USB 3.0測試方法

擁有許多其它高速串行技術(shù)（如PCI Express和串行ATA）共有的特點：8b/10b編碼，明顯的通道衰減，擴頻時鐘。本文將介紹一致性測試方法及怎樣對發(fā)射機、接收機及線纜和互連進(jìn)行最精確的、可重復(fù)的測量。

High Speed Vs. SuperSpeed

　　USB 3.0滿足了市場對于更高帶寬下實時體驗應(yīng)用的需求。目前USB設(shè)備達(dá)數(shù)十億，因而USB 3.0也提供了向下兼容能力，支持傳統(tǒng)USB 2.0設(shè)備。然而，USB 2.0和3.0在物理層有多種差異 （表1）。

表1. USB 2.0 和 SuperSpeed USB物理層區(qū)別

　　SuperSpeed USB一致性測試已經(jīng)有明顯變化，以適應(yīng)更高速接口帶來的新挑戰(zhàn)。USB 2.0接收機驗證需要執(zhí)行接收機靈敏度測試。USB 2.0設(shè)備必須對150 mV及以上的測試包做出響應(yīng)，并且忽略100 mV以下的信號。

　　SuperSpeed USB接收機必須面對更多的信號損傷，因此測試要求要比USB 2.0更加苛刻。設(shè)計人員還必須考慮傳輸線效應(yīng)，在發(fā)射機中使用均衡技術(shù)（包括去加重），在接收機中使用連續(xù)時間線性均衡技術(shù)（CTLE）。此外，現(xiàn)在還要求在接收機上進(jìn)行抖動容限測試，使用擴頻時鐘（SSC）和異步參考時鐘可能會導(dǎo)致互操作能力問題。

　　評估USB 3.0串行數(shù)據(jù)鏈路另一個重要部分是被測波形與互連通道的聯(lián)系非常復(fù)雜。不能再認(rèn)為只要發(fā)射機輸出滿足了眼圖模板，電路就一定能在傳輸損耗滿足要求的通道中正常工作。想了解發(fā)射機余量一定時的最差的傳輸通道，您需要在一致性測試要求以外建立通道和線纜組合模型，使用通道建模軟件，分析通道效應(yīng) （圖1）。

圖1. 軟件工具，可以針對參考測試通道分析USB 3.0 通道效應(yīng)。

　發(fā)射機一致性測試

　　通過使用各種測試碼型以幫助進(jìn)行發(fā)射機測試 （表2）。每種碼型都是根據(jù)與評估碼型的測試有關(guān)的特點而選擇的。CP0（一種D0.0加擾序列）用來測量確定性抖動（Dj），如數(shù)據(jù)相關(guān)抖動（DDJ）。CP1（一種未加擾D10.2全速率時鐘碼型）不生成DDJ，因此更適合評估隨機性抖動（RJ）。

表2. SuperSpeed USB 發(fā)送端一致性測試碼型

　　抖動和眼高的測量是通過對100萬個連續(xù)比特（UI）進(jìn)行分析而得到，需要使用均衡器功能和適當(dāng)?shù)臅r鐘恢復(fù)設(shè)置（二階鎖相環(huán)、或稱為PLL，10 Mhz環(huán)路帶寬，0.707的阻尼系數(shù)）。通過分析被測數(shù)據(jù)樣本，可以外推出10-12誤碼率（BER）下的抖動值。例如，通過外推算法，把測得的RJ （rms）乘以14.069，可以得到10-12誤碼率下RJ（PK-PK）。

　圖2. 標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)射機一致性測試設(shè)置，包括參考測試通道和線纜。測試點2 （TP2）距被測器件（DUT）最近，測試點1 （TP1）是遠(yuǎn)端測量點。

　　在TP1采集信號后，可以使用SigTest軟件處理數(shù)據(jù)，這與PCI Express官方的一致性測試方法類似。對需要預(yù)測試一致性、檢定或調(diào)試的應(yīng)用，希望可以進(jìn)一步了解電路在各種條件或參數(shù)下的特點。裝有USB 3.0分析軟件的高帶寬示波器提供了Normative和Informative方式的物理層發(fā)射端自動測量。省掉了手動配置的步驟，大大節(jié)約了測量時間。

