USB3.0認(rèn)證的新測試要求和應(yīng)對方案詳解

    隨著主流市場即將演進(jìn)到SuperSpeed USB，許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正力圖加快設(shè)計(jì)認(rèn)證。本文將為您提供專家建議參考，幫助您輕松完成這一過程。

    盡管市場上已經(jīng)出現(xiàn)了早期的USB 3.0產(chǎn)品，但主流市場轉(zhuǎn)向SuperSpeed USB還有待時日。部分原因在于，USB 2.0接口無所不在，且生產(chǎn)成本低廉。高帶寬設(shè)備（如攝像機(jī)和存儲設(shè)備）已經(jīng)率先演進(jìn)到SuperSpeed USB。但就目前而言，基于成本因素考慮，USB3.0實(shí)施仍限于較高端的產(chǎn)品。

   大規(guī)模部署任何新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（包括USB3.0）都存在內(nèi)在挑戰(zhàn)。此外，USB2.0到USB 3.0并非簡單的跳躍，其性能提高了十倍之多。盡管性能得到大幅度提升，但消費(fèi)者對低成本互連設(shè)備的預(yù)期并沒有改變。這就給工程師們帶來了明顯的壓力，需要在一個原本速度很低的信號通道上傳輸高速率信號，同時要在各種條件下保證可靠性、互操作能力和高性能。為保證物理層(PHY)一致性和認(rèn)證，測試變得空前關(guān)鍵或重要。

    USB 3.0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(diǎn)：8b/10b編碼，明顯的通道衰減，擴(kuò)頻時鐘。本文將介紹一致性測試方法及怎樣對發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及線纜和互連進(jìn)行最精確的、可重復(fù)的測量。在掌握了這些竅門之后，您便可以更有效地準(zhǔn)備SuperSpeed PIL(Platform Integration Lab)之行了。

High Speed Vs. SuperSpeed

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(jī)驗(yàn)證需要執(zhí)行接收機(jī)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(jī)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(jì)人員還必須考慮傳輸線效應(yīng)，在發(fā)射機(jī)中使用均衡技術(shù)（包括去加重），在接收機(jī)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(jī)上進(jìn)行抖動容限測試，使用擴(kuò)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(jī)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(jī)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)。[!--empirenews.page--]
發(fā)射機(jī)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(jī)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(diǎn)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(jī)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(jī)一致性測試設(shè)置，包括參考測試通道和線纜。測試點(diǎn)2 (TP2)距被測器件(DUT)最近，測試點(diǎn)1 (TP1)是遠(yuǎn)端測量點(diǎn)。

        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(diǎn)。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(bào)告標(biāo)記出哪里可能發(fā)生設(shè)計(jì)問題。如果在不同測試地點(diǎn)（如公司實(shí)驗(yàn)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(bǔ)償，張開接收機(jī)上的眼圖。發(fā)射機(jī)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(shí)現(xiàn)方案包括片內(nèi)技術(shù)、有源接收機(jī)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?yàn)樗浅：啽愕孛枋隽藗鬏敽瘮?shù)。CTLE通過頻域中的一系列極點(diǎn)和零點(diǎn)，在特定頻率上達(dá)到峰值(Peak)。

        CTLE實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)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(shí)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(diǎn)加權(quán)一些補(bǔ)償系數(shù)來補(bǔ)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(bǔ)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。

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      USB 3.0接收機(jī)測試

        USB 3.0接收機(jī)測試與其它高速串行總線接收機(jī)一致性測試類似，它一般分成三個階段，第一個階段是壓力眼圖校準(zhǔn)，然后是抖動容限測試，最后是分析。讓我們看一下這一過程的流程圖(圖4)。

        必須進(jìn)行三種損傷校準(zhǔn)，以校準(zhǔn)壓力眼圖，其分別是：RJ、SJ和眼高。每種校準(zhǔn)都要求在碼型發(fā)生器和分析儀上進(jìn)行特定設(shè)置。對每套線纜、適配器和儀器，必須進(jìn)行一次壓力眼圖校準(zhǔn)。

        由于使用不同的適配器和參考通道，主機(jī)和設(shè)備的壓力眼圖校準(zhǔn)也不同。在校準(zhǔn)完成后，可以重復(fù)使用校準(zhǔn)后的眼圖設(shè)置，如果設(shè)備設(shè)置中有的東西發(fā)生變化，那么必須重新校準(zhǔn)。

其它碼型發(fā)生器要求

        前面我們已經(jīng)介紹了要求校準(zhǔn)的項(xiàng)目，我們看一下碼型發(fā)生器對每步校準(zhǔn)的進(jìn)一步要求，包括使用的數(shù)據(jù)碼型、去加重?cái)?shù)量以及應(yīng)該不應(yīng)該啟用SSC。在壓力眼圖校準(zhǔn)方法中，列出的兩種碼型是CP0和CP1。表3列出了所有USB 3.0一致性測試碼型，以供參考。

