USB 3.0信号完整性测试简介

1 测试背景

USB总线自面世第一代开始，就对电气性能的要求特别高，特别是信号完整性。随着USB总线的不断升级，速率也是成倍的增长，从当年USB1.0的1.5Mbps，到后来的USB1.1的12Mbps，USB2.0的速率达到了480Mbps，USB3.0 Super Speed规范发布的时候已经高达5Gbps，在2015年，USB-IF协会更是发布了速率为10Gbps的USB3.1版本。如此高的速率对于设计中任何一点的瑕疵都是难以接受的，比如电源干扰、布线过长、线缆、连接器品质不好等等。USB版本的升级，不仅仅是信号速率的提升，原本只有一组信号线，也在USB3.0之后也增加到了三组信号线，信号的幅值也变得更低。这些综合在一起因素给产品硬件工程师在设计和测试验证时带来了非常大的挑战。

图1 USB3.0简单的原理框图

USB3.0又称为SuperSpeed USB总线，与高速（High Speed）USB2.0总线相比，为了达到总线对USB2.0/1.1/1.0的向下兼容，总线保留了USB2.0信号线（D+，D-，Vbus，GND），同时增加了两对USB 3.0超高速差分信号（SSTX+，SSTX-，SSRX+，SSRX-），一组差分对用来发射信号，另一组接收信号，从而实现全双工传输，USB3.0信号传输速率达到5Gbps；电流最大达到900mA；在EMC方面，为了达到降低EMI的影响，增加了SSC（扩频时钟）功能。

3 测试系统搭建和介绍

任何测试系统的搭建都是以测试目的为导向的，在测试之前一定要明确测试的目的。对于完整的USB3.0信号完整性测试，需要对TX端和RX端都进行完整的测试，但是对于大多数厂商来讲，可能只能完成基本的TX端测试。我们这个测试也只对TX端进行测试，所以测试的系统就是一台示波器、DUT、测试夹具和测试线缆。如下所示：

图2测试系统

示波器：Keysight Infiniium DSO90804A，带宽为8GHz，采样率为40GSa/s；

测试夹具：Keysight U7242-66501 USB3.0 test fixture

线缆：18GHz SMA头的线缆

测试软件：KeysightU7243B USB3 Test App

Keysight的USB 3.0 发送端一致性测试软件U7243A可以支持嵌入（Embed)、去嵌入（De-embed）的功能，这对研发工程师的作用非常大。在软件中还直接内置提供Host和Device的一致性通道传递函数，可以嵌入一致性通道模型，完成对一致性测试的要求，这主要体现在包含了测试过程中加入了长通道和短通道的S参数在其中，这时不管你是做的Host端的产品还是Device端的产品，只要在测试时选择对应参数即可代表真实的使用情况。这样也符合一致性测试规范。      

4 测试过程

Keysight示波器对于USB3.0这类接口的测试都有非常完善的测试解决方案，这些方案都是标准流程化的，只要进入到软件测试界面即可按照流程图一步一步的往下进行测试。下面是测试时的相关设置和注意事项：

在测试前，首先要预热、校准示波器（大约20分钟）、线缆需要做de-skew。这一步非常的关键，特别是线缆做de-skew，因为很多时候线缆与线缆之间有一些偏差，如果不做de-skew就会导致在差分信号的正端和负端引入系统误差。

然后就开启测试USB3.0软件U7243B USB3Test App，如下所示：

图3 开启测试软件

接着就是设置DUT类型、速率、夹具和测试分析模式，由于DUT是device，所以在Device一栏选择Device；USB3.0的速率为5G；测试的夹具分为了两类，一类是USB-IF协会的，另一类就是keysight（Agilent）的，在这里选择的是keysight（Agilent）的测试夹具；另外一个非常关键的点就是Test Method，是否选用USB-IF SigTest的分析方法，通常，我们会选择使用；选择参考时钟，一般高速串行信号都会选用SSC模式；还要根据产品使用。

图4 示波器设置界面

选择测试项目，一般情况，工程师都会选择全部测试项，这样才能最完整的按照规范要求进行测试，当然，这也要看测试目的，如果只是debug，那么可以选择相对应的选项即可，这样可以节约测试时间。具体操作如下图所示：

图5 选择测试项目

配置测试条件。一般使用默认设置，常用的调整配置item有：使用的示波器通道，测试码型，测试的UI数，自动切换测试码型。如下图所示：

图6 配置测试条件

连接测试系统，包含示波器、夹具和DUT。测试软件会指示工程师的每一步连接，连接完成后，这里要注意，在连接完成之前，左下角的颜色是黄色的，连接完成之后，勾选’ I have completed theseinstructions’，就会变成绿色。如下两图所示：

图7 连接测试系统

图8连接完成后

最后