　　在測試完成后，詳細(xì)的Pass/Fail測試報告標(biāo)記出哪里可能發(fā)生設(shè)計問題。如果在不同測試地點（如公司實驗室、測試中心）結(jié)果不一致，可以使用之前測試時保存的波形數(shù)據(jù)重新分析（離線測量）。

　　如果要求更多的分析，可以使用抖動分析和眼圖分析軟件，調(diào)試和檢定電路。例如，可以一次顯示多個眼圖，允許工程師分析不同時鐘恢復(fù)設(shè)置或軟件通道模型的影響。此外，可以使用不同的濾波器，分析SSC的影響，解決系統(tǒng)互操作能力問題。

　均衡考慮因素

　　由于明顯的通道衰減，SuperSpeed USB要求某種形式的補償，張開接收機上的眼圖。發(fā)射機上采用均衡技術(shù)，其采用去加重的形式。規(guī)定的標(biāo)稱去加重比是3.5 dB，用線性單位表示為1.5倍。例如，在跳變比特電平為150 mVp-p時，非跳變比特電平為100 mVp-p。

　　CTLE標(biāo)準(zhǔn)均衡實現(xiàn)方案包括片內(nèi)技術(shù)、有源接收機均衡或無源高頻濾波器，如線纜均衡器上使用的濾波器。這一模型特別適合一致性測試，因為它非常簡便地描述了傳輸函數(shù)。CTLE通過頻域中的一系列極點和零點，在特定頻率上達(dá)到峰值（Peak）。

　　CTLE實現(xiàn)方案的設(shè)計要比其它技術(shù)簡單，能耗要低于其它技術(shù)。然而，在某些情況下，由于適應(yīng)性、精度和噪聲放大方面的限制，僅僅使用CTLE實現(xiàn)方案可能是不夠的。其它技術(shù)包括前向反饋均衡（FFE）和判定反饋均衡（DFE），通過對數(shù)據(jù)樣點加權(quán)一些補償系數(shù)來補償通道損耗。

　　CTLE和FFE是線性均衡器。因此，這兩種技術(shù)都會提升高頻噪聲，而產(chǎn)生信噪比劣化。但是，DFE在反饋環(huán)路中使用非線性元器件，使噪聲的放大達(dá)到最小，補償碼間干擾（ISI）。圖3示例了一個經(jīng)過傳輸通道明顯衰減的5Gbps 信號，和使用去加重、CLTE和DFE均衡技術(shù)處理之后的信號。

　　圖3. 去加重（藍(lán)色）、長通道（白色）、CTLE （紅色）和三階DFE （灰色）對5-Gbit/s信號（黃色）產(chǎn)生的不同效果。

USB 3.0接收端測試

USB 3.0接收端測試類似于其它高速串行總線接收端的一致性測試，一般分為三個階段，開始是受壓眼圖校準(zhǔn)，然后是抖動容限測試，最后是分析。下面讓我們看看這個過程的流程圖（圖4）。

受壓眼圖校準(zhǔn)使用最糟糕信號，這個信號通常在垂直方向（通過增加的抖動）和水平方向（通過將幅度設(shè)置為接收端在部署時能看到的最低值）都有損傷。當(dāng)任何測試夾具、電纜或儀器發(fā)生改變時都必須執(zhí)行受壓眼圖校準(zhǔn)。

　　抖動容限測試將校準(zhǔn)后的受壓眼圖用作輸入，然后施加更高頻率帶來的附加正弦抖動（SJ）。這種SJ將作用于接收端內(nèi)的時鐘恢復(fù)電路，因此不僅使用最差信號條件測試了接收端，而且時鐘恢復(fù)也得到了明確的測試。最后，通過分析評估測試完成后是否需要執(zhí)行額外的設(shè)計任務(wù)才能達(dá)到一致性。

