USB 3.0一致性測試方法

1、USB3.0高速線纜及規(guī)范要求介紹

為了高速傳輸信號(hào)，USB3.0采用了全雙工的通信方法，由兩對高速差分線來進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的傳輸，而USB2.0采用的是半雙工通信的方法，只有一對差分線進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的傳輸。USB3.0的線纜和橫截面圖如下圖1所示。為了確保USB 3.0的高速線纜具有良好的信號(hào)完整性，確保能高質(zhì)量傳輸5Gbps速率的信號(hào)，USB 3.0規(guī)范對其線纜特性做了特別的要求。如：

圖1 USB3.0線纜及其橫截面

規(guī)范的5.6.1.1.1規(guī)定了高速屏蔽線纜的特征阻抗為：90 ohms +/- 7ohms (使用快沿上升時(shí)間為200ps（10%-90%）的TDR進(jìn)行測量)。

規(guī)范的5.6.1.1.2規(guī)定了高速屏蔽線纜對內(nèi)的兩條線纜之間的偏移要小于：15ps/m (使用快沿上升時(shí)間為200ps（10%-90%）的TDT進(jìn)行測量)。

規(guī)范的5.6.1.2規(guī)定了高速連接器的阻抗變化范圍為90 ohms +/- 15 ohms (使用快沿上升時(shí)間為50ps（20%-80%）的TDR進(jìn)行測量)。

規(guī)范的5.6.1.3.1規(guī)定了高速屏蔽線纜不同頻率下的差分插入損耗SDD12。

規(guī)范的5.6.1.3.2規(guī)定了高速差分對之間的近端串?dāng)_（Near-End Crosstalk）。

規(guī)范的5.6.1.3.3規(guī)定了高速差分對內(nèi)兩條信號(hào)之間的串?dāng)_，包括近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_（Near-End/Far-End Crosstalk）。

規(guī)范的5.6.1.3.4規(guī)定了高速差分對的差模和共模轉(zhuǎn)換比（Differential-to-Common Mode-Coversion）。

規(guī)范對高速線纜的主要要求均是由S參數(shù)來表示的，如下圖2中的曲線所示：

圖2 USB3.0線纜的各項(xiàng)參數(shù)特性曲線

2、測試儀器及測試方法

SPARQ-S parameters,Qucik，是力科推出的主要用于高速信號(hào)的信號(hào)完整性領(lǐng)域的高性價(jià)比的S參數(shù)測試儀，可實(shí)現(xiàn)一鍵式快速測量，內(nèi)部集成了校準(zhǔn)件（省去了極其繁瑣的手動(dòng)校準(zhǔn)過程），TDR上升沿時(shí)間為6ps，最大端口數(shù)為12端口，帶寬范圍0-40GHZ，非常小巧輕便，可測量TDR阻抗（可實(shí)現(xiàn)不同歸一化的上升時(shí)間）、TDT傳輸延時(shí)、單端和混合模式S參數(shù)（傳輸損耗、差分對內(nèi)的近端/遠(yuǎn)端串?dāng)_、差分對間的近端/遠(yuǎn)端串?dāng)_）等。

具體測試方法是將USB3.0的線纜兩端分別連接到夾具上，然后通過夾具上的SMA同軸頭和SPARQ的SMA線纜連接到SPARQ測試儀上，實(shí)現(xiàn)S參數(shù)（包含傳輸損耗、近端串?dāng)_、遠(yuǎn)端串?dāng)_等參數(shù)）、TDR阻抗、傳輸延時(shí)等參數(shù)的測量，如下圖3所示。

圖3 USB3.0線纜測試連接示意圖

二、USB3.0發(fā)射機(jī)物理層測試

1、發(fā)射機(jī)測試及規(guī)范要求介紹

發(fā)射機(jī)信號(hào)質(zhì)量測試是所有低速、高速信號(hào)都會(huì)要求測試的項(xiàng)目。主要內(nèi)容有信號(hào)的幅度、眼圖、抖動(dòng)、上升時(shí)間等。USB3.0規(guī)范也對發(fā)射機(jī)信號(hào)的物理層特性做了嚴(yán)格的要求，如：

規(guī)范的6.7.1章節(jié)規(guī)定了發(fā)射機(jī)的一些電氣性能參數(shù)（Normative）。

規(guī)范的6.7.3章節(jié)規(guī)定了發(fā)射機(jī)的眼圖和抖動(dòng)性能參數(shù)（Normative）。

規(guī)范的6.7.1章節(jié)和6.7.5章節(jié)還規(guī)定了發(fā)射機(jī)的一些參考要求（Informative）。

此外，USB3.0規(guī)范的第6.9章節(jié)還對低頻周期信號(hào)LFPS（主要用于控制Low power link mode,Link Training,Warm reset等）的電氣特性和時(shí)序特性做了規(guī)定。

