USB3.0的物理层测试探讨

USB简介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线，用于把键盘、鼠标、打印机、扫描仪、数码相机、MP3、U盘等外围设备连接到计算机，它使计算机与周边设备的接口标准化。在USB1.1版本中支持两种速率：全速12Mbps和低速1.5Mbps；而USB2.0中支持三种速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。在2002年Intel把USB2.0端口整合到了计算机的南桥芯片ICH4上，推动了USB2.0的普及，目前除了键盘和鼠标为低速设备外，绝大多数设备都是速率达480M的高速设备。

图1：USB2.0与USB3.0的速度对比

尽管USB2.0的速度已经相当快，对于目前蓝光DVD、高清视频、TB级别的大容量硬盘的数据传输还是有些慢，于是，在2008年11月，HP、Intel、微软、NEC、ST-NXP、TI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，相比目前USB2.0的480Mbps的速率，提高了10倍以上，如图1所示：使用USB2.0拷贝25GB的文件需要14分钟，而3.0只需70秒左右。 25GB，正好是单面单层蓝光光盘的容量。USB3.0预计将在2011年逐渐在计算机和消费电子产品上使用。

力科于2009年4月发布了USB3.0的物理层测试解决方案，包括了针对HOST/DEVICE的发送端（TX）测试和接收端（RX）测试、以及USB3.0电缆的TDR测试。对于USB3.0的TX测试，为了测量到5次谐波，需要带宽12.5GHz以上的示波器，力科的SDA813Zi带宽13GHz，采样率40GSamples/s（最高可达80GS/s），配合USB3.0一致性测试软件QualiPHY、眼图医生软件和测试夹具（见图2），可以快速完成USB3.0的发送端Compliance测试和调试分析。对于USB3.0的RX测试，力科的PeRT3是具备协议通信能力的误码率测试仪，可以完成USB3. 0的误码和抖动容限测试。在USB3.0规范中要求同时测量TX和RX。

图2：力科的USB3.0测试夹具

USB3.0物理层测试内容
力科最新版本的一致性测试软件QualiPHY-USB3是根据2009年11月发布的USB3.0的电气兼容性测试规范Rev0.9版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）来开发的，并且会随着测试规范的更新而不断更新，该软件安装在示波器上，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：

1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信号测量
2. SSC（Spread Spectrum Clock）展频测量
3. 抖动与眼图测量
4. AC和DC共模电压测量
5. 差分电压幅度与去加重测量
6. 误码测试与抖动容限测量

LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信号测量
测量了Polling.LFPS信令的电压和时间参数，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直接。如图4为力科示波器测量扩频时钟的结果。SSC是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的输出信号的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的眼图和抖动测试中，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。