手把手教你如何进行USB3.0接收机测试

USB接收机测试的目的是确认接收机能够以小于等于1x10-12的目标误码率(BER)正确检测发送的数据。发射机测试的重点放在幅度、抖动或其它参数测量上，接收机测试战略则通常涉及一项测试：抖动容限。抖动容限保证接收机系统将以高置信度与其它产品互操作。互操作能力条件可能会随不同电缆长度、低信号幅度、异步参考时钟、电源管理链路状态等因素广泛变化。优秀的受压眼图校准方法将保证抖动容限到达尽可能多的潜在条件。

USB 3.0一致性测试已经明显变化，以适应与更高速的接口有关的新挑战。验证USB 2.0接收机需要执行接收机灵敏度测试。高速设备必须对等于或高于150 mV的测试包做出响应，并忽略(静噪)低于100 mV的信号。SuperSpeed USB接收机必须支持多得多的信号损伤，因此测试要求要比USB 2.0苛刻。尽管USB 3.0规范规定目标BER为1x10-12，但接收机一致性测试战略可以提高确定性抖动，产生1x10-10的有效BER，实现更短的测试时间。由于提高了Dj、降低了有效Rj，在较低的BER基础上，这对两个目标BER水平会得到同等的Tj(BER)。对USB 3.0测试，有多个测试选项，可以全面评估USB 3.0 Rx设备。

泰克允许客户选择两种解决方案，自动为USB 3.0执行接收机测试。对检定测试(其通常用于第一稿芯片)，可以使用BERTScope之类的仪器。BERTScope误码率分析仪不仅提供了增强型高性能误码率测试仪(BERT)的功能，还提供了示波器的眼图显示功能。对需要动态改变数据速率、抖动配置或数据码型等参数的测试场景，BERTScope提供了通用码型发生及基于BER的调试工具，支持USB 3.0 Rx测试要求的全套测量。

对通常要求全面自动化的合规性测试，采用任意波形发生器(AWG)的测试平台、泰克DPO/DSA/MSO70000系列示波器和TekExpress自动软件可能是最好的解决方案。AWG7122能够同时仿真串行数据流、信号损伤和一致性通道，明显简化测试配置。DPO/DSA/MSO示波器在配备误码率检测器(选项ERRDT)时，提供了误码检测功能及自动配置控制功能。这两种仪器都通过TekExpress软件控制，该软件为自动测试满足电接口一致性测试规范(CTS)规定要求的USB 3.0发射机/接收机主机和设备提供了简单而又高效的方式。

接收机检定和调试测试

评估接收机的主要依据是确定有效的误码率。已知码型被传送到接收机，在接收机的比较器之后检验数据。数据通过接收机内部的环回机制在外部校验。接收机测试的一个挑战是生成要求的测试码型，在被测器件内部发起测试模式。

USB 3.0的接收机测试与其它高速串行总线接收机一致性测试类似，一般分为两个阶段：

<    受压眼图校准是业内对创建最坏情况信号条件、测试接收机的叫法。损伤这个最坏情况信号的方式，通常是在水平方向增加抖动，在垂直方向把幅度设置成部署时接收机看到的最低幅度。在任何测试夹具、线缆或仪器变化时，都必须执行受压眼图校准。

<    抖动容限使用校准后的受压眼图作为输入来测试接收机，然后应用额外的提高频率的正弦曲线抖动(SJ)。应用的这个SJ测试接收机内部的时钟恢复电路，因此不仅使用最坏情况信号条件测试接收机，而且还明确测试其时钟恢复。应用的SJ的幅度和频率遵守标准规定的一个模板。这个抖动容限模板覆盖了时钟恢复PLL的带宽，在环路带宽内应容许应用的高数量SJ，因为时钟恢复将追踪出这个正弦曲线抖动，但在环路带宽之上只能经受很小的量，因为没有追踪出这个抖动，它将会影响下游的接收机电路。

这个检定过程可以自动实现，保证准确的结构及正确的受压码型生成能力。下面概括介绍了自动检定功能：

<    环回发起为其它方式不能执行接收机测试的用户提供了测试能力。环回发起是BERTScope和被测器件(DUT)之间的一种特定握手，让DUT准备进行接收机测试。这是一个关键步骤，不管采取什么测试仪器，对许多客户都是一个挑战。

