USB3.0的物理层接收端的测试方法 (完整版)

USB3.0的物理层接收端的测试方法 (完整版)

USB3.0的Receiver测试的两种方法

由于USB3.0的速率高达5Gbps，在USB3.0规范中接收机测试成为必测项目。接收机测试包括了误码率测试和接收机抖动容限测试两部分。

对于Receiver Compliance测试，需要使用误码率测试仪BERT（Bit Error Ratio Tester，简称BERT），比如力科的PeRT3。BERT由Pattern Generator和Error Detector组成。如下图1左图所示为传统的BER测试和抖动容限测试的示意图。BERT的Pattern Generator发送出特定的测试码流，码流中添加了定量的抖动，通过参考测试信道后到达待测试芯片（DUT）的RX端，DUT设置为retimed loopback模式（重定时自环模式），将接收到的数据从芯片的TX端发送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的码流和发送的码流，对错误的比特计数，得到误码率。调节Pattern Generator输出码流在各种频段的抖动值，并测试误码率，可以得到DUT的抖动容限。

对于USB3.0的接收机测试还可以使用另一种方法：即Loopback BERT Method。如下图1的右图所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT发送出的已知的测试码流，对接收到的误码计数，误码数量存入误码寄存器（如下图1的Error Register），LeCroy PeRT3直接读取误码寄存器，得到误码率和抖动容限测试结果。

两种测试方法对比，前者是串行信号接收端测试通常使用的传统方法，其误码判定在BERT端，即在DUT的外部进行BER测试；后者是USB3.0芯片接收端直接测量误码率，测试仪器读取待测试芯片的误码寄存器来了解误码值，即DUT内部进行BER测量。力科的PeRT3同时支持以上两种测试方法。

力科的接收机测试方案——PeRT3

PeRT3是Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester的简写（如下图2所示）。首先具备了BERT的Pattern Generator和Error Detector功能，可以对输入信号注入不同频段的随机抖动和固有抖动，而且独有的协议层分析能力可以对DUT进行初始化和遥控，控制其进入或退出环回模式，使接收机测试更加方便和快捷，还可以测量Frame Error Rate，并识别和记录协议层的错误。

对于USB3.0的接收端测试，需要配置PeRT3和实时示波器SDA813Zi，SDA813Zi用于校准PeRT3的码型发生器输出信号的幅度和抖动等指标。

在接收机测试中，码型发生器和待测试芯片的扩频时钟功能（SSC）都打开，输出信号的特征需满足下图3所示：信号的峰峰值大于750毫伏，-3dB的去加重，随机抖动的RMS值为0.0121UI（Unit Interval的简称，即1个比特的时间），即0.0121*200ps = 2.42ps，添加的正弦抖动的频率为500kHz、1MHz、2MHz、4.9MHz、50MHz，其对应的抖动峰峰值为2UI、1UI、0.5UI、0.2UI、0.2UI。要求在添加了上述数量的随机抖动和正弦抖动后误码率小于 。其中，频率低于500KHz的抖动大于2个比特，说明USB3.0芯片的接收端需具备较强的抖动过滤能力，因为多数开关电源工作在这个频段。




图3：接收机抖动容限测试的参数设置（BER=  ）

码型发生器输出信号的幅度、去加重和抖动参数在图3中的TP1点用示波器SDA813Zi测量并校准。校准后连接参考测试信道和电缆，通过USB3.0夹具连接到DUT的RX，DUT的TX连接到PeRT3的Error Detector。

推荐的测试码流是扰码后的D0.0，对于USB3.0的误码率为 测试，一次需要大概10分钟，而规范要求测量加入5个频率正弦抖动时的误码，所以完成5个频点的测试需要50分钟，非常耗时。为了加快测试与验证速度，在USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5中提出一种快速测量接收机BER的方法，即加大各频点的固有抖动数值后，只测量到误码率= ，这样只需30秒即可完成5个频点的抖动容限测试。如图4所示为误码率= 的抖动容限测试参数。

图4：接收机抖动容限测试的参数设置（BER= ）

力科PeRT3可以自动测量多个频点下的抖动容限和误码率，如下图5所示为某USB3.0芯片的抖动容限测试结果，横轴为频率，纵轴为该频点的抖动幅度，黑线为USB3.0规范要求的抖动容限，红点为出现误码的正弦抖动的幅度，由于红点都在黑线之上，说明该芯片接收端的抖动容限满足规范要求。

