中心議題：

• USB3.0物理層測試內容、難點介紹
• 力科USB3測試方案的特點

解決方案：

• 力科QualiPHY-USB3.0控制示波器、誤碼率測試儀PeRT3
• 快捷的、全自動的測量USB3.0的測試項目
• 簡化測試與調試時間

USB簡介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤、鼠標、打印機、掃描儀、數(shù)碼相機、MP3、U盤等外圍設備連接到計算機，它使計算機與周邊設備的接口標準化，從2000年以后，支持USB2.0版本的計算機和設備已被廣泛使用，USB2.0包括了三種速率：高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。目前除了鍵盤和鼠標為低速設備外，大多數(shù)設備都是速率達480M的高速設備。

盡管USB2.0的速度已經相當快，對于目前高清視頻和TB級別的數(shù)據(jù)傳輸還是有些慢，在2008年11月，HP、Intel、微軟、NEC、ST-NXP、TI聯(lián)合起來正式發(fā)布了USB3.0的V1.0規(guī)范。USB3.0又稱為Super Speed USB，比特率高達5Gbps，相比目前USB2.0的480Mbps的速率，提高了10倍以上，引用Intel專家Jeff Ravencraft的話：“以25GB的文件傳輸為例，USB2.0需要14分鐘，而3.0只需70秒左右（如圖1所示）。”25GB，正好是單面單層藍光光盤的容量。USB3.0預計將在2011年逐漸在計算機和消費電子產品上使用。 力科于2009年4月發(fā)布了USB3.0的物理層測試解決方案，能提供端到端的互操作測試和兼容性測試，包括了Transmitter測試、Receiver測試、TDR測試。此外，力科還提供了業(yè)界領先的USB3.0協(xié)議層測試方案。

USB3.0物理層測試內容介紹
對于絕大多數(shù)高速串行信號的測量，通常包括了發(fā)送端測量和接收機測量，又稱為TX測量和RX測量。目前，對于板級設計的硬件工程師，對發(fā)送端測試已經非常熟悉。通常使用高帶寬示波器加上測試夾具或差分探頭來測量，測試項目主要是眼圖、抖動、上升/下降時間、幅度等等，探測點的位置一般是串行鏈路的發(fā)送端或接收端，由于測量的都是高速收發(fā)器芯片發(fā)送出的信號，對于這一類測試通常都稱為發(fā)送端測試，如下圖2為典型的TX測試的示意圖。
不過，一些工程師誤認為在靠近鏈路接收端測量眼圖或抖動就是接收機測量，這主要是在過去，接收機測試在板級的硬件研發(fā)中不是必測項目，造成了一些誤解。而在高速收發(fā)器芯片級的硬件研發(fā)中，接收機測試時必須的。

圖3為接收機測試的示意圖。接收機測試所需的儀器是誤碼率測試儀（簡稱BERT），BERT通常包括碼型發(fā)生器（Pattern Generator）和誤碼檢測器（Error Detector）兩部分。在接收機測試時，碼型發(fā)生器輸出特定碼型的、帶有大量抖動和噪聲的信號到待測試產品（Product Under Test，簡稱PUT）的RX，PUT接收到后通過時鐘與數(shù)據(jù)恢復電路（簡稱CDR）、判別電路和解碼得到1和0組合的比特流，然后環(huán)回到輸出寄存器，從PUT的TX緩沖器發(fā)送出去，PUT的TX連接到了BERT的誤碼檢測器，誤碼檢測器中的CDR、判別電路處理后解碼得到1與0組合的數(shù)據(jù)比特流，然后與碼型發(fā)生器輸出的特定碼型數(shù)據(jù)對比，如果兩者完全吻合則沒有誤碼，否則，記錄下誤碼的數(shù)量和接收到的碼流的比特總數(shù)，前者除以后者即誤碼率，同時記錄接收到誤碼時碼型發(fā)生器輸出信號的抖動值。如果用示波器測量PUT的RX端接收到的信號的眼圖，通常是閉合的，如圖3的左下圖所示；如果用示波器測量PUT的TX端輸出信號的眼圖，通常是良好的眼圖，如圖3右下圖所示。修改碼型發(fā)生器輸出信號的隨機抖動、固有抖動、信號幅度等參數(shù)，可以快速評估PUT的接收機性能。 力科的USB3.0物理層測試方案包括了：示波器SDA813Zi、誤碼率測試儀PeRT、USB3.0測試夾具、自動化測試軟件QualiPHY-USB3和眼圖醫(yī)生軟件。