表3.USB 3.0 一致性測試碼型

        CP0是一種經(jīng)過8b/10b編碼的PRBS-16 數(shù)據(jù)碼型(USB 3.0發(fā)射機(jī)對D0.0字符加擾和編碼的結(jié)果)。在8b/10b編碼后，最長的連續(xù)1或連續(xù)0是5位，較標(biāo)準(zhǔn)PRBS-16 碼型中最長16位的連續(xù)1或0明顯下降。CP3是與8b/10b編碼的PRBS-16類似的一種碼型，類似之處在于，它同時包含著由相同的比特組成的最短序列(孤位lone bit)和最長序列。[!--empirenews.page--]

        CP1是RJ校準(zhǔn)使用的一種時鐘碼型。許多儀器采用雙Diarc方法，把隨機(jī)性抖動和確定性抖動分開，進(jìn)行RJ測量。使用時鐘碼型是為了消除雙Dirac方法中的一個缺陷，即其一般會把DDJ報(bào)告為RJ，特別是在長碼型上。通過使用時鐘碼型，可以從抖動測量中消除ISI引起的DDJ，提高RJ測量精度。

        碼型發(fā)生器和分析儀之間的有損通道(即USB 3.0 參考通道和線纜)在垂直方向和水平方向?qū)е铝祟l率相關(guān)損耗，這種損耗的表現(xiàn)是眼圖閉合(圖6)。為解決這種損耗，可以使用發(fā)射機(jī)去加重，提升信號的高頻成分，以便接收的眼圖在10-12（或更低）BER下足夠好。

 圖6. 波形和眼圖可以演示去加重的不同影響，在本例中使用PRBS-7 數(shù)據(jù)碼型。

        從眼圖上可以看到，在沒有去加重時，所有比特位的幅度理論上是相同的。有了去加重，跳變位比非跳變位的幅度要高，有效地提高了信號的高頻成分。
        在通過有損耗的通道和線纜后，沒有去加重的信號的眼圖會產(chǎn)生ISI，閉合程度會變嚴(yán)重，而有去加重的信號的眼圖是完全張開的。我們從這里可以看到，去加重的量影響著ISI和DDJ的值，進(jìn)而影響接收機(jī)上的眼圖張開度。
        SSC通常用于同步的數(shù)字系統(tǒng)(包括USB 3.0)，以降低電磁干擾(EMI)。如果沒有SSC，數(shù)字信號的頻譜在其載頻(即5 Gbits/s)及其諧波上將出現(xiàn)高能的尖峰值，可能會超過法規(guī)限制(圖7)。

            在抖動測量中使用CTLE仿真主要會改善受信號處理方法影響的抖動，即ISI。CTLE仿真不影響與數(shù)據(jù)碼型無關(guān)的抖動成分，如RJ和SJ，盡管根據(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，眼高會直接受到影響，因?yàn)镮SI會影響其測量。

        必須使用符合標(biāo)準(zhǔn)抖動傳遞函數(shù)(JTF)的時鐘恢復(fù)“黃金鎖相環(huán)”進(jìn)行抖動測量，如圖9中藍(lán)色曲線所示。JTF決定著有多少抖動從輸入信號傳遞到分析儀。在本例中，–3-dB截止頻率是4.9 MHz。

              在最低的SJ頻率上(JTF的斜坡部分，或PLL環(huán)路響應(yīng)的平坦部分)，恢復(fù)的時鐘可以跟蹤數(shù)據(jù)信號上的抖動。因此，數(shù)據(jù)中相對于時鐘的抖動根據(jù)JTF被衰減。在JTF平坦、PLL響應(yīng)向下傾斜的更高SJ頻率上，信號中存在的SJ被轉(zhuǎn)移到下行分析儀。除壓力眼圖校準(zhǔn)過程中的SJ以外，規(guī)定所有測量都要使用標(biāo)準(zhǔn)JTF。

        一旦校準(zhǔn)了壓力眼圖，可以開始接收機(jī)測試。USB 3.0要求進(jìn)行BER 測試，這不同于其上一代技術(shù)USB 2.0。接收機(jī)測試要求的唯一測試是采用抖動容限方式的BER 測試。抖動容限測試使用最壞情況下的輸入信號來執(zhí)行接收機(jī)測試(上一節(jié)中提到的校準(zhǔn)的壓力眼圖)。在壓力眼圖的基礎(chǔ)上， JTF曲線的-3dB截止頻率附近的一系列SJ頻率（滿足相應(yīng)幅度要求）會被注入到測試信號中，同時誤碼檢測器監(jiān)測接收機(jī)中的錯誤或誤碼，計(jì)算BER。

結(jié)論

        隨著USB 3.0開始轉(zhuǎn)入主流，成功的發(fā)射機(jī)一致性和認(rèn)證測試對新產(chǎn)品上市至關(guān)重要。這些產(chǎn)品不僅能與其它USB 3.0設(shè)備很好地一起工作，還滿足了消費(fèi)者在各種條件下的性能和可靠性預(yù)期。

        除大幅度提高性能外，USB 3.0還提出了一系列新的測試要求，與上一代標(biāo)準(zhǔn)相比，帶來了更多的設(shè)計(jì)和認(rèn)證挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，市場上提供了一套完整的測試工具和資源，可以幫助您實(shí)現(xiàn)SuperSpeed USB徽標(biāo)認(rèn)證。