安泰测试给某实验室提供方案—（一）USB3.0的物理层发送端测试方案

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安泰测试给某实验室提供方案—（一）USB3.0的物理层发送端测试方案

Agitek小编今天带您了解USB3.0物理层发送端测试方案。

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

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。

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。

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。

如下 54 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。

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。

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