USB3.0的物理层测试探讨

2016-09-08 09:15:14来源: eefocus
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。

图1:USB2.0与USB3.0的速度对比
尽管USB2.0的速度已经相当快,对于目前蓝光DVD、高清视频、TB级别的大容量硬盘的数据传输还是有些慢,于是,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SuperSpeed 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,如图1所示:使用USB2.0拷贝25GB的文件需要14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2011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,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。

图2:力科的USB3.0测试夹具
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)。
图3:LFPS信号的波形
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。

图4:扩频时钟测试结果
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。
图5:USB3.0的TX的眼图测试点(来自USB3.0规范)
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。

图6:USB3.0的Transmitter测试在近端、远端和均衡后的眼图对比
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。

关键字:USB3.0  物理层测试

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016090817138.html
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