USB 3.1 Tx 測(cè)試總結(jié)

隨著新一代的 Mac、各大品牌的旗艦手機(jī)推出，Type CTM接口逐漸進(jìn)入我們的生活當(dāng)中，支持 USB 3.1 的主機(jī)、設(shè)備也是日漸廣泛。盡管在測(cè)試步驟上而言，USB 3.0/ 3.1比 USB 2.0 HS/ FS 和 LS 會(huì)簡(jiǎn)單一些，但是在測(cè)試過(guò)程中還是可能會(huì)遇到一些問(wèn)題，本篇文章針對(duì)于筆者在 USB 3.0/ 3.1 測(cè)試中會(huì)遇到的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了歸納。

1. 寫(xiě)在測(cè)試之前
在討論 USB 3.1 測(cè)試之前，我想先大概說(shuō)一下 USB 的命名規(guī)則。早在 2015 年 3月，蘋(píng)果推出新的 12 吋 MacBook，把 “Type-C” 和 “USB 3.1” 這兩個(gè)概念帶到了廣大消費(fèi)者的視線當(dāng)中，然而，這個(gè)只能跑到 5Gbps 的 USB 3.1 接口卻又廣受詬病。在我們的印象中，USB 3.1 是對(duì) USB 3.0 傳輸速率的進(jìn)一步提升，將速率從 5Gbps 直接提升到10Gbps，那么為什么 New MacBook 又能夠打著 “USB 3.1”的旗號(hào)“招搖過(guò)市”呢，這需要從 USB 的命名開(kāi)始說(shuō)起。

在 USB 2.0 的年代，USB 就分為 HS(High-Speed)·FS(Full-Speed)和 LS(LowSpeed)三種，而
FS 和 USB 1.1 相對(duì)應(yīng)，LS 和 USB 1.0 相對(duì)應(yīng)。2008 年底，USB-IF 推出 USB 3.0，速率從 480Mbps 提升到 5Gbps，物理層采用了全雙工的 SerDes 結(jié)構(gòu)，又被稱為 USB SuperSpeed；2013 年初，USB-IF 推出 USB 3.1，又稱 USB SuperSpeed+或者 SuperSpeed USB 10G，USB 3.1 包含 Gen1 和 Gen2，Gen1 速率為 5Gbps，和USB 3.0 一致，Gen2 的速率為 10Gbps。所以只有 USB 3.1 Gen2 才是我們平時(shí)所理解的 USB 3.1。

在測(cè)試之前，作為一名測(cè)試工程師，我們需要了解我們所需要測(cè)試的產(chǎn)品究竟是USB 3.0 的產(chǎn)品、是 USB 3.1 Gen1 的產(chǎn)品，還是 USB 3.1 Gen2 的產(chǎn)品，USB 3.1 Gen
在物理層可以完全使用 USB 3.0 的測(cè)試儀器和測(cè)試方法，USB 3.1 Gen2 則需要更高帶寬的儀器以及不同的測(cè)試選件；如果作為一名需要使用到 USB 3.1 的用戶，則一定得看準(zhǔn)自己購(gòu)買(mǎi)的產(chǎn)品是不是真正的 USB 3.1 Gen2，以防某些別有用心的商家拿著 USB 3.0 的設(shè)備打著 USB 3.1 Gen1 的旗號(hào)濫竽充數(shù)。

從測(cè)試方面來(lái)說(shuō)，USB 3.0 無(wú)論是速率還是一致性測(cè)試的測(cè)試方法都和 USB 3.1Gen1 完全相同，所以在下文中，都統(tǒng)一使用 USB 3.1 來(lái)表示 USB 3.0 以及 USB 3.1。

2. USB 3.1 測(cè)試模式
相比 USB 2.0 來(lái)說(shuō)，USB 3.1 進(jìn)入測(cè)試模式的方法比較簡(jiǎn)單，USB 2.0 無(wú)論是 Host還是 Device 都無(wú)法直接進(jìn)入測(cè)試模式，發(fā)送測(cè)試碼型。USB 3.1 的 Link training 狀態(tài)機(jī)
如圖 1 所示：USB 3.1 設(shè)備發(fā)射機(jī)中有 Rx detection 模塊，在復(fù)位之后，首先 Rxdetection 模塊會(huì)檢測(cè)對(duì)端，如果沒(méi)能檢測(cè)到對(duì)端的存在，則會(huì)嘗試降到 USB 2.0 模式；
如果檢測(cè)到了對(duì)端，USB 3.1 設(shè)備會(huì)嘗試給對(duì)端發(fā)送 Polling.LFPS 握手信號(hào)，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收到了對(duì)端的握手信號(hào)，則會(huì)進(jìn)入正常的通信模式，否則會(huì)進(jìn)入 ComplianceMode，也就是我們所說(shuō)的測(cè)試模式。所以通常在標(biāo)準(zhǔn)的 USB 3.1 設(shè)備的測(cè)試過(guò)程中，只．需要將 ．．．測(cè)試夾具連接待測(cè)設(shè)備，然后發(fā)送端連接到示波器，將示波器通道的耦合選選擇為．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
．“DC50” ．．．．．，設(shè)備會(huì)自動(dòng)進(jìn)入測(cè)試模式，并且持續(xù)發(fā)送測(cè)試碼型 CP0。

圖 1 USB 3.1 Link Training 狀態(tài)機(jī)

