- USB3.0物理層測試內容、難點介紹
- 力科USB3測試方案的特點
- 力科QualiPHY-USB3.0控制示波器、誤碼率測試儀PeRT3
- 快捷的、全自動的測量USB3.0的測試項目
- 簡化測試與調試時間
USB簡介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤、鼠標、打印機、掃描儀、數碼相機、MP3、U盤等外圍設備連接到計算機，它使計算機與周邊設備的接口標準化，從2000年以后，支持USB2.0版本的計算機和設備已被廣泛使用，USB2.0包括了三種速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。目前除了鍵盤和鼠標為低速設備外，大多數設備都是速率達480M的高速設備。
盡管USB2.0的速度已經相當快，對于目前高清視頻和TB級別的數據傳輸還是有些慢，在2008年11月，HP、Intel、微軟、NEC、ST-NXP、TI聯合起來正式發布了USB3.0的V1.0規范。USB3.0又稱為Super Speed USB，比特率高達5Gbps，相比目前USB2.0的480Mbps的速率，提高了10倍以上，引用Intel專家Jeff Ravencraft的話：“以25GB的文件傳輸為例，USB2.0需要14分鐘，而3.0只需70秒左右（如圖1所示）。”25GB，正好是單面單層藍光光盤的容量。USB3.0預計將在2011年逐漸在計算機和消費電子產品上使用。
圖1：USB2.0與USB3.0的速度對比
力科于2009年4月發布了USB3.0的物理層測試解決方案，能提供端到端的互操作測試和兼容性測試，包括了Transmitter測試、Receiver測試、TDR測試。此外，力科還提供了業界領先的USB3.0協議層測試方案。USB3.0物理層測試內容介紹
對于絕大多數高速串行信號的測量，通常包括了發送端測量和接收機測量，又稱為TX測量和RX測量。目前，對于板級設計的硬件工程師，對發送端測試已經非常熟悉。通常使用高帶寬示波器加上測試夾具或差分探頭來測量，測試項目主要是眼圖、抖動、上升/下降時間、幅度等等，探測點的位置一般是串行鏈路的發送端或接收端，由于測量的都是高速收發器芯片發送出的信號，對于這一類測試通常都稱為發送端測試，如下圖2為典型的TX測試的示意圖。
圖2：發送端（TX）測試的示意圖
圖3為接收機測試的示意圖。接收機測試所需的儀器是誤碼率測試儀（簡稱BERT），BERT通常包括碼型發生器（Pattern Generator）和誤碼檢測器（Error Detector）兩部分。在接收機測試時，碼型發生器輸出特定碼型的、帶有大量抖動和噪聲的信號到待測試產品（Product Under Test，簡稱PUT）的RX，PUT接收到后通過時鐘與數據恢復電路（簡稱CDR）、判別電路和解碼得到1和0組合的比特流，然后環回到輸出寄存器，從PUT的TX緩沖器發送出去，PUT的TX連接到了BERT的誤碼檢測器，誤碼檢測器中的CDR、判別電路處理后解碼得到1與0組合的數據比特流，然后與碼型發生器輸出的特定碼型數據對比，如果兩者完全吻合則沒有誤碼，否則，記錄下誤碼的數量和接收到的碼流的比特總數，前者除以后者即誤碼率，同時記錄接收到誤碼時碼型發生器輸出信號的抖動值。如果用示波器測量PUT的RX端接收到的信號的眼圖，通常是閉合的，如圖3的左下圖所示；如果用示波器測量PUT的TX端輸出信號的眼圖，通常是良好的眼圖，如圖3右下圖所示。修改碼型發生器輸出信號的隨機抖動、固有抖動、信號幅度等參數，可以快速評估PUT的接收機性能。
圖3：接收機（RX）測試的示意圖
力科的USB3.0物理層測試方案包括了：示波器SDA813Zi、誤碼率測試儀PeRT、USB3.0測試夾具、自動化測試軟件QualiPHY-USB3和眼圖醫生軟件。力科最新版本的一致性測試軟件QualiPHY-USB3是根據2009年11月發布的USB3.0的電氣兼容性測試規范Rev0.9版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）來開發的，并隨著測試規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電纜與PeRT3進行通信，在測試中，QualiPHY軟件可以控制PeRT3發送特定的信號，或從PeRT3中讀取RX測試結果，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，包括了以下測試項目：
1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號測量
2. SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測量
3. 抖動與眼圖測量
4. AC和DC共模電壓測量
5. 差分電壓幅度與去加重測量
6. 誤碼測試與抖動容限測量
其中，前面5項都是發送端測試，最后一項是接收機測試。
USB3.0物理層測試的難點
在USB3.0的物理層測試中有以下難點
1. 完成全部TX測試項目需要多種測試碼型，一些非USB3.0芯片開發人員很難讓PUT發出特定的兼容性測試碼型
