USB3.0的物理層接收端的測試方法 (完整版)

USB3.0的Receiver測試的兩種方法

由于USB3.0的速率高達5Gbps，在USB3.0規范中接收機測試成為必測項目。接收機測試包括了誤碼率測試和接收機抖動容限測試兩部分。

對于Receiver Compliance測試，需要使用誤碼率測試儀BERT（Bit Error Ratio Tester，簡稱BERT），比如力科的PeRT3。BERT由Pattern Generator和Error Detector組成。如下圖1左圖所示為傳統的BER測試和抖動容限測試的示意圖。BERT的Pattern Generator發送出特定的測試碼流，碼流中添加了定量的抖動，通過參考測試信道后到達待測試芯片（DUT）的RX端，DUT設置為retimed loopback模式（重定時自環模式），將接收到的數據從芯片的TX端發送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的碼流和發送的碼流，對錯誤的比特計數，得到誤碼率。調節Pattern Generator輸出碼流在各種頻段的抖動值，并測試誤碼率，可以得到DUT的抖動容限。

對于USB3.0的接收機測試還可以使用另一種方法：即Loopback BERT Method。如下圖1的右圖所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT發送出的已知的測試碼流，對接收到的誤碼計數，誤碼數量存入誤碼寄存器（如下圖1的Error Register），LeCroy PeRT3直接讀取誤碼寄存器，得到誤碼率和抖動容限測試結果。

兩種測試方法對比，前者是串行信號接收端測試通常使用的傳統方法，其誤碼判定在BERT端，即在DUT的外部進行BER測試；后者是USB3.0芯片接收端直接測量誤碼率，測試儀器讀取待測試芯片的誤碼寄存器來了解誤碼值，即DUT內部進行BER測量。力科的PeRT3同時支持以上兩種測試方法。

力科的接收機測試方案——PeRT3

PeRT3是Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester的簡寫（如下圖2所示）。首先具備了BERT的Pattern Generator和Error Detector功能，可以對輸入信號注入不同頻段的隨機抖動和固有抖動，而且獨有的協議層分析能力可以對DUT進行初始化和遙控，控制其進入或退出環回模式，使接收機測試更加方便和快捷，還可以測量Frame Error Rate，并識別和記錄協議層的錯誤。

對于USB3.0的接收端測試，需要配置PeRT3和實時示波器SDA813Zi，SDA813Zi用于校準PeRT3的碼型發生器輸出信號的幅度和抖動等指標。

在接收機測試中，碼型發生器和待測試芯片的擴頻時鐘功能（SSC）都打開，輸出信號的特征需滿足下圖3所示：信號的峰峰值大于750毫伏，-3dB的去加重，隨機抖動的RMS值為0.0121UI（Unit Interval的簡稱，即1個比特的時間），即0.0121*200ps = 2.42ps，添加的正弦抖動的頻率為500kHz、1MHz、2MHz、4.9MHz、50MHz，其對應的抖動峰峰值為2UI、1UI、0.5UI、0.2UI、0.2UI。要求在添加了上述數量的隨機抖動和正弦抖動后誤碼率小于 。其中，頻率低于500KHz的抖動大于2個比特，說明USB3.0芯片的接收端需具備較強的抖動過濾能力，因為多數開關電源工作在這個頻段。




圖3：接收機抖動容限測試的參數設置（BER=? ）

碼型發生器輸出信號的幅度、去加重和抖動參數在圖3中的TP1點用示波器SDA813Zi測量并校準。校準后連接參考測試信道和電纜，通過USB3.0夾具連接到DUT的RX，DUT的TX連接到PeRT3的Error Detector。

推薦的測試碼流是擾碼后的D0.0，對于USB3.0的誤碼率為 測試，一次需要大概10分鐘，而規范要求測量加入5個頻率正弦抖動時的誤碼，所以完成5個頻點的測試需要50分鐘，非常耗時。為了加快測試與驗證速度，在USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5中提出一種快速測量接收機BER的方法，即加大各頻點的固有抖動數值后，只測量到誤碼率= ，這樣只需30秒即可完成5個頻點的抖動容限測試。如圖4所示為誤碼率= 的抖動容限測試參數。

