USB3.0的测试难点与物理层测试探讨

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。[page]

 
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的外部进行BER测试；后者是USB3.0芯片接收端直接测量误码率，测试仪器读取待测试芯片的误码寄存器来了解误码值，即DUT内部进行BER测量。力科的PeRT3同时支持以上两种测试方法。

结语

本文简要介绍了USB3.0的物理层测试内容和测试难点。力科的一致性测试软件QualiPHY-USB3.0可以控制示波器、误码率测试仪PeRT3，快捷的、全自动的测量USB3.0的所有测试项目，大大的简化了工程师的测试与调试时间，是业内最全面和 快捷的测试解决方案。

参考文献

1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0.
2, Electrical Compliance Test Specification Rev0.9, SuperSpeed USB.
3, LeCroy USB3.0 Datasheet.