但是，某一些設(shè)備(對(duì)功耗比較敏感的設(shè)備，例如手機(jī)或 Android 平板)在正常的工作狀態(tài)下會(huì)禁用測(cè)試模式，因?yàn)樵跍y(cè)試模式下，相當(dāng)于 USB 模塊在持續(xù)不斷地工作在滿載
狀態(tài)，而且普通用戶在使用的時(shí)候是不需要進(jìn)入測(cè)試模式的，所以這些設(shè)備通常都會(huì)禁用測(cè)試模式，在這種情況下，測(cè)試人員看到的現(xiàn)象一般是按照之前的步驟接好設(shè)備和儀器以后，儀器上無(wú)法檢測(cè)到波形。如果需要對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，修改設(shè)備的底軟，使能測(cè)試模式。

另一些設(shè)備，例如筆者目前使用的兩臺(tái) Windows 10 筆記本電腦，在按照 USB 3.1 標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試步驟進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，一開(kāi)始，能夠正常地進(jìn)入測(cè)試模式，但是接下來(lái)，USB的驅(qū)動(dòng)會(huì)介入，然后設(shè)備就會(huì)退出測(cè)試模式，一直停留在 Polling 狀態(tài)。這種情況，測(cè)試人員看到的一般現(xiàn)象是，在示波器上一開(kāi)始會(huì)看到 LFPS 信號(hào)(這個(gè)信號(hào)存在的時(shí)間很短，有可能沒(méi)注意就會(huì)消失)，然后會(huì)進(jìn)入測(cè)試模式，示波器上會(huì)顯示 CP0 的波形，再接下來(lái)會(huì)看到 LFPS 信號(hào)時(shí)閃時(shí)現(xiàn)。這種情況下，可以禁用被測(cè)設(shè)備的 USB 驅(qū)動(dòng)，具體方法如下：我的電腦->右擊->管理->設(shè)備管理器，把如圖 2 所示的 USB 驅(qū)動(dòng)禁用，然后再重新插拔設(shè)備，就可以進(jìn)入測(cè)試模式。

圖 2 Windows 10 USB 設(shè)備驅(qū)動(dòng)

3. 碼型切換
如果測(cè)試人員同時(shí)擁有力科的示波器和和力科的 PeRT3 誤碼儀，兩者可協(xié)同配合，切換到測(cè)試所需的測(cè)試碼型，期間再不需人為介入，如果沒(méi)有誤碼儀，則需要手動(dòng)切換測(cè)
試碼型。

USB 3.1 設(shè)備進(jìn)入測(cè)試模式以后，從 Rx 輸入 Ping.LFPS 信號(hào)，可以手動(dòng)使設(shè)備切換測(cè)試碼型，連接方式如圖 3 所示，其中 Generator 處接可以產(chǎn)生 Ping.LFPS 信號(hào)的信號(hào)
源。

圖 3 USB 3.1 Tx 測(cè)試連線示意圖

其中，Ping.LFPS 信號(hào)如圖 4 所示，并且需要滿足以下要求：tPeriod 在 40ns~200ns之間，即信號(hào)速率在 5MHz~25MHz 之間，另外，需要有 2 個(gè)以上的 burst，而且重復(fù)的時(shí)期不超過(guò) 240ms。

力科的示波器可以發(fā)出信號(hào)頻率為 5MHz 的快沿信號(hào)，可以使用此信號(hào)作為Ping.LFPS 信號(hào)促使設(shè)備切換測(cè)試碼型，具體接線示意圖如圖 5 所示，但是快沿信號(hào)會(huì)持續(xù)不斷的發(fā)送，所以在實(shí)際操作過(guò)程中需要使用不斷試觸，確保能夠切換到所需的測(cè)試碼型。

圖 4 LFPS 信號(hào)示意圖

圖 5 使用 Fast Edge 切換測(cè)試碼型

4. 測(cè)試碼型甄別
手動(dòng)切換測(cè)試碼型的時(shí)候，需人為甄別所需的測(cè)試碼型，USB 3.1 需要用到 5 中測(cè)試碼型，其中 Gen1 需要用到 LFPS、CP0 和 CP1，Gen2 需要 CP9 和 CP10，其中 LFPS信號(hào)為低頻信號(hào)，頻率在 5MHz 至 25MHz 之間，而且信號(hào)和零電平交錯(cuò)，如圖 6 所示。CP0 和 CP1 分別為 5Gbit/s 的隨機(jī)碼型和 0101 碼型，如需甄別 CP0 和 CP1，可以對(duì)被測(cè)信號(hào)正負(fù)端中任意一端測(cè)量 Bit Rate，測(cè)試結(jié)果為在 5Gbit/s 左右的隨機(jī)碼型即為CP01，信號(hào)如圖 7 所示，測(cè)試結(jié)果在 2.5GHz 左右的是 CP1，信號(hào)如圖 8 所示。

CP9 和 CP10 分別對(duì)應(yīng) 10Gbit/s 的偽隨機(jī)碼和 0101 碼型，甄別方法和 CP0、CP1相似，不再詳述。

1 CP0 和 CP3 都是 5Gbit/s，但是 CP3 對(duì)應(yīng)的是 K28.5，很容易看出是重復(fù)碼型，而 CP0 是偽隨機(jī)碼，很難看出是重復(fù)碼型，可以以此區(qū)分DUT 1m USB cable

圖 6 LFPS 信號(hào)示意圖

圖 7 CP0 信號(hào)示意圖

圖 8 CP1 信號(hào)示意圖