2. 在接收機測試時，PUT很難進入環回模式（Loopback模式）
3. 在接收機測試時，PUT發送出的碼流會加入一些SKP，這樣，BERT的Error Dector接收到的數據包括測試碼型和一些SKP，對比碼型發生器發送出的測試碼型，傳統的BERT會誤認為測量到了誤碼。
[page]
難點1：
在USB3.0規范中定義了多種兼容性測試碼型（Compliance Pattern，簡稱CP），如下圖4所示包括了CP0-CP8九種測試碼型。在TX測量中，需要用到CP0/CP1/CP7/CP8四種碼型：CP0用于眼圖與抖動、共模電壓測量；CP1用于SSC展頻測量、隨機抖動測量；CP7用于去加重測量；CP8用于差分電壓幅度測量。
圖4：兼容性測試碼型的定義
圖5：PERT遙控PUT發送各種測試碼型
難點2：在接收機測試中，需要通過Polling.LFPS->Rx.EQ->TS1->TS2->Loopback這一過程才能進入環回模式來測量接收機性能。在這個過程中接收機測試儀器（比如BERT）需要不斷的和PUT進行“握手”（handshake），在鏈路層與PUT通信，使其一步一步的進入Loopback模式，這對一些接收機測試儀器是非常困難的，比如X公司的接收機測試儀器是傳統BERT，不能與PUT進行“握手”，很難從Polling.LFPS逐步進入Loopback模式，而Y公司的接收機測試儀器為任意波形發生器，可以發送LFPS信令到PUT，但是無法從協議上識別PUT響應的信令，于是，很難逐步從Polling.LFPS進入到Loopback模式。如果未進入Loopback模式，通常使用人員會在信號源上編輯腳本，不斷調整LFPS、Rx.EQ、TS1、TS2之間的時間間隔，以期望調整后的信令能逐步使PUT進入環回模式，當測量新的USB3.0的IC時，可能又要修改信號源輸出腳本。我們稱這種只發不收的方法為Blind handshake，即接收機測試儀盲目的發出信令與PUT“握手”，但是無法識別PUT響應的信令。
力科的USB3.0接收機測試儀器PeRT解決了進入環回模式困難這一問題。PeRT全名為Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester，具備了鏈路層的協議分析能力，可以順利的與PUT“握手”，逐步進入Loopback模式，快速測量接收機。
難點3：
在USB3.0中，鏈路兩端的產品的參考時鐘頻率可能是不一樣的，參考時鐘允許的精度為+/-300ppm，SSC展頻引入的頻率偏差為0到-5000ppm，所以總的頻率偏差在-5300ppm到300ppm。為了補償頻率偏差，在USB3中的數據流中每354個symbol要插入兩個SKP（即K28.1碼），接收端需要能識別和刪除SKP，在USB3.0芯片中，添加和刪除SKP是由Elasticity Buffer來實現的（詳見USB3.0 Specification的6.4.3節）。于是，在接收機測試時，PUT發送出的碼流會加入一些SKP，誤碼檢測器接收到的數據包括了測試碼型和一些SKP，然后對比碼型發生器發送出的測試碼型，傳統的BERT會誤認為測量到了誤碼。而力科的PeRT可以智能的添加和刪除SKP后，再來計算是否有誤碼。圖6為USB3.0的Elasticity Buffer處理SKP的示意圖。
圖6：USB3.0的Elasticity Buffer處理SKP
力科USB3測試方案的特點在2009年11月力科更新了USB3.0的物理層測試方案，可以全自動的完成兼容性測試的所有項目。如下圖7、8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，信號的傳輸鏈路如圖7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端發送Ping.LFPS，PUT的TX連接到示波器的通道。PeRT每發送一次Ping.LFPS，則PUT的TX發送的碼型在CP0到CP8之間切換一次（比如從CP0變為CP1，或從CP8變為CP0），這樣無需測試人員去配置PUT發送不同的測試碼型了，通過PeRT3，力科的QualiPHY軟件會自動控制PUT發送不同的測試碼型，完成TX的所有測試。
圖7：USB3.0的全自動測試原理示意圖
由于示波器通過USB電纜控制PeRT和并讀取PeRT的測試結果，并通過GPIB控制RF Switch在鏈路間自動切換，這樣，USB3.0的TX和RX測試完全自動化，無需人工干預，操作步驟非常簡單，節省了測試時間。
圖8：力科USB3.0的物理層測試解決方案
本文簡要介紹了USB3.0的物理層測試內容和測試難點。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、全自動的測量USB3.0的所有測試項目，大大的簡化了工程師的測試與調試時間，是業內最全面和 快捷的測試解決方案。
參考文獻
1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0.
2, Electrical Compliance Test Specification Rev0.9, SuperSpeed USB.
3, LeCroy USB3.0 Datasheet.