<    自动受压眼图校准简化了其它方式繁琐耗时的程序。

<    可以单击执行抖动容限测试，结果存储在数据库中，可以简明地管理测试结果。自动抖动容限测试还可以搜索设备极限，称为“搜索余量”功能。

图1. 使用BERTScope BSA系列进行受压眼图校准。

受压眼图校准

必须进行三种损伤校准，以校准受压眼图、随机抖动(RJ)、正弦曲线抖动(SJ)和眼高。每种校准都要求在泰克BSA系列码型发生器和分析仪上进行特定设置，并使用泰克MSO/DSA/DPO70000系列示波器执行测量。

1. 随机抖动(RJ)

<    定义：RJ是无界抖动，与数据码型不相关，也就是说，不管采取什么数据码型，其测量应该相同。由于RJ是无界的，因此它会随测量深度增长，用被测波形数量表示的测量越深，峰峰值RJ测量结果越大。

<    怎样调节：为实现正确数量的RJ，码型发生器必须能够调节注入的RJ数量。

<    怎样测量：配有DPOJET的MSO/DSA/DPO70000系列示波器可以提供自动RJ测量。

2. 正弦曲线抖动(SJ)

<    定义：SJ是有界抖动，具有周期性特点，但通常与数据码型不相关(除非SJ频率恰好是码型重复频率的倍数)，因此与RJ一样，不管采取什么数据码型，其测量是相同的。与RJ不同，由于有界特点，它不会随着测量深度增长。

<    怎样调节：与RJ一样，码型发生器必须能够调整SJ注入量，以实现所需的量。注入的SJ必须是特定频率，并能够调节幅度。必需校准USB 3.0抖动容限模板中的所有SJ频率和幅度。

<    怎样测量：USB 3.0一致性测试程序规定，应通过获得注入SJ幅度为0的信号的总抖动(TJ)与注入所需数量的SJ之差，来测量SJ数量。泰克MSO/DSA/DPO 70000系列示波器的DPOJET分析选项提供了TJ测量。

3. 眼高

<    定义：眼高是指单位间隔中心的眼图张开程度，并伴有一个测量深度，在本例中为106个波形。眼高与数据码型相关，因为它受到信号中数据相关抖动(DDJ)量的影响。眼高指标对主机(180 mV)和设备(145 mV)来说是不同的。

<    怎样调节：眼高通过BERTScope码型发生器的输出幅度调节。

<    怎样测量：泰克MSO/DSA/DPO70000系列示波器上可以测量眼高。

抖动容限测试

一旦校准了受压眼图，可以开始测试接收机。如“引言”所述，与上一代规范2.0不同，USB 3.0要求BER测试。抖动容限测试形式的误码率(BER)测试是USB3.0 接收机测试要求的唯一测试，可以使用泰克BERTScope BSA系列分析仪执行。

抖动容限测试使用最坏情况输入信号条件(上一节中校准的受压眼图)测试接收机。在受压眼图顶部，覆盖JTF -3 dB截止频率周围频率范围的一系列SJ频率和幅度被注入到测试信号中，误码检测器则监测接收机中的错误或误码，计算BER。[page]

图2. USB 3.0接收机测试设置。

接收机测试的设备设置与受压眼图校准类似，也是把DUT插入测试环路中。但它不是把信号直接输回分析仪，而是码型发生器发出的测试信号流经DUT的接收机，“环回”通过发射机(所以叫作“环回”)，再向回通过适配器，到达误码检测器。与误码检测器的连接质量应尽可能高。(参见图2)

对抖动容限测试，测试仪器必须能够执行误码检测，追踪BER。BERT、某些协议分析仪和示波器等仪器拥有这种功能。

环回是USB 3.0链路状态中的一种，在这种状态下，设备把它收到的比特向回发送到发射机。如果接收机发生错误，那么误码将发回到发射机及下行分析仪进行检测。为发起环回，必须在码型发生器和DUT之间执行一系列握手。

USB 3.0采用8b/10编码，与8b/10b编码系统中常见的情况一样，接收机和发射机可能位于略微不同的时钟频率上，收到的数据流恢复的时钟可能并不完全等于发射机的时钟频率。在接收机测试环回模式下，这种频率不匹配会给DUT带来问题，比特进入的速度可能会快于其向回发出的速度，或反之。为补偿频率不匹配，可以使用时钟补偿符号，在从接收机向回传送到发射机时，这些符号要么删除，要么插入数据流中。例如，如果恢复的时钟频率小于(慢于)发射机时钟频率，那么应增加符号，反之亦然。USB 3.0采用SKP符号进行时钟补偿。