　　受壓眼圖校準(zhǔn)過程首先要用一致性夾具、電纜和通道設(shè)置好測試設(shè)備（圖5）。下一步是反復(fù)測量和調(diào)整各種類型的外加應(yīng)力，如抖動。校準(zhǔn)步驟執(zhí)行時不需要DUT，但需要一致性測試夾具、通道以及測試設(shè)備產(chǎn)生的特定數(shù)據(jù)圖案。測試儀器應(yīng)能執(zhí)行兩種功能——能夠增加各種應(yīng)力的圖案發(fā)生功能，以及抖動和眼圖測量等信號分析功能。

校準(zhǔn)受壓眼圖時必須完成三種損傷校準(zhǔn)：RJ、SJ和眼圖高度。每種校準(zhǔn)都要求對圖案發(fā)生器和分析儀進(jìn)行特定的設(shè)置。對每組電纜、適配器和儀器也必須做一次受壓眼圖校準(zhǔn)。由于使用不同的適配器和參考通道組，主機和設(shè)備將經(jīng)過不同的受壓眼圖校準(zhǔn)過程。一旦完成后，校準(zhǔn)眼圖的設(shè)置可以重復(fù)使用，只有當(dāng)設(shè)備設(shè)置發(fā)生改變時才必須做再次校準(zhǔn)。

額外的圖案發(fā)生器要求

前面已經(jīng)介紹了要求校準(zhǔn)的全部事項，下面讓我們再看看每步校準(zhǔn)對圖案發(fā)生器的附加要求，包括使用的數(shù)據(jù)圖案、去加重程度、SSC是否應(yīng)激活等。在受壓眼圖校準(zhǔn)方案中，列出了兩種圖案，即CP0和CP1。表3列出了所有的USB 3.0一致性圖案供參考。

CP0是一種8b/10b編碼、PRBS-16數(shù)據(jù)圖案（將D0.0字符送到USB 3.0發(fā)送端中進(jìn)行擾碼和編碼的結(jié)果）。經(jīng)過8b/10b編碼后，最長的連1或連0長度從PRBS-16圖案中的16比特減少到了5個比特。CP3是類似于8b/10b編碼過的PRBS-16的圖案，其中包含最短（單個比特）和最長的相同比特序列。

CP1是用于RJ校準(zhǔn)的時鐘圖案。許多儀器在RJ測量時采用dual-Dirac隨機與確定性抖動分離方法。使用時鐘圖案可以避免dual-Dirac方法的一些缺陷，例如將DDJ報告為RJ，特別是針對長圖案。通過使用時鐘圖案，作為ISI結(jié)果的DDJ將從抖動測量中消除，從而形成更精確的RJ測量結(jié)果。

　　在圖案發(fā)生器和分析儀之間的有損通道（即USB 3.0參考通道和電纜）將導(dǎo)致垂直和水平方向表現(xiàn)為眼圖關(guān)閉的頻率相關(guān)損耗（圖6）。為了解決這種損耗問題，需要使用發(fā)送端去加重技術(shù)提升信號中的高頻分量，從而使BER為10-12或更高的工作鏈路有足夠好的接收眼圖。

　從這些眼圖可以看出，沒有去加重時所有幅度名義上都是相同的。采用去加重后，跳變沿比特的幅度要高于非跳變沿比特的幅度，從而有效提升了信號的高頻分量。

　　在通過有損通道和電纜后，沒有經(jīng)過去加重處理的信號將受到碼間干擾（ISI）的影響，眼圖開度要比經(jīng)過了去加重的信號小。同時，采用去加重的信號是全開的。從這里可以看出，去加重程度會影響ISI和DDJ的程度，進(jìn)而影響接收端的眼圖開度。

　　在同步數(shù)字系統(tǒng)（包括USB 3.0）中經(jīng)常使用SSC來減小電磁干擾（EMI）。如果不使用SSC，數(shù)字流頻譜中的載頻（即5Gbps）及其諧波處會出現(xiàn)大幅度的尖峰，并且有可能超過調(diào)整極限（圖7）。

