USB3.0的测试难点与物理层测试探讨

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。


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.

作者: 美国力科公司深圳代表处 张昌骏