USB 3.0一致性测试方法

1、USB3.0高速线缆及规范要求介绍

为了高速传输信号，USB3.0采用了全双工的通信方法，由两对高速差分线来进行发送数据和接收数据的传输，而USB2.0采用的是半双工通信的方法，只有一对差分线进行发送和接收数据的传输。USB3.0的线缆和横截面图如下图1所示。为了确保USB 3.0的高速线缆具有良好的信号完整性，确保能高质量传输5Gbps速率的信号，USB 3.0规范对其线缆特性做了特别的要求。如：

 

图1 USB3.0线缆及其横截面

规范的5.6.1.1.1规定了高速屏蔽线缆的特征阻抗为：90 ohms +/- 7ohms (使用快沿上升时间为200ps（10%-90%）的TDR进行测量)。

规范的5.6.1.1.2规定了高速屏蔽线缆对内的两条线缆之间的偏移要小于：15ps/m (使用快沿上升时间为200ps（10%-90%）的TDT进行测量)。

规范的5.6.1.2规定了高速连接器的阻抗变化范围为90 ohms +/- 15 ohms (使用快沿上升时间为50ps（20%-80%）的TDR进行测量)。

规范的5.6.1.3.1规定了高速屏蔽线缆不同频率下的差分插入损耗SDD12。

规范的5.6.1.3.2规定了高速差分对之间的近端串扰（Near-End Crosstalk）。

规范的5.6.1.3.3规定了高速差分对内两条信号之间的串扰，包括近端串扰和远端串扰（Near-End/Far-End Crosstalk）。

规范的5.6.1.3.4规定了高速差分对的差模和共模转换比（Differential-to-Common Mode-Coversion）。

规范对高速线缆的主要要求均是由S参数来表示的，如下图2中的曲线所示：

 

图2 USB3.0线缆的各项参数特性曲线

2、测试仪器及测试方法

SPARQ-S parameters,Qucik，是力科推出的主要用于高速信号的信号完整性领域的高性价比的S参数测试仪，可实现一键式快速测量，内部集成了校准件（省去了极其繁琐的手动校准过程），TDR上升沿时间为6ps，最大端口数为12端口，带宽范围0-40GHZ，非常小巧轻便，可测量TDR阻抗（可实现不同归一化的上升时间）、TDT传输延时、单端和混合模式S参数（传输损耗、差分对内的近端/远端串扰、差分对间的近端/远端串扰）等。

具体测试方法是将USB3.0的线缆两端分别连接到夹具上，然后通过夹具上的SMA同轴头和SPARQ的SMA线缆连接到SPARQ测试仪上，实现S参数（包含传输损耗、近端串扰、远端串扰等参数）、TDR阻抗、传输延时等参数的测量，如下图3所示。

 

 

图3 USB3.0线缆测试连接示意图

 

二、USB3.0发射机物理层测试

1、发射机测试及规范要求介绍

发射机信号质量测试是所有低速、高速信号都会要求测试的项目。主要内容有信号的幅度、眼图、抖动、上升时间等。USB3.0规范也对发射机信号的物理层特性做了严格的要求，如：

规范的6.7.1章节规定了发射机的一些电气性能参数（Normative）。

规范的6.7.3章节规定了发射机的眼图和抖动性能参数（Normative）。

规范的6.7.1章节和6.7.5章节还规定了发射机的一些参考要求（Informative）。

 

 

 

此外，USB3.0规范的第6.9章节还对低频周期信号LFPS（主要用于控制Low power link mode,Link Training,Warm reset等）的电气特性和时序特性做了规定。

 