為了防止出現(xiàn)這個問題，可以用SSC擴展頻譜能量。在這個案例中載頻被一個三角波所調(diào)制。用于接收端測試的頻率“擴展”量是5000ppm或25MHz，頻率調(diào)制周期為33kHz或每隔30μs，即三角波的一個周期。經(jīng)過SSC后，頻譜中的能量得到了擴展，不會再有單個頻率破壞規(guī)范極限。

　　如前所述，USB 3.0中的接收側(cè)均衡可以改善被碼間干擾損傷的信號，這種碼間干擾是由于參考通道和電纜中的頻率相關(guān)損耗引起的。這種概念等同于去加重——通過信號處理方法提升信號中的高頻分量。

　　雖然設(shè)備或主機中的接收端均衡電路與具體實現(xiàn)有關(guān)，但USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)為一致性測試規(guī)定了CTLE（圖8）。這種CTLE必須在進(jìn)行一致性測試測量（都是針對發(fā)送端測試，在本例中是接收端受壓眼圖校準(zhǔn)）之前，由誤碼率測試儀（BERT）或示波器等參考接收端實現(xiàn)，并且通常采用軟件模擬的方式。

使用CTLE模擬進(jìn)行抖動測量主要影響由信號處理方法引起的抖動，即ISI。CTLE模擬不影響與數(shù)據(jù)圖案（如RJ和SJ）不相關(guān)的抖動分量，雖然根據(jù)一致性測試規(guī)范（CTS）這兩種測量都要求使用CTLE。另一方面，眼圖高度會直接受到影響，因為ISI影響測量。

　　抖動測量時必須使用具有一致性抖動轉(zhuǎn)移函數(shù)（JTF）的時鐘恢復(fù)“黃金PLL”，如圖9中的藍(lán)線所示。JTF表明了有多少抖動從輸入信號轉(zhuǎn)移到下游分析儀。在本例中，-3dB截止頻率是4.9MHz。

在更低的SJ頻率（沿著JTF的傾斜部分，此處的PLL環(huán)路響應(yīng)是平坦的），恢復(fù)時鐘跟蹤數(shù)據(jù)信號上的抖動。這樣，相對于時鐘的數(shù)據(jù)抖動將按照J(rèn)FT得到衰減。在較高的SJ頻率點，JTF變平，PLL響應(yīng)向下傾斜，信號中的SJ部分被轉(zhuǎn)移到下游分析儀。除了受壓眼圖校準(zhǔn)期間的SJ外，所有測量都規(guī)定要使用一致性JTF。

　　一旦受壓眼圖完成校準(zhǔn)，接收端測試就可以開始了。USB 3.0與以前的USB 2.0不同，要求進(jìn)行BER測試。采用抖動容限測試形式的BER測試僅是接收端測試要求的測試項目。抖動容限測試使用最差輸入信號條件試驗接收端（受壓眼圖的校準(zhǔn)見前面部分）。在受壓眼圖頂部，圍繞JTF的-3dB截止頻率且覆蓋一定頻率范圍的一系列SJ頻率和幅度被注入測試信號，同時由誤碼檢測器監(jiān)視接收端的錯誤或比特誤碼，并計算BER。

總結(jié)

隨著USB 3.0開始走向主流，需要對發(fā)送端和接收端進(jìn)行成功的一致性和認(rèn)證測試，這是將新產(chǎn)品推向市場的關(guān)鍵。這些產(chǎn)品不僅要求能與其它USB 3.0設(shè)備一起工作，而且要滿足消費者對各種條件下的性能和可靠性的期望值。

　　性能的急劇提高帶來了許多新的測試要求，也使得設(shè)計和認(rèn)證比前代標(biāo)準(zhǔn)更具挑戰(zhàn)性。幸運的是，有一整套測試工具和資源可以用來協(xié)助SuperSpeed USB商標(biāo)認(rèn)證。