中心議題：

• USB3.0的物理層測試內(nèi)容和測試難點(diǎn)

解決方案：

• TX測試通過USB電纜控制PeRT3并讀取測試結(jié)果
• RX測試通過GPIB接口控制RF Switch切換到另一鏈路

USB簡介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、MP3、U盤等外圍設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)，它使計(jì)算機(jī)與周邊設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)化。在USB1.1版本中支持兩種速率：全速12Mbps和低速1.5Mbps；而USB2.0中支持三種速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。在2002年Intel把USB2.0端口整合到了計(jì)算機(jī)的南橋芯片ICH4上，推動(dòng)了USB2.0的普及，目前除了鍵盤和鼠標(biāo)為低速設(shè)備外，絕大多數(shù)設(shè)備都是速率達(dá)480M的高速設(shè)備。 力科于2009年4月發(fā)布了USB3.0的物理層測試解決方案，包括了針對(duì)HOST/DEVICE的發(fā)送端（TX）測試和接收端（RX）測試、以及USB3.0電纜的TDR測試。對(duì)于USB3.0的TX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(dá)80GS/s），配合USB3.0一致性測試軟件QualiPHY、眼圖醫(yī)生軟件和測試夾具（見圖2），可以快速完成USB3.0的發(fā)送端Compliance測試和調(diào)試分析。對(duì)于USB3.0的RX測試，力科的PeRT3是具備協(xié)議通信能力的誤碼率測試儀，可以完成USB3. 0的誤碼和抖動(dòng)容限測試。在USB3.0規(guī)范中要求同時(shí)測量TX和RX。 USB3.0物理層測試內(nèi)容
力科最新版本的一致性測試軟件QualiPHY-USB3是根據(jù)2009年11月發(fā)布的USB3.0的電氣兼容性測試規(guī)范Rev0.9版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）來開發(fā)的，并且會(huì)隨著測試規(guī)范的更新而不斷更新，該軟件安裝在示波器上，示波器通過USB電纜連接到PeRT3，使用USB與PeRT3進(jìn)行通信，在測試中，QualiPHY軟件可以控制PeRT3發(fā)送特定的信號(hào)，或從PeRT3中讀取RX測試結(jié)果，這樣只需QualiPHY軟件即可完成TX和RX的所有測試。在QualiPHY-USB3測試軟件中，包括了以下測試項(xiàng)目：

1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號(hào)測量
2. SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測量
3. 抖動(dòng)與眼圖測量
4. AC和DC共模電壓測量
5. 差分電壓幅度與去加重測量
6. 誤碼測試與抖動(dòng)容限測量

LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號(hào)測量
測量了Polling.LFPS信令的電壓和時(shí)間參數(shù)，在USB3.0規(guī)范CTS Rev0.9中是必測項(xiàng)目。測試方法為：待測試產(chǎn)品（PUT）的端口上插入U(xiǎn)SB3.0夾具，夾具上的TX端通過同軸電纜連接到示波器的兩個(gè)通道，將PUT上電后，PUT會(huì)發(fā)送出Polling.LFPS信令，示波器捕獲后測量其水平或垂直參數(shù)。如圖3所示為LFPS的信號(hào)特征。在力科一致性測試軟件中會(huì)分析脈沖的上升、下降時(shí)間、周期、占空比、峰峰值、共模電壓，以及脈沖串的突發(fā)持續(xù)時(shí)間（tBurst）和重復(fù)時(shí)間（tRepeat）。 SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測量
SSC經(jīng)常使用在計(jì)算機(jī)主板的電路上，用于減小電磁輻射。在USB3.0中，需要測試擴(kuò)頻時(shí)鐘的調(diào)制頻率（SSC Modulate Rate）、頻偏最大值（SSC Deviation Max）和頻偏最小值（SSC Deviation Min），測試時(shí)PUT發(fā)送出CP1碼型的數(shù)據(jù)流（CP是Compliance Pattern的簡寫，在USB3的物理層測試中，各項(xiàng)測試需要不同的測試碼型）,CP1碼型為D10.2，即0101連續(xù)跳變的碼型，相當(dāng)于頻率2.5GHz的時(shí)鐘，規(guī)范要求擴(kuò)頻時(shí)鐘的調(diào)制頻率為30-33KHz之間，頻偏最小值在+/-300ppm之間，頻偏最大值在-5300ppm到-3700ppm直接。如圖4為力科示波器測量擴(kuò)頻時(shí)鐘的結(jié)果。SSC是CTS Rev0.9中是必測項(xiàng)目，跟USB3.0芯片輸入時(shí)鐘緊密相關(guān)，如果輸入時(shí)鐘的SSC不符合要求，通常USB3.0的輸出信號(hào)的SSC也無法通過測試。 抖動(dòng)與眼圖測量
在USB3.0的TX的眼圖和抖動(dòng)測試中，測量的是待測試信號(hào)經(jīng)過參考測試信道后TP1點(diǎn)的眼圖和抖動(dòng)。如圖5中的Reference test channel即為參考測試信道，在規(guī)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(hào)到達(dá)接收端時(shí)衰減比較大，眼圖已經(jīng)閉合，USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡后，信號(hào)眼圖的質(zhì)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(hào)的眼圖和抖動(dòng)。目前業(yè)界常用的是Intel的11英寸背板和3米USB電纜作為參考信道。 如圖6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(dòng)較大；右邊的眼圖是仿真CTLE均衡后的眼圖，可見眼高和抖動(dòng)都得到改善。
眼圖和抖動(dòng)測試中信號(hào)源需要發(fā)出特別的測試碼型，對(duì)于眼圖測試，需要CP0碼型（擾碼的D0.0），對(duì)于抖動(dòng)測試，需要CP0碼流或者CP1碼流（D10.2），前者用于確定性抖動(dòng)Dj的測量，后者用于隨機(jī)抖動(dòng)Rj的測量。眼高必須從連續(xù)的1百萬個(gè)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(dòng)為10e-12誤碼率時(shí)抖動(dòng)的峰峰值（即總體抖動(dòng)Tj）。

AC和DC共模電壓測量
這項(xiàng)測試需要PUT發(fā)送CP0碼流，測量差分信號(hào)的交流和直流共模電壓，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之間），但是在USB3.0的兼容性測試規(guī)范CTS Rev0.9中未作要求。

差分電壓幅度和去加重測量
差分電壓擺幅測試的目的是驗(yàn)證信號(hào)峰峰值是否在0.8-1.2V之間。測試中PUT需要發(fā)送出測試碼型CP8，CP8由50-250個(gè)連續(xù)的1和50-250個(gè)連續(xù)的0重復(fù)交替組成，而且消除了去加重，其波形相當(dāng)于50-250分頻的時(shí)鐘。在這些測試中，把USB3.0測試夾具去嵌后測量結(jié)果更精確。

為了把5Gbps速率的數(shù)據(jù)傳送較遠(yuǎn)的距離，USB3.0的發(fā)送端使用了去加重技術(shù)，這項(xiàng)測試可以測量PUT的去加重程度是否滿足規(guī)范要求（要求在-3dB到-4dB之間）。測試時(shí)DUT發(fā)送出CP7碼流，CP7碼型由50-250個(gè)連續(xù)的1和50-250個(gè)連續(xù)的0重復(fù)交替組成，而且是添加了去加重的信號(hào)波形。在USB3.0的兼容性測試規(guī)范CTS Rev0.9中對(duì)差分電壓幅度和去加重測量未作要求。

誤碼與抖動(dòng)容限測試
由于USB3.0的速率高達(dá)5Gbps，在USB3.0規(guī)范中接收機(jī)測試成為必測項(xiàng)目。接收機(jī)測試包括了誤碼和抖動(dòng)容限測試兩部分。
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對(duì)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7左圖所示為傳統(tǒng)的BER測試和抖動(dòng)容限測試的示意圖。
BERT的Pattern Generator發(fā)送出特定的測試碼流，碼流中添加了定量的抖動(dòng)，通過參考測試信道后到達(dá)待測試芯片（DUT）的RX端，DUT設(shè)置為retimed loopback模式（重定時(shí)自環(huán)模式），將接收到的數(shù)據(jù)從芯片的TX端發(fā)送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的碼流和發(fā)送的碼流，對(duì)錯(cuò)誤的比特計(jì)數(shù)，得到誤碼率。調(diào)節(jié)Pattern Generator輸出碼流在各種頻段的抖動(dòng)值，并測試誤碼率，可以得到DUT的抖動(dòng)容限。