2、测试仪器及测试方法

发射机测试原理上只需要一台高带宽示波器（力科的SDA813Zi-A）加上相应的测试夹具、一致性测试软件（力科的Qualiphy-USB3一致性测试软件）、预加重均衡仿真软件（EyedoctorII信号完整性分析软件）即可。而为了获得更好的测试效果，USB3.0规范规定针对不同的测试项目需要使用不同的一致性测试码型，比如说眼图/Tj/Dj测量需要使用CP0一致性测试码、SSC（扩频时钟）/Rj测量需要使用CP1测试码、去加重测量需要CP7码、差分信号摆幅测试需要CP8码。因此在进行不同的测试项目时需要用户去设定被测DUT来输出所需要的码型，这样不仅会降低测试效率，而且对于很多系统级用户来说是很难去设置DUT的，因此如何能使这样的测试更加自动化？如果测试仪器能够和DUT进行握手，在需要什么类型的测试码时候给DUT发指令要求其输出这样的码，则不仅将解决设置的问题，而且将会使得发射机物理层信号测试变得非常的自动化。在下文中将介绍的力科的PeRT3将具备这一功能。

具体的测试方法是将被测DUT的Tx端通过夹具和SMA同轴线缆连接到示波器上进行测试，并根据示波器上的Qualiphy-USB3软件的提示去切换DUT输出相应的一致性测试码，软件会自动采集1百万个UI码进行测试。测试连接图和测试结果报告如下图4、图5所示：

 

 

图4 发射机测试连接示意图

图5 测试报告（LFPS部分）

三、USB3.0接收机物理层测试

1、接收机测试及规范要求介绍

由于USB3.0速率比较高，因此规范规定不仅要测试发射机信号，同时还要测试接收机信号，USB3.0测试规范的第6.8.5章节规定了接收机一致性测试时需要注入到CP0一致性测试码中的Sj，Rj，Equalization，Amplitude Swing等。在实际调试中，不仅需要进行一致性测试还需要进行抖动容限测试（两者的区别可参考另外一篇文章：高速信号的接收机测试）。

图6 接收机测试连接示意图

图7 接收机容限测试需要注入的抖动参数

2、测试仪器及测试方法

力科的PeRT3是一款专门针对高速串行标准如USB3.0、PCIE3.0等的接收端测试而研制的。它的全名叫带有协议能力的接收端和发送端容限测试仪。它与传统的BERT误码测试仪的最大的区别之一就是其具有协议握手能力，能与被测DUT实现握手通信，这样就可以非常方便的让DUT进入到接收机测试所需要的环回（Loopback）模式。

因为PeRT3具有协议握手能力，因此前文发射机测试中提到的设置DUT发出不同的一致性测试码的困难即可通过示波器和PeRT3的组合来实现自动化测试。

具体测试方法是先结合示波器对力科的PeRT3按照USB3.0规范设定的信号抖动、幅度等输出的各项参数进行校准，校准完后，连接PeRT3和被测DUT，通过PeRT3的协议握手能力发送一系列的训练码使得被测DUT进入环回（Loopback）测试模式，DUT进入环回模式以后，PeRT3即开始发送带有抖动和预加重的CP0一致性测试码，开始误码的测试和分析。连接示意图如下图8所示。

图8 接收机测试连接示意图

图9 接收机测试设置步骤及测试结果

四、力科针对USB3.0的整体测试方案

力科设置了多种配置方案，用户可根据情况进行选择：

1、如果只测试发射机，而且用户能够自行设置DUT发出CP0-CP8中所需要的一致性测试码型，这时只需选择示波器SDA813Zi及相应的软件包、夹具即可。

2、如果只测试发射机，而且需要让DUT自动切换一致性测试码型，则可选择SDA813Zi+PeRT3以及相应的软件包和夹具。此时还可实现接收机一致性测试。

3、如果需要完全自动化的一次性测试发射机和接收机，测试完成后生成一份包括发射机和接收机测试在内的完整报告，则可选择SDA813Zi+PeRT3+高速电子开关以及相应的软件包和夹具。

除此以外，在USB3.0的调试过程中，力科的示波器还可以将USB3.0协议分析仪的功能集成到示波器上，使得在示波器上不仅可以实现物理层的测试分析，还可以实现协议层的测试分析，协议层分析如下图所示：

 

图10 基于示波器的USB3.0的协议层分析功能

 

五、小结

    本文简要介绍了USB3.0的一致性测试的规范要求以及测试仪器、测试方法。力科的示波器、S参数测试仪SPARQ、具有协议使能功能的误码测试仪为USB3.0的一致性测试提供了非常全面的测试解决方案，

六、参考文献

1、USB3.0规范