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