USB3.0的物理层测试探讨

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。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。 力科于2009年4月发布了USB3.0的物理层测试解决方案，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。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）。 SSC（Spread Spectrum Clock）展频测量
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。 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。
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。