圖4：接收機抖動容限測試的參數設置（BER= ）

力科PeRT3可以自動測量多個頻點下的抖動容限和誤碼率，如下圖5所示為某USB3.0芯片的抖動容限測試結果，橫軸為頻率，縱軸為該頻點的抖動幅度，黑線為USB3.0規范要求的抖動容限，紅點為出現誤碼的正弦抖動的幅度，由于紅點都在黑線之上，說明該芯片接收端的抖動容限滿足規范要求。

圖5：某USB3.0芯片接收機測試結果

結語：本文簡要介紹了力科測試USB3.0的接收端的解決方案。力科的PeRT3結合了誤碼率測試儀和協議分析儀兩種功能，可以快速驗證USB3.0芯片的接收端抖動容限和誤碼率，配合力科第四代示波器SDA813Zi強大的眼圖和抖動分析能力，可以快速的調試和分析USB3.0設計中的碰到的各種問題。


圖6：力科的USB3.0的發送端和接收端測試系統

參考文獻
1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0.
2, USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5.
3, LeCroy USB3.0 Datasheet.

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，從2000年以后，支持USB2.0版本的計算機和設備已被廣泛使用，USB2.0包括了三種速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。目前除了鍵盤和鼠標為低速設備外，大多數設備都是速率達480M的高速設備。

盡管USB2.0的速度已經相當快，對于目前高清視頻和動輒GByte的數據傳輸還是有些慢，在2008年11月，HP、Intel、微軟、NEC、ST-NXP、TI聯合起來正式發布了USB3.0的V1.0規范。USB3.0又稱為Super Speed USB，比特率高達5Gbps，相比目前USB2.0的480Mbps的速率，提高了10倍以上，引用Intel專家Jeff Ravencraft的話：“以25GB的文件傳輸為例，USB2.0需要13.9分鐘，而3.0只需70秒左右?！?5GB，正好是單面單層藍光光盤的容量。USB3.0預計將在2010年逐漸在計算機和消費電子產品上使用。

力科于2009年4月發布了USB3.0的物理層測試解決方案，能提供端到端的互操作測試和兼容性測試，包括了Transmitter測試、Receiver測試、TDR測試。此外，力科還提供了業界領先的USB3.0協議層測試方案。

USB3.0的Transmitter測試

對于USB3.0的Transmitter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、眼圖醫生軟件和測試夾具，可以快速完成USB3.0的發送端Compliance測試和調試分析。

QualiPHY軟件可以使USB3.0發送端的各項測試自動化，并生成多種格式的測試報告。在QualiPHY的USB3.0測試軟件中，包括差分電壓擺幅測試、去加重比值測試（De-emphasis ratio test）、眼圖和抖動測試、擴頻時鐘測試（Spread Spectrum Test），圖1所示為報告中的整體測試項目概覽，列出了測試項目對應的Spec的條目，測試項目的名稱，當前測試結果，測試判定條件等。

在發送端測試中，通常需要消除USB3.0的測試夾具引入的損耗和反射。如下圖1所示為USB3.0發送端測試示意圖：夾具插到待測試芯片的USB口，夾具上通過PCB的傳輸線USB口引出到4個SMA連接頭（USB3的TX和RX各兩個），然后用SMA接口的同軸電纜連接到示波器。由于夾具上的連接器、過孔、傳輸線等會使信號發生衰減、色散或者反射，導致示波器測量到的信號有所惡化。力科的眼圖醫生軟件包括了夾具去嵌功能，只需輸入夾具的S參數模型文件（可由VNA或者TDR測量得到），即可計算出沒有夾具時測量到的信號的波形與眼圖。

