USB3[1].0物理层测试探头-Ivan

USB3.0 的物理层测试探讨 美国力科公司深圳代表处 张昌骏 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化。在 USB1.1 版本中支持两种速率：全速 12Mbps 和低速 1.5Mbps；而 USB2.0 中支持三种速率：高速 480Mbps、全速 12Mbps、低速 1.5Mbps。在 2002 年 Intel 把 USB2.0 端口整合到了计算机的 南桥芯片 ICH4 上，推动了 USB2.0 的普及，目前除了键盘和鼠标为低速设备外，绝大多数 设备都是速率达 480M 的高速设备。 图 1：USB2.0 与 USB3.0 的速度对比 尽管 USB2.0 的速度已经相当快，对于目前蓝光 DVD、高清视频、TB 级别的大容量硬 盘的数据传输还是有些慢，于是，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 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 。USB3.0 又称为 SuperSpeed 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，如图 1 所示：使用 USB2.0 拷贝 25GB 的文件需要 14 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 2011 年逐渐在计算机和消费电子产品上使用。 图 2：力科的 USB3.0 测试夹具 力科于 2009 年 4 月发布了 USB3.0 的物理层测试解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，包括了针对 HOST/DEVICE 的发送端（TX）测试和接收端（RX）测试、以及 USB3.0 电缆的 TDR 测试。对于 USB3.0 的 TX 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（见图 2），可以快速完成 USB3.0 的发送端 Compliance 测试和调试 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 。对于 USB3.0 的 RX 测试，力科的 PeRT3 是 具备协议通信能力的误码率测 试仪，可以完成 USB3. 0 的误码 和抖动容限测试。在 USB3.0 规 范中要求同时测量 TX 和 RX。 USB3.0 物理层测试内容 力科最新版本的一致性测试软件 QualiPHY-USB3 是根据 2009 年 11 月发布的 USB3.0 的电气兼容性测试规范 Rev0.9 版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）来开发 的，并且会随着测试规范的更新而不断更新，该软件安装在示波器上，示波器通过 USB 电 缆连接到 PeRT3，使用 USB 与 PeRT3 进行通信，在测试中，QualiPHY 软件可以控制 PeRT3 发送特定的信号，或从 PeRT3 中读取 RX 测试结果，这样只需 QualiPHY 软件即可完成 TX 和 RX 的所有测试。在 QualiPHY-USB3 测试软件中，包括了以下测试项目： 1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信号测量 2. SSC（Spread Spectrum Clock）展频测量 3. 抖动与眼图测量 4. AC 和 DC 共模电压测量 5. 差分电压幅度与去加重测量 6. 误码测试与抖动容限测量 LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信号测量 测量了 Polling.LFPS 信令的电压和时间参数，在 USB3.0 规范 CTS Rev0.9 中是必测项 目。测试方法为：待测试产品（PUT）的端口上插入 USB3.0 夹具，夹具上的 TX 端通过同 轴电缆连接到示波器的两个通道，将 PUT 上电后，PUT 会发送出 Polling.LFPS 信令，示波 器捕获后测量其水平或垂直参数。如图 3 所示为 LFPS 的信号特征。在力科一致性测试软件 中会分析脉冲的上升、下降时间、周期、占空比、峰峰值、共模电压，以及脉冲串的突发持 续时间（tBurst）和重复时间（tRepeat）。 图 3：LFPS 信号的波形 SSC（Spread Spectrum Clock）展频测量 图 4：扩频时钟测试结果 SSC 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（SSC Modulate Rate）、 频偏最大值（SSC Deviation Max）和频偏 最小值（SSC Deviation Min），测试时 PUT 发送出 CP1 码型的数据流（ 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）,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，频偏最小值在+/-300ppm 之间，频偏最大值在-5300ppm 到-3700ppm 直接。如图 4 为力科示波器测量扩频时钟的结果。SSC 是 CTS Rev0.9 中是必测项目，跟 USB3.0 芯片输入时钟紧密相关，如果输入时钟的 SSC 不符合要求，通常 USB3.0 的输出信 号的 SSC 也无法通过测试。 抖动与眼图测量 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。如图 5 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，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。