USB3.0的物理層測試探討

USB簡介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤、鼠標、打印機、掃描儀、數(shù)碼相機、MP3、U盤等外圍設備連接到計算機，它使計算機與周邊設備的接口標準化。在USB1.1版本中支持兩種速率：全速12Mbps和低速1.5Mbps；而USB2.0中支持三種速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。在2002年Intel把USB2.0端口整合到了計算機的南橋芯片ICH4上，推動了USB2.0的普及，目前除了鍵盤和鼠標為低速設備外，絕大多數(shù)設備都是速率達480M的高速設備。 力科于2009年4月發(fā)布了USB3.0的物理層測試解決方案，包括了針對HOST/DEVICE的發(fā)送端（TX）測試和接收端（RX）測試、以及USB3.0電纜的TDR測試。對于USB3.0的TX測試，為了測量到5次諧波，需要帶寬12.5GHz以上的示波器，力科的SDA813Zi帶寬13GHz，采樣率40GSamples/s（最高可達80GS/s），配合USB3.0一致性測試軟件QualiPHY、眼圖醫(yī)生軟件和測試夾具（見圖2），可以快速完成USB3.0的發(fā)送端Compliance測試和調(diào)試分析。對于USB3.0的RX測試，力科的PeRT3是具備協(xié)議通信能力的誤碼率測試儀，可以完成USB3. 0的誤碼和抖動容限測試。在USB3.0規(guī)范中要求同時測量TX和RX。 USB3.0物理層測試內(nèi)容
力科最新版本的一致性測試軟件QualiPHY-USB3是根據(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（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）來開發(fā)的，并且會隨著測試規(guī)范的更新而不斷更新，該軟件安裝在示波器上，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：

1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號測量
2. SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測量
3. 抖動與眼圖測量
4. AC和DC共模電壓測量
5. 差分電壓幅度與去加重測量
6. 誤碼測試與抖動容限測量

LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號測量
測量了Polling.LFPS信令的電壓和時間參數(shù)，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）和重復時間（tRepeat）。 SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測量
SSC經(jīng)常使用在計算機主板的電路上，用于減小電磁輻射。在USB3.0中，需要測試擴頻時鐘的調(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，相當于頻率2.5GHz的時鐘，規(guī)范要求擴頻時鐘的調(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直接。如圖4為力科示波器測量擴頻時鐘的結(jié)果。SSC是CTS Rev0.9中是必測項目，跟USB3.0芯片輸入時鐘緊密相關，如果輸入時鐘的SSC不符合要求，通常USB3.0的輸出信號的SSC也無法通過測試。 抖動與眼圖測量
在USB3.0的TX的眼圖和抖動測試中，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。 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。
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重復交替組成，而且消除了去加重，其波形相當于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5Gbps，在USB3.0規(guī)范中接收機測試成為必測項目。接收機測試包括了誤碼和抖動容限測試兩部分。