可以设置BERTScope BSA系列，处理输入数据流中这种数量不确定的时钟补偿符号，通常称为异步BER测试。这对某些BERT可能很难，因为BER一般通过比较输入数据流与已知数据码型测得。通过保持计算错帧数，协议分析仪可能会能够处理这种测试模式。

最后注意，USB 3.0规范对BER测试包括两种环回。第一种如前所述，收到的比特被向回重传到分析仪进行BER测试。第二种依赖DUT，追踪自己的BER，并在嵌入特殊码型(称为有序集合)的比特中向回报告这个值。但是，最新的一致性测试规范没有包括第二种方法。

一旦已经校准受压眼图，DUT和设备已经进行测试设置，DUT已被置于环回模式，那么可以准备测试DUT的接收机。

抖动容限测试应用特定SJ频率中不同的SJ幅度，来测试接收机。一般来说，SJ频率越低，SJ幅度会越高，因为这些频率很好地落在接收机时钟恢复的环路带宽范围内，因此可以追踪出来。在SJ频率接近并超过环路带宽时，SJ幅度会在小于1 UI的幅度上置平。高于接收机环路带宽的抖动将不会被追踪出来，将向回传送到接收机的判定电路。

USB 3.0 CTS规定，应使用3x1010个比特测试容限曲线上的每个SJ点。如果在任何SJ测试点上检测到一个以上的错误，那么DUT测试失败。

对正确的USB 3.0接收机测试，测试体系完全基于采用校准后的受压眼图输入的抖动容限。对接收机检定和调试，BERTScope BSA系列把校准后的受压眼图设置与自动功能融合在一起，保证成功的接收机测试调试环境。

对合规性测试，泰克AWG7000与泰克示波器和TekExpress自动软件相结合，提供了可靠的选择。

图3. 环回BER的USB 3.0接收机检定测试设置。

图4. 使用AWG和示波器检测错帧。

使用AWG进行接收机合规性测试

检定接收机的主要依据是确定有效误码率。通过使用AWG7000之类码型发生器的自动功能，已知码型被发送到接收机上，在接收机比较器之后检验数据。数据在外部通过接收机内部环回机制校验。接收机测试的一个挑战是生成要求的测试码型，在被测器件内部发起测试模式。这些测试模式包括强迫发射机“重复”检测到的数据，在重新定时后，通过发射机发出，然后调用内部误码检测状态。任意波形发生器(AWG)的优势是能够顺序经过要求的链路训练，可以进入接收机环回，发出环回误码率测试(BERT)命令。图3和图4显示了在AWG顺序通过下面的步骤时，在测试发起和误码检测中使用环回BERT方法测试主机的流程实例。泰克DSA70000实时示波器可以采集和解码接收机发出的误码数。[page]

除内部BERT方法外，还可以使用外部误码检测来检定接收机。USB 3.0在主机和设备之间要求不同的参考时钟，这会导致不同的本地时钟速度。SKP有序集合用来补偿链路内部的时钟定时偏置。接收机对符号的临时缓冲使用弹性缓冲器处理。弹性缓冲器必须有足够的深度，以处理极端的时钟差异，包括SSC的影响。由于主机和设备之间容许的最大频率范围为+/-300 ppm，同时考虑到SSC的影响(0到-5000 ppm)，这导致最大频率偏置范围为+300到-5300 ppm。如前所述，USB 3.0接收机包括内部误码检测功能。内部误码检测为执行接收机测试提供了经济的方案。但它有一个局限性，即其码型使用的灵活性差，因为只有CP0码型(加扰的D0.0)支持码型识别。可以使用外部误码检测，测试其它码型，如CJTPAT或PRBS码型，但前提是误码检测器支持使用的码型。为验证外部环回，有两种方法：同步误码检测和异步误码检测。同步误码检测意味着码型发生器和误码检测器在时间上对应共同的参考时钟，因此要逐个比特评估接收机。异步误码检测不要求参考时钟，通过删除或插入空闲字符(如SKP)，可以执行符号错误检测。误码检测仪器是一种协议分析仪，除误码检测外，还能够执行各种其它功能，如业务监测、仿真主机、执行链路训练。

