搜索
再谈USB3.0测试的关键技术安捷伦科技(中国)有限公司马卓凡前言:随着Intel发布IvyBridge平台，PantherPoint芯片组直接支持USB3.0接口，AMD之前也有直接支持USB3.0的HudsonD3/M3芯片组推出，PC厂商已不必再采用第三方桥接芯片从PCIe2.0扩展USB3.0，这将会加速推动USB3.0技术的推广与发展，现在已经有越来越多外围的硬盘等存储设备支持USB3.0标准，也有一些视频传输的产品支持USB3.0的接口，USB-IF（USB实施者论坛）预计在2012年底智能手机和平板电脑等移动终端也会发布配备有MicroUSB接口USB3.0产品。笔者最近也遇到不少开发测试人员希望了解如何测试USB3.0Rx（接收端）性能，相对来说开发测试者可能对Tx（发射端）指标的测试验证更熟悉，其方案是基于示波器来完成的，测试方法也相对容易着手，但对于Rx的测试，在计算机及高速总线领域却是很新的，笔者这篇文章将总结USB3.0的测试方案，归纳USB3.0发射并重点介绍接收测试的一些关键技术和原理，比如USB3.0的一致性通道、抖动传递函数、接收端的均衡技术、接收端抖动一致性和容忍度测试的原理、如何进入环回、如何进行SER（误符号率）测试、以及一些实际测试中的常见问题，与读者分享。USB3.0概述自从USB（UniversalSerialBus，通用串行总线）诞生起，这种接口因为其简单易用、支持热插拔、速度快等特点而被广泛应用于当今的电子产品中，堪称是PC平台上最成功的I/O接口技术，除了PC及外设外，也成为手机、数码相机、打印机及各种消费电子产品标配的接口。USB规范历经多年的发展从第一代的USB1.0低速（LowSpeed）、USB1.1全速（FullSpeed），演进到USB2.0高速（HighSpeed）标准，传输速率达到480Mb/s，但考虑到总线的协议开销、接口性能等问题，实际上优化的传输速度最高也只有二三十MB/s。由于计算机性能及外设技术的发展，高清视频传输以及大容量数据存储的需求，USB2.0的传输速度逐渐成为瓶颈，USB组织在2008年底正式发布了USB3.0规范，总线信号速率达到5Gb/s，实际的数据吞吐速率可达200MB/s以上。USB3.0又称为SuperSpeedUSB总线，与高速（HighSpeed）USB总线相比，为了做到对USB2.0的向下兼容，它保留了USB2.0信号线（D+，D-，Vbus，GND），在此基础上增加了两对USB3.0超高速差分信号（SSTX+，SSTX-，SSRX+，SSRX-），一组差分对用来发射信号，另一组接收信号，从而实现全双工传输，超高速信号传输速率达到5Gb/s，采用8B/10B编码机制，电流最大达到900mA，为了降低EMI，增加了SSC（扩频时钟）功能。目录前言:...............................................................................................................................1USB3.0概述...................................................................................................................1一致性通道（ComplianceChannels）..........................................................................3接收均衡技术CTLE........................................................................................................4抖动传递函数（JTF,JitterTransferFunction）............................................................5发射端的眼图和抖动测量.............................................................................................5扩频时钟（SSC）...........................................................................................................6一致性测试码型（CompliancePattern）.....................................................................7USB3.0接收端抖动一致性及抖动容忍度测试...........................................................8去加重（De-emphasis）信号生成的方法..................................................................10Rx抖动一致性测试和容忍度测试..............................................................................11如何让被测件进入环回（loopback）模式及Rx测试中的一些问题......................13如何测试误符号率（SER）.........................................................................................