USB 3.0及测试解决方案

USB平台的演进

自USB推出以来，USB-IF继续发布该接口标准的新变体。2000年，USB-IF推出的USB 2.0，为用户更高带宽的设备如视频会议摄像机和高分辨率打印机提供增加的数据吞吐率。USB 2.0 提供三种数据率选择，包括低速1.5Mb/s，全速12Mb/s和高速480Mb/s。进一步发展是引入了允许用户以无线方式连接多达127台设备的无线 USB。无线 USB 提供的带宽在 3m 时高达480Mb/s，10m时达110Mb/s。

通过发布超速USB 3.0，现在进一步增强了USB平台。USB 3.0与早期版本后向兼容，旨在满足富媒体和大型数字文件传输带宽的要求。USB 3.0规定的5Gb/s数据率和200Mb/s的数据吞吐率是USB 2.0的10倍。USB系统的演进如图1所示，USB3.0可以兼容各种传输标准，如图2 所示。

 

 

USB 3.0 的推出解决了 USB 2.0 一些性能瓶颈问题。为实现更高的性能水平，USB 3.0 另外增加了 4 条互连线。这样整个配线系统总共就有 8 条线，其中 4 条遵从 USB 2.0 规范和用于确保向后兼容性。另增的 4 条线配置为专门用于 USB 3.0 通信的 2 对线。它们采用全单工工作模式，一对线发送，另一对线接收。高速 USB 2.0 提供 480Mb/s 的数据率，但实际数据吞吐率往往受 I/O 性能限制而超不过 35Mb/s。当下载较大文件时，较高的吞吐率能节省可观的传输时间。USB 3.0 可提供高达 5Gb/s 的数据传输率和 200Mb/s 以上的数据吞吐率，实际中的表现区别详见表1。

 

USB 的体系结构允许所有这些数据率在公共 PC 宿主机控制下同时共存于同一配置中。这就提供了混用具有不同速度和吞吐率要求的各种外设的灵活性。USB 规范大家庭中的 USB 2.0、无线 USB 和现在的 USB 3.0 各自满足不同的应用需要，必将在市场中共存。设计师可选择满足其产品特定需要的规范。无论选择何种规范，都需要通过坚实可靠的测试方法确保最终产品符合相关标准的要求。

对于USB设备和系统设计师来说，成功通过一致性测试对于确保一致性和互操作性是至关重要的。USB 的每种变体都有自己的一致性测试规范。不同变体有一些共同性的测试，但随着数据率的增加，要求对增加的高速响应进行更全面的测试。对于 USB 2.0 高速模式和 USB 3.0，还需要对 RF 响应进行验证。安捷伦科技积极参与 USB 实施者论坛(USB-IF)的活动，能影响和迅速应对测试规范的变化，提供可满足目前所有 USB 变体测试的各种解决方案，经 USB-IF 认可适用于世界各地的一致性工作室和测试实验室。

USB 3.0 测试解决方案

传输速度增加了10 倍的USB 3.0 对测试发送器、接收器和配线系统提出新挑战。

发送器测试

在进行 USB 3.0 发送器一致性测试时，必须使用相位匹配 SMA 电缆，在“一致性通道”的末端用 SMA 终端的发送器信号测量。Agilent USB 3.0 测试夹具提供高性能的 USB 3.0 信号中间分路，以支持使用 SMA 终端的发送器和接收器测试(如图3)。

 

在测试发送路径时，必须用高速示波器测量采用规定码型的传输波形。从而能进行眼图分析和测量信号的幅度、抖动、平均数据率及上升/下降时间。Agilent 90000 系列示波器提供高达 13GHz 的带宽。它可与 U7243A USB 3.0 发送器一致性测试应用软件一起执行 USB 3.0 规范定义的发送器一致性测试和验证测试。[page]

接收器测试

USB 3.0 规定设备内的误码计数器可以从内部检查接收器的误码性能。规范提供的测试模式包括将接收到的数据环回至设备发送器的能力。

测试接收器的灵敏度需要有可控制的激励或码型发生器，以提供对被测接收器的校准抖动输入。用集成的误码计数器进行测量需要用示波器或 BERT 读取和解码得到的结果。对异步环回工作模式中没有内部误码计数器的测试，则需要用 BERT 或协议分析仪评估得到误码流。这种误码计数器方法仅限于内部设备能够识别的一致性码型。虽然这是足够简单的通过/失败测试，但对于调试和表征则是不够的。

一般要通过接收器应力测试描述 USB 设备在不同幅度和抖动条件下的性能。这就要求码型发生器能够施加这些不同条件，包括对目标误码率产生真实随机抖动的能力。

Agilent 的系列测试解决方案解决了这些问题。对于 USB 3.0，Agilent N4903B J-BERT能产生激励设备所需要的码型，包括在抖动容限测试中向设备施加应力的能力。示波器和 Agilent N5990A测试自动化软件平台能解码捕获结果。也可在环回工作模式中用 Agilent BERT 和 Ellisys的超速协议分析解决方案表征设备性能。Ellisys EX280 是集成于 N5990A 中的测试自动化软件;JBERT 和 EX280 都是完全自动化的。

