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。 [p]

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发送出的码流会加入一些SKP，这样，BERT的Error Dector接收到的数据包括测试码型和一些SKP，对比码型发生器发送出的测试码型，传统的BERT会误认为测量到了误码。 [p]

难点1：

在USB3.0规范中定义了多种兼容性测试码型（Compliance Pattern，简称CP），如下图4所示包括了CP0-CP8九种测试码型。在TX测量中，需要用到CP0/CP1/CP7/CP8四种码型：CP0用于眼图与抖动、共模电压测量；CP1用于SSC展频测量、随机抖动测量；CP7用于去加重测量；CP8用于差分电压幅度测量。

对于板级研发的工程师，如果没有IC厂商提供的发包程序，很难让PUT发出不同的测试码型，而力科的USB3测试方案可以解决这个问题，如图5所示，PUT连接了USB3夹具，TX输出到示波器，RX与PeRT的信号输出端相连。通常PUT在上电后会发送出CP0码型，示波器通过USB电缆控制PERT，然后PeRT会发出1个Ping.LFPS命令给PUT，PUT接收到1个Ping.LFPS后，输出的码型切换为CP1，示波器捕获到CP1码型后，控制PERT又发送出1个Ping.LFPS，则PUT的输出码型切换为CP2，即PUT每收到1个Ping.LFPS就输出下一个CP（CP8的下一个码型为CP0），通过用示波器控制PERT，PERT控制PUT发出不同的CP，即可完成所有TX测试项目。

难点2：

在接收机测试中，需要通过Polling.LFPS->Rx.EQ->TS1->TS2->Loopback这一过程才能进入环回模式来测量接收机性能。在这个过程中接收机测试仪器（比如BERT）需要不断的和PUT进行“握手”（handshake），在链路层与PUT通信，使其一步一步的进入Loopback模式，这对一些接收机测试仪器是非常困难的，比如X公司的接收机测试仪器是传统BERT，不能与PUT进行“握手”，很难从Polling.LFPS逐步进入Loopback模式，而Y公司的接收机测试仪器为任意波形发生器，可以发送LFPS信令到PUT，但是无法从协议上识别PUT响应的信令，于是，很难逐步从Polling.LFPS进入到Loopback模式。如果未进入Loopback模式，通常使用人员会在信号源上编辑脚本，不断调整LFPS、Rx.EQ、TS1、TS2之间的时间间隔，以期望调整后的信令能逐步使PUT进入环回模式，当测量新的USB3.0的IC时，可能又要修改信号源输出脚本。我们称这种只发不收的方法为Blind handshake，即接收机测试仪盲目的发出信令与PUT“握手”，但是无法识别PUT响应的信令。

力科的USB3.0接收机测试仪器PeRT解决了进入环回模式困难这一问题。PeRT全名为Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester，具备了链路层的协议分析能力，可以顺利的与PUT“握手”，逐步进入Loopback模式，快速测量接收机。 [p]

难点3：

在USB3.0中，链路两端的产品的参考时钟频率可能是不一样的，参考时钟允许的精度为+/-300ppm，SSC展频引入的频率偏差为0到-5000ppm，所以总的频率偏差在-5300ppm到300ppm。为了补偿频率偏差，在USB3中的数据流中每354个symbol要插入两个SKP（即K28.1码），接收端需要能识别和删除SKP，在USB3.0芯片中，添加和删除SKP是由Elasticity Buffer来实现的（详见USB3.0 Specification的6.4.3节）。于是，在接收机测试时，PUT发送出的码流会加入一些SKP，误码检测器接收到的数据包括了测试码型和一些SKP，然后对比码型发生器发送出的测试码型，传统的BERT会误认为测量到了误码。而力科的PeRT可以智能的添加和删除SKP后，再来计算是否有误码。图6为USB3.0的Elasticity Buffer处理SKP的示意图。

力科USB3测试方案的特点
在2009年11月力科更新了USB3.0的物理层测试方案，可以全自动的完成兼容性测试的所有项目。如下图7、8所示力科USB3.0的解决方案示意图，测试仪器和附件由带宽13GHz以上的示波器、PeRT3、RF Switch、USB3.0测试夹具等等组成。

在TX测试时，信号的传输链路如图7的上半部分所示，力科示波器通过USB电缆控制PeRT3，PeRT3通过同轴电缆向PUT的RX端发送Ping.LFPS，PUT的TX连接到示波器的通道。PeRT每发送一次Ping.LFPS，则PUT的TX发送的码型在CP0到CP8之间切换一次（比如从CP0变为CP1，或从CP8变为CP0），这样无需测试人员去配置PUT发送不同的测试码型了，通过PeRT3，力科的QualiPHY软件会自动控制PUT发送不同的测试码型，完成TX的所有测试。

在RX测试时，示波器通过GPIB接口控制RF Switch切换到另一链路，如图7下部分所示，PeRT3的码型发生器输出的加入抖动的信号先通过Compliance Test Channel（由Intel的11英寸背板和3米USB3.0电缆组成），然后连接到USB3夹具，进入PUT的RX端，PUT的TX端通过夹具，把信号发送给PeRT3的Error Dector端。

由于示波器通过USB电缆控制PeRT和并读取PeRT的测试结果，并通过GPIB控制RF Switch在链路间自动切换，这样，USB3.0的TX和RX测试完全自动化，无需人工干预，操作步骤非常简单，节省了测试时间。

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.