如圖2左下部分所示為示波器測量的USB3.0信號去嵌后測量到的眼圖，圖1右下部分是示波器直接測量到的眼圖（即未作夾具去嵌的眼圖），相比后者，前者的上升下降沿更陡峭，眼輪廓清晰，眼張得更開。從這個比較圖中可以看到力科的去嵌技術可以消除測試夾具的負面作用。使用夾具去嵌功能后，可以更加準確的測量電壓擺幅和去加重的比值。


圖1: 力科一致性測試軟件QualiPHY產生的報告一部分

差分電壓擺幅測試

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Device Under Test（簡稱DUT）需要發送出測試碼型CP8（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，USB3.0規范中定義了各種測試碼流，USB3.0的芯片廠商提供了軟件接口來配置其發送數據的碼型），CP8由50-250個連續的1和50-250個連續的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果更精確。



去加重比值測試

為了把5Gbps速率的數據傳送較遠的距離，USB3.0的發送端使用了去加重技術，這項測試可以測量DUT的去加重程度是否滿足規范要求（要求在-3dB到-4dB之間）。測試時DUT發送出CP7碼流，CP7碼型由50-250個連續的1和50-250個連續的0重復交替組成，而且是添加了去加重的信號波形。圖3為某USB3.0芯片的去加重測量結果，該芯片采用了-3.47dB的去加重。


圖3：某USB3.0芯片的去加重比值測量

眼圖與抖動測試

在USB3.0的TX的眼圖和抖動測試中，測量的是待測試信號經過參考測試信道后TP1點的眼圖和抖動。如下圖4中的Reference test channel即為參考測試信道，在規范中定義了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，眼圖已經閉合，USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器對信號進行均衡后（CTLE均衡器介紹見本文最后一部分），信號眼圖的質量將大大改善，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。

圖4：USB3.0的TX的眼圖測試點（來自USB3.0規范）

如下圖5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。

圖5：USB3.0的Transmitter測試在近端、遠端和均衡后的眼圖對比

眼圖和抖動測試中信號源需要發出特別的測試碼型，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）。

擴頻時鐘測試（Spread Spectrum Clock Test）

擴頻時鐘經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制頻率和頻偏，測試時DUT發送出CP1碼型的數據流（CP1碼型為D10.2，即0101連續跳變的碼型，相當于頻率2.5GHz的時鐘），規范要求擴頻時鐘的調制頻率為30-33KHz之間，頻偏在0ppm到-5000ppm之間。如下圖6為力科示波器測量擴頻時鐘的結果。


USB3.0使用的CTLE均衡器

Continuous Time Linear Equalization均衡器（簡稱CTLE）即連續時間線性均衡器，是一種常見的線性均衡器，在USB3.0芯片的接收端中使用了CTLE均衡器。USB3.0的速度高達5Gbps，當USB電纜較長時，RX端眼圖很可能已閉合，這時分析眼圖與抖動是沒有意義的。使用力科眼圖醫生的CTLE均衡仿真后，對均衡后信號測量眼圖與抖動指標，可以精確的驗證其性能。結合力科的信道仿真功能，直接測量USB3.0的TX，可以迅速評估不同的信道是否需要均衡或者均衡后信號的性能指標如何。

USB的官方組織規定了USB3.0使用的CTLE均衡器的參數，如下圖7左上部分為均衡器的頻響，右上方的表格是均衡器的參數，下方是力科示波器中集成了USB3.0的均衡器參數，可方便調用。



結語：本文簡要介紹了力科測試USB3.0的發送端的解決方案。力科的眼圖醫生軟件可以快速驗證經過USB3.0電纜后遠端的信號質量，以及CTLE均衡器均衡后的眼圖和抖動，幫助USB3.0開發人員快速測試和驗證USB3.0芯片和電路設計。力科第四代示波器SDA813Zi強大的眼圖和抖動分析能力，可以快速的調試和分析USB3.0設計中的碰到的各種問題。

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