图5：某USB3.0芯片接收机测试结果

结语：本文简要介绍了力科测试USB3.0的接收端的解决方案。力科的PeRT3结合了误码率测试仪和协议分析仪两种功能，可以快速验证USB3.0芯片的接收端抖动容限和误码率，配合力科第四代示波器SDA813Zi强大的眼图和抖动分析能力，可以快速的调试和分析USB3.0设计中的碰到的各种问题。


图6：力科的USB3.0的发送端和接收端测试系统

参考文献
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简介

USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线，用于把键盘、鼠标、打印机、扫描仪、数码相机、MP3、U盘等外围设备连接到计算机，它使计算机与周边设备的接口标准化，从2000年以后，支持USB2.0版本的计算机和设备已被广泛使用，USB2.0包括了三种速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。目前除了键盘和鼠标为低速设备外，大多数设备都是速率达480M的高速设备。

尽管USB2.0的速度已经相当快，对于目前高清视频和动辄GByte的数据传输还是有些慢，在2008年11月，HP、Intel、微软、NEC、ST-NXP、TI联合起来正式发布了USB3.0的V1.0规范。USB3.0又称为Super Speed USB，比特率高达5Gbps，相比目前USB2.0的480Mbps的速率，提高了10倍以上，引用Intel专家Jeff Ravencraft的话：“以25GB的文件传输为例，USB2.0需要13.9分钟，而3.0只需70秒左右。”25GB，正好是单面单层蓝光光盘的容量。USB3.0预计将在2010年逐渐在计算机和消费电子产品上使用。

力科于2009年4月发布了USB3.0的物理层测试解决方案，能提供端到端的互操作测试和兼容性测试，包括了Transmitter测试、Receiver测试、TDR测试。此外，力科还提供了业界领先的USB3.0协议层测试方案。

USB3.0的Transmitter测试

对于USB3.0的Transmitter测试，为了测量到5次谐波，需要带宽12.5GHz以上的示波器，力科的SDA813Zi带宽13GHz，采样率40GSamples/s（最高可达80GS/s），配合USB3.0一致性测试软件QualiPHY、眼图医生软件和测试夹具，可以快速完成USB3.0的发送端Compliance测试和调试分析。

QualiPHY软件可以使USB3.0发送端的各项测试自动化，并生成多种格式的测试报告。在QualiPHY的USB3.0测试软件中，包括差分电压摆幅测试、去加重比值测试（De-emphasis ratio test）、眼图和抖动测试、扩频时钟测试（Spread Spectrum Test），图1所示为报告中的整体测试项目概览，列出了测试项目对应的Spec的条目，测试项目的名称，当前测试结果，测试判定条件等。

在发送端测试中，通常需要消除USB3.0的测试夹具引入的损耗和反射。如下图1所示为USB3.0发送端测试示意图：夹具插到待测试芯片的USB口，夹具上通过PCB的传输线USB口引出到4个SMA连接头（USB3的TX和RX各两个），然后用SMA接口的同轴电缆连接到示波器。由于夹具上的连接器、过孔、传输线等会使信号发生衰减、色散或者反射，导致示波器测量到的信号有所恶化。力科的眼图医生软件包括了夹具去嵌功能，只需输入夹具的S参数模型文件（可由VNA或者TDR测量得到），即可计算出没有夹具时测量到的信号的波形与眼图。

如图2左下部分所示为示波器测量的USB3.0信号去嵌后测量到的眼图，图1右下部分是示波器直接测量到的眼图（即未作夹具去嵌的眼图），相比后者，前者的上升下降沿更陡峭，眼轮廓清晰，眼张得更开。从这个比较图中可以看到力科的去嵌技术可以消除测试夹具的负面作用。使用夹具去嵌功能后，可以更加准确的测量电压摆幅和去加重的比值。


图1: 力科一致性测试软件QualiPHY产生的报告一部分

差分电压摆幅测试

差分电压摆幅测试的目的是验证信号峰峰值是否在0.8-1.2V之间。测试中Device Under Test（简称DUT）需要发送出测试码型CP8（CP是Compliance Pattern的简写，在USB3的物理层测试中，各项测试需要不同的测试码型，USB3.0规范中定义了各种测试码流，USB3.0的芯片厂商提供了软件接口来配置其发送数据的码型），CP8由50-250个连续的1和50-250个连续的0重复交替组成，而且消除了去加重，其波形相当于50-250分频的时钟。在这些测试中，把USB3.0测试夹具去嵌后测量结果更精确。