力科最新版本的一致性測試軟件QualiPHY-USB3是根據(jù)2009年11月發(fā)布的USB3.0的電氣兼容性測試規(guī)范Rev0.9版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）來開發(fā)的，并隨著測試規(guī)范的更新而不斷更新，該軟件安裝在示波器上，示波器通過USB電纜連接到PeRT3，使用USB電纜與PeRT3進行通信，在測試中，QualiPHY軟件可以控制PeRT3發(fā)送特定的信號，或從PeRT3中讀取RX測試結果，這樣只需QualiPHY軟件即可完成TX和RX的所有測試。在QualiPHY-USB3測試軟件中，包括了以下測試項目：

1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號測量

2. SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測量

3. 抖動與眼圖測量

4. AC和DC共模電壓測量

5. 差分電壓幅度與去加重測量

6. 誤碼測試與抖動容限測量

其中，前面5項都是發(fā)送端測試，最后一項是接收機測試。

USB3.0物理層測試的難點
在USB3.0的物理層測試中有以下難點
1. 完成全部TX測試項目需要多種測試碼型，一些非USB3.0芯片開發(fā)人員很難讓PUT發(fā)出特定的兼容性測試碼型

2. 在接收機測試時，PUT很難進入環(huán)回模式（Loopback模式）

3. 在接收機測試時，PUT發(fā)送出的碼流會加入一些SKP，這樣，BERT的Error Dector接收到的數(shù)據(jù)包括測試碼型和一些SKP，對比碼型發(fā)生器發(fā)送出的測試碼型，傳統(tǒng)的BERT會誤認為測量到了誤碼。

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難點1：
在USB3.0規(guī)范中定義了多種兼容性測試碼型（Compliance Pattern，簡稱CP），如下圖4所示包括了CP0-CP8九種測試碼型。在TX測量中，需要用到CP0/CP1/CP7/CP8四種碼型：CP0用于眼圖與抖動、共模電壓測量；CP1用于SSC展頻測量、隨機抖動測量；CP7用于去加重測量；CP8用于差分電壓幅度測量。
對于板級研發(fā)的工程師，如果沒有IC廠商提供的發(fā)包程序，很難讓PUT發(fā)出不同的測試碼型，而力科的USB3測試方案可以解決這個問題，如圖5所示，PUT連接了USB3夾具，TX輸出到示波器，RX與PeRT的信號輸出端相連。通常PUT在上電后會發(fā)送出CP0碼型，示波器通過USB電纜控制PERT，然后PeRT會發(fā)出1個Ping.LFPS命令給PUT，PUT接收到1個Ping.LFPS后，輸出的碼型切換為CP1，示波器捕獲到CP1碼型后，控制PERT又發(fā)送出1個Ping.LFPS，則PUT的輸出碼型切換為CP2，即PUT每收到1個Ping.LFPS就輸出下一個CP（CP8的下一個碼型為CP0），通過用示波器控制PERT，PERT控制PUT發(fā)出不同的CP，即可完成所有TX測試項目。
難點2：
在接收機測試中，需要通過Polling.LFPS->Rx.EQ->TS1->TS2->Loopback這一過程才能進入環(huán)回模式來測量接收機性能。在這個過程中接收機測試儀器（比如BERT）需要不斷的和PUT進行“握手”（handshake），在鏈路層與PUT通信，使其一步一步的進入Loopback模式，這對一些接收機測試儀器是非常困難的，比如X公司的接收機測試儀器是傳統(tǒng)BERT，不能與PUT進行“握手”，很難從Polling.LFPS逐步進入Loopback模式，而Y公司的接收機測試儀器為任意波形發(fā)生器，可以發(fā)送LFPS信令到PUT，但是無法從協(xié)議上識別PUT響應的信令，于是，很難逐步從Polling.LFPS進入到Loopback模式。如果未進入Loopback模式，通常使用人員會在信號源上編輯腳本，不斷調整LFPS、Rx.EQ、TS1、TS2之間的時間間隔，以期望調整后的信令能逐步使PUT進入環(huán)回模式，當測量新的USB3.0的IC時，可能又要修改信號源輸出腳本。我們稱這種只發(fā)不收的方法為Blind handshake，即接收機測試儀盲目的發(fā)出信令與PUT“握手”，但是無法識別PUT響應的信令。

