USB3.0的测试难点与物理层测试探讨.doc

2002年Intel将USB2.0端口整合到计算机南桥芯片ICH4上的举动，推动了USB2.0的普及。USB2.0版本支持三种速率：高速 480Mbps、全速12Mbps以及低速1.5Mbps。随着电子行业的快速发展，480Mbps对于蓝光DVD、高清视频、TB级别大容量硬盘的数据传输而言已经稍显不足，于是在2008年11月，HP、Intel、微软、NEC、ST-NXP、TI等公司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，如图1所示，使用USB2.0拷贝25GB的文件需要14分钟，3.0却只需70秒左右，而25GB恰好是单面单层蓝光光盘的容量。USB3.0预计将在2011年逐步在计算机和消费电子产品中亮相，因此目前就USB 3.0的测试问题展开讨论十分必要。本文在介绍USB 3.0测试难点以及力科解决方案的同时，也将就USB3.0的物理层测试内容进行重点讨论。图1：USB2.0与USB3.0的速度对比USB3.0 的测试难点目前在USB3.0的物理层测试中主要存在以下难点：1. 发送端(TX)的全部测试需要不同的兼容性测试码型(全部测试需要CP0/CP1/CP7/CP8)，而对于USB3.0的板级开发工程师来说，去配置 PUT发送出不同的测试码型比较困难；2. 接收端(RX)的测试需要让待测试产品(PUT)进入环回(Loopback)模式，而板级开发工程师很难让PUT的芯片进入环回模式来测试其误码和抖动容限；3. TX和RX都是兼容性测试的必测项目，但是目前的测试方案需要多台仪器，TX和RX的测试结果分别出现在两台仪器上，生成两个独立的测试报告，测试的配置和操作过程非常复杂，完成全部项目测量需要很长时间。解决上述难点，可以考虑采用力科最新的USB3.0物理层测试方案。图 8、9即为力科USB3.0的解决方案示意图，测试仪器和附件由带宽13GHz以上的示波器、PeRT3、RF Switch、USB3.0测试夹具等组成。图8：USB3.0的全自动测试原理示意图在TX测试时，信号的传输链路如图8的上半部分所示，力科示波器通过USB电缆控制PeRT3，PeRT3通过同轴电缆向PUT的RX端发送Ping.LFPS，PUT的TX连接到示波器的通道。PeRT每发送一次 Ping.LFPS，则PUT的TX发送的码型在CP0到CP8之间切换一次(比如从CP0变为CP1，或从CP8变为CP0)，这样就无需测试人员去配置PUT发送不同的测试码型。通过PeRT3，力科的QualiPHY软件会自动控制PUT发送不同的测试码型，完成TX的所有测试。在RX测试时，示波器通过GPIB接口控制RF Switch切换到另一链路，如图8下部分所示，PeRT3的码型发生器输出的加入抖动的信号先通过Compliance Test Channel(由Intel的11英寸背板和3米USB3.0电缆组成)，然后连接到USB3夹具，进入PUT的RX端，PUT的TX端通过夹具，把信号发送给PeRT3的Error Dector端。图2：力科的USB3.0测试夹具由于示波器通过USB电缆控制PeRT并读取PeRT的测试结果，并通过GPIB控制RF Switch在链路间自动切换，因此USB3.0的TX和RX测试完全实现自动化，无需人工干预，操作步骤非常简单，节省了测试时间。USB3.0 物理层测试内容本文以力科最新版本的一致性测试软件QualiPHY-USB3对USB 3.0的物理层测试内容进行分析。该软件根据2009年11月发布的USB3.0的电气兼容性测试规范Rev0.9版本开发，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：LFPS(Low Frequency Periodic Signaling)信号测量测量Polling.LFPS信令的电压和时间参数，这在 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之间。图4为力科示波器测量扩频时钟的结果。SSC在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。对于Receiver Compliance测试，需要使用误码率测试仪BERT(Bit Error Ratio Tester，简称BERT)，比如力科的PeRT3。BERT由Pattern Generator和Error Detector组成。如下图7左图所示为传统的BER测试和抖动容限测试的示意图。BERT的Pattern Generator发送出特定的测试码流，码流中添加了定量的抖动，通过参考测试信道后到达待测试芯片(DUT)的RX端，DUT设置为retimed loopback模式(重定时自环模式)，将接收到的数据从芯片的TX端发送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的码流和发送的码流，对错误的比特计数，得到误码率。调节Pattern Generator输出码流在各种频段的抖动值，并测试误码率，可以得到DUT的抖动容限。图7：USB3.0的两种误码测试和抖动容限测试方法示意图对于USB3.0的接收机测试还可以使用另一种方法：即Loopback BERT Method。如图7右图所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT发送出的已知的测试码流，对接收到的误码计数，误码数量存入误码寄存器(如下图7的Error Register)，LeCroy PeRT3直接读取误码寄存器，得到误码率和抖动容限测试结果。两种测试方法对比，前者是串行信号接收端测试通常使用的传统方法，其误码判定在BERT端，即在DUT