對(duì)于USB3.0的接收機(jī)測試還可以使用另一種方法：即Loopback BERT Method。如下圖7的右圖所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT發(fā)送出的已知的測試碼流，對(duì)接收到的誤碼計(jì)數(shù)，誤碼數(shù)量存入誤碼寄存器（如下圖7的Error Register），LeCroy PeRT3直接讀取誤碼寄存器，得到誤碼率和抖動(dòng)容限測試結(jié)果。 兩種測試方法對(duì)比，前者是串行信號(hào)接收端測試通常使用的傳統(tǒng)方法，其誤碼判定在BERT端，即在DUT的外部進(jìn)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(nèi)部進(jìn)行BER測量。力科的PeRT3同時(shí)支持以上兩種測試方法。

USB3.0的測試難點(diǎn)與力科的解決方案
目前在USB3.0的物理層測試中，通常存在以下難點(diǎn)

1. TX的全部測試需要不同的兼容性測試碼型（全部測試需要CP0/CP1/CP7/CP8），對(duì)于USB3.0的板級(jí)開發(fā)工程師去配置PUT發(fā)送出不同的測試碼型比較困難。

2. RX的測試需要讓PUT進(jìn)入Loopback模式，板級(jí)開發(fā)工程師很難讓PUT的芯片進(jìn)入環(huán)回模式，測試其誤碼和抖動(dòng)容限。

3. TX和RX都是兼容性測試的必測項(xiàng)目，但是A公司的測試方案需要多臺(tái)儀器，TX和RX的測試結(jié)果分別在兩臺(tái)儀器上，生成了兩個(gè)獨(dú)立的測試報(bào)告，測試的配置和操作過程非常復(fù)雜，完成全部項(xiàng)目測量需要很長時(shí)間。

在2009年11月力科更新了USB3.0的物理層測試方案，可以全自動(dòng)的完成兼容性測試的所有項(xiàng)目，解決了上述三個(gè)難點(diǎn)。如下圖8、9所示力科USB3.0的解決方案示意圖，測試儀器和附件由帶寬13GHz以上的示波器、PeRT3、RF Switch、USB3.0測試夾具等等組成。 在TX測試時(shí)，信號(hào)的傳輸鏈路如圖8的上半部分所示，力科示波器通過USB電纜控制PeRT3，PeRT3通過同軸電纜向PUT的RX端發(fā)送Ping.LFPS，PUT的TX連接到示波器的通道。PeRT每發(fā)送一次Ping.LFPS，則PUT的TX發(fā)送的碼型在CP0到CP8之間切換一次（比如從CP0變?yōu)镃P1，或從CP8變?yōu)镃P0），這樣無需測試人員去配置PUT發(fā)送不同的測試碼型了，通過PeRT3，力科的QualiPHY軟件會(huì)自動(dòng)控制PUT發(fā)送不同的測試碼型，完成TX的所有測試。

在RX測試時(shí)，示波器通過GPIB接口控制RF Switch切換到另一鏈路，如圖8下部分所示，PeRT3的碼型發(fā)生器輸出的加入抖動(dòng)的信號(hào)先通過Compliance Test Channel（由Intel的11英寸背板和3米USB3.0電纜組成），然后連接到USB3夾具，進(jìn)入PUT的RX端，PUT的TX端通過夾具，把信號(hào)發(fā)送給PeRT3的Error Dector端。

由于示波器通過USB電纜控制PeRT和并讀取PeRT的測試結(jié)果，并通過GPIB控制RF Switch在鏈路間自動(dòng)切換，這樣，USB3.0的TX和RX測試完全自動(dòng)化，無需人工干預(yù)，操作步驟非常簡單，節(jié)省了測試時(shí)間。 結(jié)語
本文簡要介紹了USB3.0的物理層測試內(nèi)容和測試難點(diǎn)。力科的一致性測試軟件QualiPHY-USB3.0可以控制示波器、誤碼率測試儀PeRT3，快捷的、全自動(dòng)的測量USB3.0的所有測試項(xiàng)目，大大的簡化了工程師的測試與調(diào)試時(shí)間，是業(yè)內(nèi)最全面和 快捷的測試解決方案。

參考文獻(xiàn)
1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0.
2, Electrical Compliance Test Specification Rev0.9, SuperSpeed USB.
3, LeCroy USB3.0 Datasheet.