目前业界常用的是 Intel 的 11 英寸背板和 3 米 USB 电缆作为参考信 道。 图 5：USB3.0 的 TX 的眼图测试点（来自 USB3.0 规范） 如图 6 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 6：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）。 AC 和 DC 共模电压测量 这项测试需要 PUT 发送 CP0 码流，测量差分信号的交流和直流共模电压，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 之间）， 但是在 USB3.0 的兼容性测试规范 CTS Rev0.9 中未作要求。 差分电压幅度和去加重测量 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 PUT 需要发 送出测试码型 CP8，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。 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 PUT 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。在 USB3.0 的兼容性测试规范 CTS Rev0.9 中对差分电压幅度 和去加重测量未作要求。 误码与抖动容限测试 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 测试包括了误码和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 7 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 7 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 7 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。 图 7：USB3.0 的两种误码测试和抖动容限测试方法示意图 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。 USB3.0 的测试难点与力科的解决方案 目前在 USB3.0 的物理层测试中，通常存在以下难点 1. TX 的全部测试需要不同的兼容性测试码型（全部测试需要 CP0/CP1/CP7/CP8），对于 USB3.0 的板级开发工程师去配置 PUT 发送出不同的测试码型比较困难。 2. RX 的测试需要让 PUT 进入 Loopback 模式，板级开发工程师很难让 PUT 的芯片进入环 回模式，测试其误码和抖动容限。 3. TX 和 RX 都是兼容性测试的必测项目，但是 A 公司的测试方案需要多台仪器，TX 和 RX 的测试结果分别在两台仪器上，生成了两个独立的测试 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 ，测试的配置和操作过 程非常复杂，完成全部项目测量需要很长时间。 在 2009 年 11 月力科更新了 USB3.0 的物理层测试方案，可以全自动的完成兼容性测试的所 有项目，解决了上述三个难点。如下图 8、9 所示力科 USB3.0 的解决方案示意图，测试仪 器和附件由带宽 13GHz 以上的示波器、PeRT3、RF Switch、USB3.0 测试夹具等等组成。 在 TX 测试时，信号的传输链路如 图 8 的上半部分所示，力科示波器 通过 USB 电缆控制 PeRT3，PeRT3 通过同轴电缆向 PUT 的 RX 端发送 Ping.LFPS，PUT 的 TX 连接到示波 器的通道 。 PeRT 每 发送一次 Ping.LFPS，则 PUT 的 TX 发送的码 型在 CP0 到 CP8 之间切换一次（比 如从 CP0 变为 CP1，或从 CP8 变为 CP0），这样无需测试人员去配置 PUT 发送不同的测试码型了，通过 PeRT3，力科的 QualiPHY 软件会 自动控制 PUT 发送不同的测试码 型，完成 TX 的所有测试。 图 8：USB3.0 的全自动测试原理示意图 在 RX 测试时，示波器通过 GPIB 接口控制 RF Switch 切换到另一链 路，如图 8 下部分所示，PeRT3 的 码型发生器输出的加入抖动的信 号先通过 Compliance Test Channel （由 Intel 的 11 英寸背板和 3 米 USB3.0 电缆组成），然后连接到 USB3 夹具，进入 PUT 的 RX 端， PUT 的 TX 端通过夹具，把信号发 送给 PeRT3 的 Error Dector 端。 由于示波器通过USB电缆控制PeRT和并读取PeRT的测试结果，并通过GPIB控制RF Switch 在链路间自动切换，这样，USB3.0 的 TX 和 RX 测试完全自动化，无需人工干预，操作步 骤非常简单，节省了测试时间。 结语 本文简要介绍了 USB3.0 的物理层测试内容和测试难点。力科的一致性测试软件 QualiPHY-USB3.0 可以控制示波器、误码率测试仪 PeRT3，快捷的、全自动的测量 USB3.0 的所有测试项目，大大的简化了工程师的测试与调试时间，是业内最全面和 快捷的测试解 决方案。 图 9：力科 USB3.0 的物理层测试解决方案 参考文献 1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0. 2, Electrical Compliance Test Specification Rev0.9, SuperSpeed USB. 3, LeCroy USB3.0 Datasheet. USB3.0的物理层测试探讨 USB简介 USB3.0物理层测试内容 USB3.0的测试难点与力科的解决方案 结语