15USB3.0Droop/Drop测试.............................................................................................16USB3.0测试总结.........................................................................................................17参考资料.......................................................................................................................18一致性通道（ComplianceChannels）为了更好的模拟实际的USB3.0拓扑，及反映真实最极端情况下USB3.0的电气性能，规范根据典型的走线长度和最长的电缆长度，定义了几种不同的一致性参考通道，分别模拟了主设备（Host）参考通道模型，从设备（Device）参考通道模型，以及电缆的一致性通道模型。测量Host的一致性通道定义为3米长的电缆加上5英寸的DevicePCB走线，测量Device的一致性通道定义是3米长的电缆加上11英寸的HostPCB走线，还有一种是直接连接（Tethered）的USB3.0Device设备，比如说U盘(flashdrive)，一致性通道定义是11英寸HostPCB走线。USB-IF协会提供了一致性通道的S参数模型，这样在测试Tx的时候就不必再连接电缆和特定走线长度的夹具，采用软件嵌入S参数的方法可以保证精度的情况下也提高测量重复性。安捷伦的USB3.0Tx一致性测试软件U7243A可以支持嵌入（Embed)、去嵌入（De-embed）的功能，软件直接内置提供Host和Device的一致性通道的传递函数，可以嵌入一致性通道模型，完成对一致性测试的要求。另外安捷伦示波器里的InfiniiSim软件支持通用的嵌入/去嵌入等各种通道模拟和仿真工具，可用于高级的调试和分析。对于Rx的测试，因为需要实现一致性通道的物理连接，USB-IF专门提供了表征一致性通道的11英寸和5英寸的PCB板，3米长的USB3.0电缆，以及接口夹具，用以校准和测量USB3.0的接收性能。另外，Agilent抖动误码仪N4903B的J20码间干扰（ISI）选件可用来模拟各种走线长度的情况，作为标准的一致性通道的补充，帮助用户验证和调试接收端的抖动容忍能力。下图来自USB-IF官方网站上推荐的Rx一致性测试夹具，读者可访问附录参考网站了解夹具的拓扑结构和购买信息。接收均衡技术CTLEUSB3.0信号速率已经达到5Gbps，由于PCB走线及电缆的损耗，在接收端直接观察信号眼图往往已经闭合了，规范要求在接收端加入均衡功能以满足时序及幅度的要求。USB3.0采用的均衡技术是CTLE（ContinuousTimingLinearEqualizer，连续时间线性均衡器），它的传递函数如下：()()()其中=0.667直流增益=2π(650MHz)零点=2π(1.95GHz)级点1=2π(5GHz)级点2CTLE的传递函数的频率响应曲线图如左图所示，摘自USB3.0Specification图6-17，从均衡的频响曲线可见，均衡器将高频部分进行增益补偿，抑制低频增益，对链路损耗进行补偿，处理后信噪比将提升，从而降低接收端的误码率。在Tx测试眼图抖动等参数时，需要反映现实的连接拓扑，加入一致性通道，也需要加入CTLE处理后再进行分析，Agilent的U7243A一致性测试软件内建了USB协会官方的SigTest软件算法，提供了标准的USB3.0的CTLE均衡功能，保证测试结果和官方的SigTest离线软件测试结果的一致性；另外为了方便用户进一步调试和分析，还可以通过均衡软件N5461A调整CTLE参数，如右图所示，另外也可以选择其它的线性前向反馈均衡器如FFE，或者判决反馈均衡器(DFE)，进行自定义的均衡处理。抖动传递函数（JTF,JitterTransferFunction）USB3.0没有采用源同步(SourceSynchronous)或共同时钟(CommonClock)的机制，发射和接收端各自运行于本地时钟系统，由接收端进行CDR（时钟数据恢复），结构框图如左下图所示，时钟恢复电路呈现低通特性，以恢复后的时钟对输入数据进行锁存，恢复后的数据对抖动呈现高通传递特性，如右下图蓝色曲线所示，抖动传递函数是一个2阶的高通传递特性，-3dB转折频率是4.9MHz。在测量眼图和抖动参数时，除了上述需要加入CTLE之外，也需要在测量仪器内加入抖动传递函数。在安捷伦的一致性测试软件U7243A中，提供了两种方式测量眼图和抖动，分别是USB官方的SigTest算法方式和安捷伦的串行数据分析软件（SDA，SerialDataAnalysis），前者保证使用安捷伦软件测量结果的权威性，使用后者为用户提供了自定义的分析和调试方式。如下图所示，可以自定义时钟恢复/抖动传递函数的参数以及做抖动分离相关参数的设置。发射端的眼图和抖动测量发射端的眼图和抖动测试在参考通道及参考电缆的末端测试点TP1点完成，如下图所示。在实际测量中USB3.0CTS（ComplianceTestSpecification，一致性测试规范）允许使用嵌入（Embedding）的方法加入一致性通道模型，USB3.0一致性测试软件U7243A就集成了嵌入的功能，并且提供了Host和Device的通道传递函数。这部分的测试包括眼图的测试、确定性抖动(DeterministicJitter)的测量以及随机性抖动（RandomJitter）的测量。这部分的测试发射端需要打开3.5dB的去加重，使用示波器测量时，需要打开CTLE均衡功能以及经过抖动传递函数(JTF)，保证测