通道仿真和自动化

由于5 Gb/s信令、长主机通道和电缆，这导致接收机上眼图闭合，要求均衡。测试规范开发者规定了通道要求，既要能够根据最坏情况条件执行测试，又要足够实用，使得工程师能够以经济高效的方式设计和制造产品。在创建通道模型和预算后，将验证产品，保证实际物理层性能与预计结果相符。软件仿真工具提供了许多自由度，可以迅速建模及进行边角情况测试。但在某个点上，模型必须生成到要检验的物理通道中。通常参考设计在PCB上制成，这个PCB提供了与规范类似的电气特点。

在硬件中创建通道模型的另一种方法是把模型转换成一个差分S参数文件，使用信号发生器的测试码型对通道求卷积，包括幅度和相位效应。通过这种方法，工程师可以使用特定通道要求驱动被测器件，这些要求不仅是变化的，也是可重复的。市场上有多种软件工具，如泰克SerialXpress和BERTScope BSAUSB3，通过把所有损伤集成到一个信号中，可以自动为USB 3.0接收机测试生成复杂的信号。可以同时增加复杂的抖动成分，如Rj、Sj、ISI、自定义SSC调制配置、精细粒度的ISI标度(如12英寸与12.1英寸PCB轨迹)和预加重，创建真实世界环境中经常看到的复杂通道模型。图5和图6说明了使用USB3接收机自动测试工具实现统一码型生成和设备控制的实例。

图5. AWG7000的SerialExpress设置屏幕。

图6. BSAUSB3自动软件设置屏幕。

通道测量

一致性测试

在5 Gb/s数据速率下，影响信号上升时间、脉宽、定时、抖动或噪声内容的任何东西都会影响系统级可靠性。为了保证信号完整性，必需了解和控制信号流经的传输环境中的阻抗和损耗。不匹配和变化可能会导致反射，整体降低信号质量。USB 3.0通道一致性测试帮助消除性能劣化的潜在来源。下面列出了要求的USB 3.0通道测量。DSA8200采样示波器、80E04 TDR模块及IConnect测量软件和A/B插座测试夹具提供了完整的通道一致性测试解决方案。

1. 阻抗

2. 对内时延

3. 差分插入损耗

4. 差分回波损耗

5. 差分近端串扰

6. USB3.0对和USB2.0对之间的差分串扰

7. 差分到共模转换

图7. DSA8200采样示波器，装有IConnect TDR/S参数测量软件。[page]

图8. TDR揭示阻抗不连续点。

图9. 4x4矩阵描述了计算4端口S参数的公式体系。

图10. 差分和共模激励和响应。

检定和调试

阻抗测量是相对的，通过比较反射幅度与入射幅度得出。现代TDR仪器执行所有计算，比对入射幅度和反射幅度与报告的rho(反射系数)或欧姆值。图8显示了在入射TDR阶跃从连接器移向轨迹末端、直到开路时相对于特性阻抗Z0的阻抗变化。注意这个过程的精度与TDR信号源的参考阻抗高度相关，在本例中为Z0。

S参数(散射参数)在描述频域网络性能中变得越来越常用。它们用每个端口上的入射波和反射波定义，描述了存在的与频率有关的功率或电压。图9表明了相对于每个端口的单端入射电压和返回电压。图10说明了一种比较流行的测量配置，其在差分模式下执行测量。混合模式下的S参数测量，包括差分测量和共模测量，提供了一个优势，可以洞察潜在的信号完整性问题。差分测量与信号衰减直接相关，因为信号大多数能量以这种模式传播。共模测量与时延和地电平弹跳有关。模式转换会导致电磁干扰(Diff-CM)和电磁易感性(CM-Diff)。最后，相邻线路之间的交叉耦合会产生串扰。阻抗测量和S参数测量对设计人员都至关重要，这些工具可以识别潜在的信号完整性问题。在时域中，TDR可以隔离阻抗不连续点，甚至把仿真模型与物理测量关联起来。在频域中，S参数在本质上提供了转函表示或相对的行为模型。

可以使用TDR进行的USB 3.0测量包括差分阻抗、频域串扰和S参数，包括Sdd21插入损耗和差分到共模转换。这些测量使用45欧姆的参考阻抗或90欧姆的差分阻抗进行。由于大多数TDR系统采用50欧姆参考阻抗，因此测得数据需要在软件中归一化到目标90欧姆差分参考阻抗。