USB3.0的物理层测试简介与难点分析

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，从2000年以后，支持USB2.0版本的计算机和设备已被广泛使用，USB2.0包括了三种速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。目前除了键盘和鼠标为低速设备外，大多数设备都是速率达480M的高速设备。

尽管USB2.0的速度已经相当快，对于目前高清视频和TB级别的数据传输还是有些慢，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Super Speed 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，引用Intel专家Jeff Ravencraft的话：“以25GB的文件传输为例，USB2.0需要14分钟，而3.0只需70秒左右（如图1所示）。”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。

图1：USB2.0与USB3.0的速度对比

力科于2009年4月发布了USB3.0的物理层测试解决方案，能提供端到端的互操作测试和兼容性测试，包括了Transmitter测试、Receiver测试、TDR测试。此外，力科还提供了业界领先的USB3.0协议层测试方案。

USB3.0物理层测试内容介绍
对于绝大多数高速串行信号的测量，通常包括了发送端测量和接收机测量，又称为TX测量和RX测量。目前，对于板级设计的硬件工程师，对发送端测试已经非常熟悉。通常使用高带宽示波器加上测试夹具或差分探头来测量，测试项目主要是眼图、抖动、上升/下降时间、幅度等等，探测点的位置一般是串行链路的发送端或接收端，由于测量的都是高速收发器芯片发送出的信号，对于这一类测试通常都称为发送端测试，如下图2为典型的TX测试的示意图。

不过，一些工程师误认为在靠近链路接收端测量眼图或抖动就是接收机测量，这主要是在过去，接收机测试在板级的硬件研发中不是必测项目，造成了一些误解。而在高速收发器芯片级的硬件研发中，接收机测试时必须的。

图3为接收机测试的示意图。接收机测试所需的仪器是误码率测试仪（简称BERT），BERT通常包括码型发生器（Pattern Generator）和误码检测器（Error Detector）两部分。在接收机测试时，码型发生器输出特定码型的、带有大量抖动和噪声的信号到待测试产品（Product Under Test，简称PUT）的RX，PUT接收到后通过时钟与数据恢复电路（简称CDR）、判别电路和解码得到1和0组合的比特流，然后环回到输出寄存器，从PUT的TX缓冲器发送出去，PUT的TX连接到了BERT的误码检测器，误码检测器中的CDR、判别电路处理后解码得到1与0组合的数据比特流，然后与码型发生器输出的特定码型数据对比，如果两者完全吻合则没有误码，否则，记录下误码的数量和接收到的码流的比特总数，前者除以后者即误码率，同时记录接收到误码时码型发生器输出信号的抖动值。如果用示波器测量PUT的RX端接收到的信号的眼图，通常是闭合的，如图3的左下图所示；如果用示波器测量PUT的TX端输出信号的眼图，通常是良好的眼图，如图3右下图所示。修改码型发生器输出信号的随机抖动、固有抖动、信号幅度等参数，可以快速评估PUT的接收机性能。

力科的USB3.0物理层测试方案包括了：示波器SDA813Zi、误码率测试仪PeRT、USB3.0测试夹具、自动化测试软件QualiPHY-USB3和眼图医生软件。

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电缆与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

其中，前面5项都是发送端测试，最后一项是接收机测试。

USB3.0物理层测试的难点
在USB3.0的物理层测试中有以下难点

1. 完成全部TX测试项目需要多种测试码型，一些非USB3.0芯片开发人员很难让PUT发出特定的兼容性测试码型

2. 在接收机测试时，PUT很难进入环回模式（Loopback模式）

3. 在接收机测试时，PUT发送出的码流会加