USB 3.0一致性測試方法

1、USB3.0高速線纜及規范要求介紹

為了高速傳輸信號，USB3.0采用了全雙工的通信方法，由兩對高速差分線來進行發送數據和接收數據的傳輸，而USB2.0采用的是半雙工通信的方法，只有一對差分線進行發送和接收數據的傳輸。USB3.0的線纜和橫截面圖如下圖1所示。為了確保USB 3.0的高速線纜具有良好的信號完整性，確保能高質量傳輸5Gbps速率的信號，USB 3.0規范對其線纜特性做了特別的要求。如：

圖1 USB3.0線纜及其橫截面

規范的5.6.1.1.1規定了高速屏蔽線纜的特征阻抗為：90 ohms +/- 7ohms (使用快沿上升時間為200ps（10%-90%）的TDR進行測量)。

規范的5.6.1.1.2規定了高速屏蔽線纜對內的兩條線纜之間的偏移要小于：15ps/m (使用快沿上升時間為200ps（10%-90%）的TDT進行測量)。

規范的5.6.1.2規定了高速連接器的阻抗變化范圍為90 ohms +/- 15 ohms (使用快沿上升時間為50ps（20%-80%）的TDR進行測量)。

規范的5.6.1.3.1規定了高速屏蔽線纜不同頻率下的差分插入損耗SDD12。

規范的5.6.1.3.2規定了高速差分對之間的近端串擾（Near-End Crosstalk）。

規范的5.6.1.3.3規定了高速差分對內兩條信號之間的串擾，包括近端串擾和遠端串擾（Near-End/Far-End Crosstalk）。

規范的5.6.1.3.4規定了高速差分對的差模和共模轉換比（Differential-to-Common Mode-Coversion）。

規范對高速線纜的主要要求均是由S參數來表示的，如下圖2中的曲線所示：

圖2 USB3.0線纜的各項參數特性曲線

2、測試儀器及測試方法

SPARQ-S parameters,Qucik，是力科推出的主要用于高速信號的信號完整性領域的高性價比的S參數測試儀，可實現一鍵式快速測量，內部集成了校準件（省去了極其繁瑣的手動校準過程），TDR上升沿時間為6ps，最大端口數為12端口，帶寬范圍0-40GHZ，非常小巧輕便，可測量TDR阻抗（可實現不同歸一化的上升時間）、TDT傳輸延時、單端和混合模式S參數（傳輸損耗、差分對內的近端/遠端串擾、差分對間的近端/遠端串擾）等。

具體測試方法是將USB3.0的線纜兩端分別連接到夾具上，然后通過夾具上的SMA同軸頭和SPARQ的SMA線纜連接到SPARQ測試儀上，實現S參數（包含傳輸損耗、近端串擾、遠端串擾等參數）、TDR阻抗、傳輸延時等參數的測量，如下圖3所示。

圖3 USB3.0線纜測試連接示意圖

二、USB3.0發射機物理層測試

1、發射機測試及規范要求介紹

發射機信號質量測試是所有低速、高速信號都會要求測試的項目。主要內容有信號的幅度、眼圖、抖動、上升時間等。USB3.0規范也對發射機信號的物理層特性做了嚴格的要求，如：

規范的6.7.1章節規定了發射機的一些電氣性能參數（Normative）。

規范的6.7.3章節規定了發射機的眼圖和抖動性能參數（Normative）。

規范的6.7.1章節和6.7.5章節還規定了發射機的一些參考要求（Informative）。

此外，USB3.0規范的第6.9章節還對低頻周期信號LFPS（主要用于控制Low power link mode,Link Training,Warm reset等）的電氣特性和時序特性做了規定。

2、測試儀器及測試方法

發射機測試原理上只需要一臺高帶寬示波器（力科的SDA813Zi-A）加上相應的測試夾具、一致性測試軟件（力科的Qualiphy-USB3一致性測試軟件）、預加重均衡仿真軟件（EyedoctorII信號完整性分析軟件）即可。而為了獲得更好的測試效果，USB3.0規范規定針對不同的測試項目需要使用不同的一致性測試碼型，比如說眼圖/Tj/Dj測量需要使用CP0一致性測試碼、SSC（擴頻時鐘）/Rj測量需要使用CP1測試碼、去加重測量需要CP7碼、差分信號擺幅測試需要CP8碼。因此在進行不同的測試項目時需要用戶去設定被測DUT來輸出所需要的碼型，這樣不僅會降低測試效率，而且對于很多系統級用戶來說是很難去設置DUT的，因此如何能使這樣的測試更加自動化？如果測試儀器能夠和DUT進行握手，在需要什么類型的測試碼時候給DUT發指令要求其輸出這樣的碼，則不僅將解決設置的問題，而且將會使得發射機物理層信號測試變得非常的自動化。在下文中將介紹的力科的PeRT3將具備這一功能。

