USB3.0的测试难点与物理层测试探讨

1、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

2、 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

3、 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

4、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 pert

5、3，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

6、 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

7、 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

8、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

9、 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

10、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

11、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 c

12、p1 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 u

13、sb3.0 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

14、 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 pa

15、ttern 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

16、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 的外部进行 ber 测试；后者是 usb3