去加重比值测试

为了把5Gbps速率的数据传送较远的距离，USB3.0的发送端使用了去加重技术，这项测试可以测量DUT的去加重程度是否满足规范要求（要求在-3dB到-4dB之间）。测试时DUT发送出CP7码流，CP7码型由50-250个连续的1和50-250个连续的0重复交替组成，而且是添加了去加重的信号波形。图3为某USB3.0芯片的去加重测量结果，该芯片采用了-3.47dB的去加重。


图3：某USB3.0芯片的去加重比值测量

眼图与抖动测试

在USB3.0的TX的眼图和抖动测试中，测量的是待测试信号经过参考测试信道后TP1点的眼图和抖动。如下图4中的Reference test channel即为参考测试信道，在规范中定义了long channel、short channel和3米电缆三种参考测试信道。如果使用long channel或者较长电缆，信号到达接收端时衰减比较大，眼图已经闭合，USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器对信号进行均衡后（CTLE均衡器介绍见本文最后一部分），信号眼图的质量将大大改善，所以要求测试仪器分析出CTLE均衡器处理后信号的眼图和抖动。

图4：USB3.0的TX的眼图测试点（来自USB3.0规范）

如下图5所示，左边的眼图是靠近TX近端测量到的眼图；中间的眼图是通过兼容性信道（参考测试信道）后测量的眼图，可见眼图的张开程度较小，抖动较大；右边的眼图是仿真CTLE均衡后的眼图，可见眼高和抖动都得到改善。

图5：USB3.0的Transmitter测试在近端、远端和均衡后的眼图对比

眼图和抖动测试中信号源需要发出特别的测试码型，对于眼图测试，需要CP0码型（扰码的D0.0），对于抖动测试，需要CP0码流或者CP1码流（D10.2），前者用于确定性抖动Dj的测量，后者用于随机抖动Rj的测量。眼高必须从连续的1百万个比特叠加的眼图中测量，力科SDA813Zi示波器完成1百万比特的眼图仅需2秒，速度是同类示波器的10-50倍以上。抖动为10e-12误码率时抖动的峰峰值（即总体抖动Tj）。

扩频时钟测试（Spread Spectrum Clock Test）

扩频时钟经常使用在计算机主板的电路上，用于减小电磁辐射。在USB3.0中，需要测试扩频时钟的调制频率和频偏，测试时DUT发送出CP1码型的数据流（CP1码型为D10.2，即0101连续跳变的码型，相当于频率2.5GHz的时钟），规范要求扩频时钟的调制频率为30-33KHz之间，频偏在0ppm到-5000ppm之间。如下图6为力科示波器测量扩频时钟的结果。


USB3.0使用的CTLE均衡器

Continuous Time Linear Equalization均衡器（简称CTLE）即连续时间线性均衡器，是一种常见的线性均衡器，在USB3.0芯片的接收端中使用了CTLE均衡器。USB3.0的速度高达5Gbps，当USB电缆较长时，RX端眼图很可能已闭合，这时分析眼图与抖动是没有意义的。使用力科眼图医生的CTLE均衡仿真后，对均衡后信号测量眼图与抖动指标，可以精确的验证其性能。结合力科的信道仿真功能，直接测量USB3.0的TX，可以迅速评估不同的信道是否需要均衡或者均衡后信号的性能指标如何。

USB的官方组织规定了USB3.0使用的CTLE均衡器的参数，如下图7左上部分为均衡器的频响，右上方的表格是均衡器的参数，下方是力科示波器中集成了USB3.0的均衡器参数，可方便调用。



结语：本文简要介绍了力科测试USB3.0的发送端的解决方案。力科的眼图医生软件可以快速验证经过USB3.0电缆后远端的信号质量，以及CTLE均衡器均衡后的眼图和抖动，帮助USB3.0开发人员快速测试和验证USB3.0芯片和电路设计。力科第四代示波器SDA813Zi强大的眼图和抖动分析能力，可以快速的调试和分析USB3.0设计中的碰到的各种问题。

 

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