具體的測試方法是將被測DUT的Tx端通過夾具和SMA同軸線纜連接到示波器上進行測試，并根據示波器上的Qualiphy-USB3軟件的提示去切換DUT輸出相應的一致性測試碼，軟件會自動采集1百萬個UI碼進行測試。測試連接圖和測試結果報告如下圖4、圖5所示：

圖4 發射機測試連接示意圖

圖5 測試報告（LFPS部分）

三、USB3.0接收機物理層測試

1、接收機測試及規范要求介紹

由于USB3.0速率比較高，因此規范規定不僅要測試發射機信號，同時還要測試接收機信號，USB3.0測試規范的第6.8.5章節規定了接收機一致性測試時需要注入到CP0一致性測試碼中的Sj，Rj，Equalization，Amplitude Swing等。在實際調試中，不僅需要進行一致性測試還需要進行抖動容限測試（兩者的區別可參考另外一篇文章：高速信號的接收機測試）。

圖6 接收機測試連接示意圖

圖7 接收機容限測試需要注入的抖動參數

2、測試儀器及測試方法

力科的PeRT3是一款專門針對高速串行標準如USB3.0、PCIE3.0等的接收端測試而研制的。它的全名叫帶有協議能力的接收端和發送端容限測試儀。它與傳統的BERT誤碼測試儀的最大的區別之一就是其具有協議握手能力，能與被測DUT實現握手通信，這樣就可以非常方便的讓DUT進入到接收機測試所需要的環回（Loopback）模式。

因為PeRT3具有協議握手能力，因此前文發射機測試中提到的設置DUT發出不同的一致性測試碼的困難即可通過示波器和PeRT3的組合來實現自動化測試。

具體測試方法是先結合示波器對力科的PeRT3按照USB3.0規范設定的信號抖動、幅度等輸出的各項參數進行校準，校準完后，連接PeRT3和被測DUT，通過PeRT3的協議握手能力發送一系列的訓練碼使得被測DUT進入環回（Loopback）測試模式，DUT進入環回模式以后，PeRT3即開始發送帶有抖動和預加重的CP0一致性測試碼，開始誤碼的測試和分析。連接示意圖如下圖8所示。

圖8 接收機測試連接示意圖

圖9 接收機測試設置步驟及測試結果

四、力科針對USB3.0的整體測試方案

力科設置了多種配置方案，用戶可根據情況進行選擇：

1、如果只測試發射機，而且用戶能夠自行設置DUT發出CP0-CP8中所需要的一致性測試碼型，這時只需選擇示波器SDA813Zi及相應的軟件包、夾具即可。

2、如果只測試發射機，而且需要讓DUT自動切換一致性測試碼型，則可選擇SDA813Zi+PeRT3以及相應的軟件包和夾具。此時還可實現接收機一致性測試。

3、如果需要完全自動化的一次性測試發射機和接收機，測試完成后生成一份包括發射機和接收機測試在內的完整報告，則可選擇SDA813Zi+PeRT3+高速電子開關以及相應的軟件包和夾具。

除此以外，在USB3.0的調試過程中，力科的示波器還可以將USB3.0協議分析儀的功能集成到示波器上，使得在示波器上不僅可以實現物理層的測試分析，還可以實現協議層的測試分析，協議層分析如下圖所示：

圖10 基于示波器的USB3.0的協議層分析功能

五、小結

本文簡要介紹了USB3.0的一致性測試的規范要求以及測試儀器、測試方法。力科的示波器、S參數測試儀SPARQ、具有協議使能功能的誤碼測試儀為USB3.0的一致性測試提供了非常全面的測試解決方案，

六、參考文獻

1、USB3.0規范