通道测试

由于 USB 3.0 增加了带宽和通道长度，因此需要对电缆、连接器和通道验证做更多测试。为确保设计符合差分阻抗和斜扭目标，DR/TDT 测量是必不可少的。必须通过 VNA 测量精确验证达到回波损耗、插入损耗和近端/远端串扰的要求。

测试方案主要优点

自动化 Rx 测试

抖动容限曲线(图4)是了解接收器真实抖动性能的关键。N5990A 自动化测试平台不仅提供自动的接收机一致性测试，而且还提供包括抖动容限的自动接收器表征。它模拟真实条件，向 DUT 的规定部分人为施加特定特性的信号应力。与那些在软件中建立文件，然后向每一抖动测试点加载波形的其它费时解决方案不同，N5990A 用包括校准抖动在内的正确激励扫描;从而把测量时间减到最小。为确保仪器抖动特性的验证和在测试前补偿互连容限，自动校准能力是至关重要的。

 

测试夹具

U7242A USB 3.0 测试夹具提供 USB 3.0 一致性测试要求的发送器和接收器测量点接入，从而有助于简化 USB 3.0 测量过程。它有与示波器和 J-BERT 的直接 SMA 连接，以实现容易和精确的测量。它还包括至 InfiniiMax 有源差分探头的探测连接，可用于表征和测试 USB 3.0 和 USB 2.0 流量的有源总线信令。

投资保护

由于有适用于总线标准 USB、PCI Express、SATA 和 DisplayPort 测试的信号生成和分析能力，Agilent USB 解决方案提供了投资保护。所有这些总线标准可使用同样的发送器和接收器硬件。此外，90000 系列示波器是具有可升级带宽、可升级存储器和应用服务器许可的实时示波器。

Agilent  USB 3.0测试系列产品

U7243A 是适用于 Infiniium 示波器的 USB 3.0 超速电性能验证和一致性测试软件。U7243A USB 3.0 电测试软件采用 USB 3.0 rev 1.0 规范和测试规范草案中规定的测试方法和算法。使用 USB – IF SigTest 实用程序与 U7243A USB 3.0 电测试软件所得到的测试结果，与使用独立 USB-IF SigTest 工具在 USB-IF 工作室或测试实验室所进行发送器一致性验证得到的结果是相符的。

90000系列 Infiniium 示波器提供高性能的实时测量系统，极低的噪声本底、抖动噪声本底和触发抖动，因此是信号完整性测量和抖动测量的理想工具。该系列有 2.5GHz 至 13GHz 的多种型号，可在未来需要时进行带宽升级。

U7242A USB 3.0 电气测试夹具，提供 USB 3.0 一致性测试要求的发送器和接收器测量点接入，从而有助于简化 USB 3.0 测量过程。为发送器测量提供测试点接入，为发送器和接收器验证和一致性测试提供 USB 3.0 规范要求的单端测量，使用有源探头的差分测量为调试和验证测试提供有效总线交易，USB 3.0 电源探测特性能容易地进行电源瞬态和稳态测量。

USB 3.0 接收器测试解决方案基于 J-BERT N4903B，集高质量精密数据发生器与预校准抖动源于一体，以获得可靠和可重复的测试结果。即使对于多台 J-BERT B 的情况，也可通过设计得到一致性的 J-BERT B 测试结果。基于真实噪声源(无界周期随机抖动)的随机抖动能力符合标准对目标误码率的要求。J-BERT B 提供随时和在测试期间对变化应力条件的控制。例如在测试中实时调整信号幅度或抖动应力水平。J-BERT B 基于码型特性的码型序列器和存储器可在接收器应力测试前和改变测试码型前自动接通测试模式。因此能容易适应特定的硅实现，或为进行调试改变测试码型。误码探测器的集成信号分析特性可测量和校准测试装置，而不需要测量抖动、幅度等参数的额外仪器。

E5071C 网络分析仪具有同档仪器中较高的射频性能和较快的速度，宽频率范围和各种通用功能。E5071C 是制造和研发工程师评估 20GHz 频率范围射频元件和电路的一种解决方案。USB 3.0 电缆一致性 MOI 要求选件 010 和 480/485/4K5 之一。

Agilent 接收机测试软件 N5990A 选件 102 覆盖 USB 2.0 和 USB 3.0。它为 U7243A 一致性测试套件补充了接收器一致性测试，抖动容限测试，灵敏度测试和恒定参数应力测试。对于 USB 3.0 接收器测试，N5990A 选件 102 控制J-BERT N4903A/B 和其他仪器。 N5990A选件202提供综合测试报告的至 U7243A 接口。

参考文献:

　　[1] Agilent Technology.USB Design and Test–A Better Way[D].2009
　　[2] omtp.org.OMTP Local Connectivity: Data Connectivity[R]. 2006
　　[3] USB Implementers Forum. USB Standard[S]
　　[4] Agilent Technology.Infiniium 90000 Datasheet[D]
　　[5] Agilent Technology.Agilent USB Test Solutions[R]