力科的USB3.0接收機測試儀器PeRT解決了進入環(huán)回模式困難這一問題。PeRT全名為Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester，具備了鏈路層的協(xié)議分析能力，可以順利的與PUT“握手”，逐步進入Loopback模式，快速測量接收機。

難點3：
在USB3.0中，鏈路兩端的產品的參考時鐘頻率可能是不一樣的，參考時鐘允許的精度為+/-300ppm，SSC展頻引入的頻率偏差為0到-5000ppm，所以總的頻率偏差在-5300ppm到300ppm。為了補償頻率偏差，在USB3中的數(shù)據(jù)流中每354個symbol要插入兩個SKP（即K28.1碼），接收端需要能識別和刪除SKP，在USB3.0芯片中，添加和刪除SKP是由Elasticity Buffer來實現(xiàn)的（詳見USB3.0 Specification的6.4.3節(jié)）。于是，在接收機測試時，PUT發(fā)送出的碼流會加入一些SKP，誤碼檢測器接收到的數(shù)據(jù)包括了測試碼型和一些SKP，然后對比碼型發(fā)生器發(fā)送出的測試碼型，傳統(tǒng)的BERT會誤認為測量到了誤碼。而力科的PeRT可以智能的添加和刪除SKP后，再來計算是否有誤碼。圖6為USB3.0的Elasticity Buffer處理SKP的示意圖。 力科USB3測試方案的特點
在2009年11月力科更新了USB3.0的物理層測試方案，可以全自動的完成兼容性測試的所有項目。如下圖7、8所示力科USB3.0的解決方案示意圖，測試儀器和附件由帶寬13GHz以上的示波器、PeRT3、RF Switch、USB3.0測試夾具等等組成。
在TX測試時，信號的傳輸鏈路如圖7的上半部分所示，力科示波器通過USB電纜控制PeRT3，PeRT3通過同軸電纜向PUT的RX端發(fā)送Ping.LFPS，PUT的TX連接到示波器的通道。PeRT每發(fā)送一次Ping.LFPS，則PUT的TX發(fā)送的碼型在CP0到CP8之間切換一次（比如從CP0變?yōu)镃P1，或從CP8變?yōu)镃P0），這樣無需測試人員去配置PUT發(fā)送不同的測試碼型了，通過PeRT3，力科的QualiPHY軟件會自動控制PUT發(fā)送不同的測試碼型，完成TX的所有測試。 在RX測試時，示波器通過GPIB接口控制RF Switch切換到另一鏈路，如圖7下部分所示，PeRT3的碼型發(fā)生器輸出的加入抖動的信號先通過Compliance Test Channel（由Intel的11英寸背板和3米USB3.0電纜組成），然后連接到USB3夾具，進入PUT的RX端，PUT的TX端通過夾具，把信號發(fā)送給PeRT3的Error Dector端。

由于示波器通過USB電纜控制PeRT和并讀取PeRT的測試結果，并通過GPIB控制RF Switch在鏈路間自動切換，這樣，USB3.0的TX和RX測試完全自動化，無需人工干預，操作步驟非常簡單，節(jié)省了測試時間。 結語
本文簡要介紹了USB3.0的物理層測試內容和測試難點。力科的一致性測試軟件QualiPHY-USB3.0可以控制示波器、誤碼率測試儀PeRT3，快捷的、全自動的測量USB3.0的所有測試項目，大大的簡化了工程師的測試與調試時間，是業(yè)內最全面和 快捷的測試解決方案。

參考文獻
1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0.
2, Electrical Compliance Test Specification Rev0.9, SuperSpeed USB.
3, LeCroy USB3.0 Datasheet.