硬盤的數(shù)據(jù)傳輸而言已經(jīng)稍顯不足，于是在2008年11月，HP、Intel、微軟、NEC、ST-NXP、TI等公司聯(lián)合起來正式發(fā)布了USB3.0的V1.0規(guī)范。USB3.0又稱為SuperSpeed USB，比特率高達(dá)5Gbps，如圖1所示，使用USB2.0拷貝25GB的文件需要14分鐘，3.0卻只需70秒左右，而25GB恰好是單面單層藍(lán)光光盤的容量。USB3.0預(yù)計將在2011年逐步在計算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品中亮相，因此目前就USB 3.0的測試問題展開討論十分必要。本文在介紹USB 3.0測試難點以及力科解決方案的同時，也將就USB3.0的物理層測試內(nèi)容進(jìn)行重點討論。
圖1：USB2.0與USB3.0的速度對比 USB3.0 的測試難點 目前在USB3.0的物理層測試中主要存在以下難點： 1. 發(fā)送端(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)，而對于USB3.0的板級開發(fā)工程師來說，去配置 PUT發(fā)送出不同的測試碼型比較困難； 2. 接收端(RX)的測試需要讓待測試產(chǎn)品(PUT)進(jìn)入環(huán)回(Loopback)模式，而板級開發(fā)工程師很難讓PUT的芯片進(jìn)入環(huán)回模式來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，但是目前的測試方案需要多臺儀器，TX和RX的測試結(jié)果分別出現(xiàn)在兩臺儀器上，生成兩個獨立的測試報告，測試的配置和操作過程非常復(fù)雜，完成全部項目測量需要很長時間。 解決上述難點，可以考慮采用力科最新的USB3.0物理層測試方案。圖 8、9即為力科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測試夾具等組成。
圖8：USB3.0的全自動測試原理示意圖 在TX測試時，信號的傳輸鏈路如圖8的上半部分所示，力科示波器通過USB電纜控制PeRT3，PeRT3通過同軸電纜向PUT的RX端發(fā)送Ping.LFPS，PUT的TX連接到示波器的通道。PeRT每發(fā)送一次 Ping.LFPS，則PUT的TX發(fā)送的碼型在CP0到CP8之間切換一次(比如從CP0變?yōu)镃P1，或從CP8變?yōu)镃P0)，這樣就無需測試人員去配置PUT發(fā)送不同的測試碼型。通過PeRT3，力科的QualiPHY軟件會自動控制PUT發(fā)送不同的測試碼型，完成TX的所有測試。 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(fā)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(jìn)入PUT的RX端，PUT的TX端通過夾具，把信號發(fā)送給PeRT3的Error Dector端。
圖2：力科的USB3.0測試夾具 由于示波器通過USB電纜控制PeRT并讀取PeRT的測試結(jié)果，并通過GPIB控制RF Switch在鏈路間自動切換，因此USB3.0的TX和RX測試完全實現(xiàn)自動化，無需人工干預(yù)，操作步驟非常簡單，節(jié)省了測試時間。 USB3.0 物理層測試內(nèi)容 本文以力科最新版本的一致性測試軟件QualiPHY-USB3對USB 3.0的物理層測試內(nèi)容進(jìn)行分析。該軟件根據(jù)2009年11月發(fā)布的USB3.0的電氣兼容性測試規(guī)范Rev0.9版本開發(fā)，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(jìn)行通信，在測試中，QualiPHY軟件可以控制PeRT3發(fā)送特定的信號，或從PeRT3中讀取 RX測試結(jié)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： LFPS(Low Frequency Periodic Signaling)信號測量 測量Polling.LFPS信令的電壓和時間參數(shù)，這在 USB3.0規(guī)范CTS Rev0.9中是必測項目。測試方法為：待測試產(chǎn)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(fā)送出Polling.LFPS信令，示波器捕獲后測量其水平或垂直參數(shù)。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(fā)持續(xù)時間(tBurst)和重復(fù)時間(tRepeat)。
圖3：LFPS信號的波形 SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測量 SSC經(jīng)常使用在計算機(jī)主板的電路上，用于減小電磁輻射。在USB3.0中，需要測試擴(kuò)頻時鐘的調(diào)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(fā)送出CP1碼型的數(shù)據(jù)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(xù)跳變的碼型，相當(dāng)于頻率 2.5GHz的時鐘，規(guī)范要求擴(kuò)頻時鐘的調(diào)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之間。圖4為力科示波器測量擴(kuò)頻時鐘的結(jié)果。SSC在CTS Rev0.9中是必測項目，跟USB3.0芯片輸入時鐘緊密相關(guān)，如果輸入時鐘的SSC不符合要求，通常USB3.0輸出信號的SSC也無法通過測試。
圖4：擴(kuò)頻時鐘測試結(jié)果 抖動與眼圖測量 在USB3.0的TX眼圖和抖動測試中，測量的是待測試信號經(jīng)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(guī)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(dá)接收端時衰減比較大，眼圖已經(jīng)閉合，USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器對信號進(jìn)行均衡后，信號眼圖的質(zhì)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(yè)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(guī)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(yuǎn)端和均衡后的眼圖對比 眼圖和抖動測試中信號源需要發(fā)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(jī)抖動Rj的測量。眼高必須從連續(xù)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)。 AC和DC共模電壓測量 這項測試需要PUT發(fā)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(guī)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(fā)送出測試碼型CP8，CP8由50-250個連續(xù)的1和50-250個連續(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分頻的時鐘。在這些測試中，把USB3.0測試夾具去嵌后測量結(jié)果更精確。 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)，這項測試可以測量PUT的去加重程度是否滿足規(guī)范要求(要求在-3dB 到-4dB之間)。測試時DUT發(fā)送出CP7碼流，CP7碼型由50-250個連續(xù)的1和50-250個連續(xù)的0重復(fù)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(guī)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(dá)5Gbps，在USB3.0規(guī)范中接收機(jī)測試成為必測項目。接收機(jī)測試包括了誤碼和抖動容限測試兩部分。 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(tǒng)的BER測試和抖動容限測試的示意圖。BERT的Pattern Generator發(fā)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(dá)待測試芯片(DUT)的RX端，DUT設(shè)置為retimed loopback模式(重定時自環(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，對錯誤的比特計數(shù)，得到誤碼率。調(diào)節(jié)Pattern Generator輸出碼流在各種頻段的抖動值，并測試誤碼率，可以得到DUT的抖動容限。
圖7：USB3.0的兩種誤碼測試和抖動容限測試方法示意圖 對于USB3.0的接收機(jī)測試還可以使用另一種方法：即Loopback BERT Method。如圖7右圖所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT發(fā)送出的已知的測試碼流，對接收到的誤碼計數(shù)，誤碼數(shù)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(jié)果。 兩種測試方法對比，前者是串行信號接收端測試通常使用的傳統(tǒng)方法，其誤碼判定在BERT端，即在DUT的外部進(jìn)行BER測試；后者是USB3.0芯片接收端直接測量誤碼率，測試儀器讀取待測試芯片的誤碼寄存器來了解誤碼值，即DUT內(nèi)部進(jìn)行BER測量。力科的PeRT3同時支持以上兩種測試方法。 結(jié)語 本文簡要介紹了USB3.0的物理層測試內(nèi)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(diào)試時間，是業(yè)內(nèi)最全面和 快捷的測試解決方案。 參考文獻(xiàn) 1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0. 2, Electrical Compliance Test Specification Rev0.9, SuperSpeed USB. 3, LeCroy USB3.0 Datasheet. 作者: 美國力科公司深圳代表處 張昌駿 |