2、測試儀器及測試方法

發(fā)射機(jī)測試原理上只需要一臺(tái)高帶寬示波器（力科的SDA813Zi-A）加上相應(yīng)的測試夾具、一致性測試軟件（力科的Qualiphy-USB3一致性測試軟件）、預(yù)加重均衡仿真軟件（EyedoctorII信號(hào)完整性分析軟件）即可。而為了獲得更好的測試效果，USB3.0規(guī)范規(guī)定針對不同的測試項(xiàng)目需要使用不同的一致性測試碼型，比如說眼圖/Tj/Dj測量需要使用CP0一致性測試碼、SSC（擴(kuò)頻時(shí)鐘）/Rj測量需要使用CP1測試碼、去加重測量需要CP7碼、差分信號(hào)擺幅測試需要CP8碼。因此在進(jìn)行不同的測試項(xiàng)目時(shí)需要用戶去設(shè)定被測DUT來輸出所需要的碼型，這樣不僅會(huì)降低測試效率，而且對于很多系統(tǒng)級(jí)用戶來說是很難去設(shè)置DUT的，因此如何能使這樣的測試更加自動(dòng)化？如果測試儀器能夠和DUT進(jìn)行握手，在需要什么類型的測試碼時(shí)候給DUT發(fā)指令要求其輸出這樣的碼，則不僅將解決設(shè)置的問題，而且將會(huì)使得發(fā)射機(jī)物理層信號(hào)測試變得非常的自動(dòng)化。在下文中將介紹的力科的PeRT3將具備這一功能。

具體的測試方法是將被測DUT的Tx端通過夾具和SMA同軸線纜連接到示波器上進(jìn)行測試，并根據(jù)示波器上的Qualiphy-USB3軟件的提示去切換DUT輸出相應(yīng)的一致性測試碼，軟件會(huì)自動(dòng)采集1百萬個(gè)UI碼進(jìn)行測試。測試連接圖和測試結(jié)果報(bào)告如下圖4、圖5所示：

圖4 發(fā)射機(jī)測試連接示意圖

圖5 測試報(bào)告（LFPS部分）

三、USB3.0接收機(jī)物理層測試

1、接收機(jī)測試及規(guī)范要求介紹

由于USB3.0速率比較高，因此規(guī)范規(guī)定不僅要測試發(fā)射機(jī)信號(hào)，同時(shí)還要測試接收機(jī)信號(hào)，USB3.0測試規(guī)范的第6.8.5章節(jié)規(guī)定了接收機(jī)一致性測試時(shí)需要注入到CP0一致性測試碼中的Sj，Rj，Equalization，Amplitude Swing等。在實(shí)際調(diào)試中，不僅需要進(jìn)行一致性測試還需要進(jìn)行抖動(dòng)容限測試（兩者的區(qū)別可參考另外一篇文章：高速信號(hào)的接收機(jī)測試）。

圖6 接收機(jī)測試連接示意圖

圖7 接收機(jī)容限測試需要注入的抖動(dòng)參數(shù)

2、測試儀器及測試方法

力科的PeRT3是一款專門針對高速串行標(biāo)準(zhǔn)如USB3.0、PCIE3.0等的接收端測試而研制的。它的全名叫帶有協(xié)議能力的接收端和發(fā)送端容限測試儀。它與傳統(tǒng)的BERT誤碼測試儀的最大的區(qū)別之一就是其具有協(xié)議握手能力，能與被測DUT實(shí)現(xiàn)握手通信，這樣就可以非常方便的讓DUT進(jìn)入到接收機(jī)測試所需要的環(huán)回（Loopback）模式。

因?yàn)镻eRT3具有協(xié)議握手能力，因此前文發(fā)射機(jī)測試中提到的設(shè)置DUT發(fā)出不同的一致性測試碼的困難即可通過示波器和PeRT3的組合來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試。

具體測試方法是先結(jié)合示波器對力科的PeRT3按照USB3.0規(guī)范設(shè)定的信號(hào)抖動(dòng)、幅度等輸出的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完后，連接PeRT3和被測DUT，通過PeRT3的協(xié)議握手能力發(fā)送一系列的訓(xùn)練碼使得被測DUT進(jìn)入環(huán)回（Loopback）測試模式，DUT進(jìn)入環(huán)回模式以后，PeRT3即開始發(fā)送帶有抖動(dòng)和預(yù)加重的CP0一致性測試碼，開始誤碼的測試和分析。連接示意圖如下圖8所示。

圖8 接收機(jī)測試連接示意圖

圖9 接收機(jī)測試設(shè)置步驟及測試結(jié)果

四、力科針對USB3.0的整體測試方案

力科設(shè)置了多種配置方案，用戶可根據(jù)情況進(jìn)行選擇：

1、如果只測試發(fā)射機(jī)，而且用戶能夠自行設(shè)置DUT發(fā)出CP0-CP8中所需要的一致性測試碼型，這時(shí)只需選擇示波器SDA813Zi及相應(yīng)的軟件包、夾具即可。

2、如果只測試發(fā)射機(jī)，而且需要讓DUT自動(dòng)切換一致性測試碼型，則可選擇SDA813Zi+PeRT3以及相應(yīng)的軟件包和夾具。此時(shí)還可實(shí)現(xiàn)接收機(jī)一致性測試。

3、如果需要完全自動(dòng)化的一次性測試發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，測試完成后生成一份包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)測試在內(nèi)的完整報(bào)告，則可選擇SDA813Zi+PeRT3+高速電子開關(guān)以及相應(yīng)的軟件包和夾具。

除此以外，在USB3.0的調(diào)試過程中，力科的示波器還可以將USB3.0協(xié)議分析儀的功能集成到示波器上，使得在示波器上不僅可以實(shí)現(xiàn)物理層的測試分析，還可以實(shí)現(xiàn)協(xié)議層的測試分析，協(xié)議層分析如下圖所示：

圖10 基于示波器的USB3.0的協(xié)議層分析功能

五、小結(jié)

本文簡要介紹了USB3.0的一致性測試的規(guī)范要求以及測試儀器、測試方法。力科的示波器、S參數(shù)測試儀SPARQ、具有協(xié)議使能功能的誤碼測試儀為USB3.0的一致性測試提供了非常全面的測試解決方案，

六、參考文獻(xiàn)

1、USB3.0規(guī)范