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USB3.0認證的新測試要求和應對措施詳解

發(fā)布時間:2012-09-20 責任編輯:abbywang

【導讀】隨著主流市場演進到SuperSpeed USB,許多設(shè)計團隊正力圖加快設(shè)計認證。但是你了解USB3.0認證的最新測試要求么?只有掌握好游戲規(guī)則,才能贏得游戲。本文將為您提供專家建議參考,幫助您輕松完成這一過程。


盡管市場上已經(jīng)出現(xiàn)了早期的USB 3.0產(chǎn)品,但主流市場轉(zhuǎn)向SuperSpeed USB還有待時日。部分原因在于,USB 2.0接口無所不在,且生產(chǎn)成本低廉。高帶寬設(shè)備(如攝像機和存儲設(shè)備)已經(jīng)率先演進到SuperSpeed USB。但就目前而言,基于成本因素考慮,USB3.0實施仍限于較高端的產(chǎn)品。

大規(guī)模部署任何新的行業(yè)標準(包括USB3.0)都存在內(nèi)在挑戰(zhàn)。此外,USB2.0到USB 3.0并非簡單的跳躍,其性能提高了十倍之多。盡管性能得到大幅度提升,但消費者對低成本互連設(shè)備的預期并沒有改變。這就給工程師們帶來了明顯的壓力,需要在一個原本速度很低的信號通道上傳輸高速率信號,同時要在各種條件下保證可靠性、互操作能力和高性能。為保證物理層(PHY)一致性和認證,測試變得空前關(guān)鍵或重要。

USB 3.0擁有許多其它高速串行技術(shù)(如PCI Express和串行ATA)共有的特點:8b/10b編碼,明顯的通道衰減,擴頻時鐘。本文將介紹一致性測試方法及怎樣對發(fā)射機、接收機及線纜和互連進行最精確的、可重復的測量。在掌握了這些竅門之后,您便可以更有效地準備SuperSpeed PIL(Platform Integration Lab)之行了。

High Speed Vs. SuperSpeed

USB 3.0滿足了市場對于更高帶寬下實時體驗應用的需求。目前USB設(shè)備達數(shù)十億,因而USB 3.0也提供了向下兼容能力,支持傳統(tǒng)USB 2.0設(shè)備。然而,USB 2.0和3.0在物理層有多種差異 (表1)。

 

USB 2.0 和 SuperSpeed USB物理層區(qū)別
表1. USB 2.0 和 SuperSpeed USB物理層區(qū)別

SuperSpeed USB一致性測試已經(jīng)有明顯變化,以適應更高速接口帶來的新挑戰(zhàn)。USB 2.0接收機驗證需要執(zhí)行接收機靈敏度測試。USB 2.0設(shè)備必須對150 mV及以上的測試包做出響應,并且忽略100 mV以下的信號。

SuperSpeed USB接收機必須面對更多的信號損傷,因此測試要求要比USB 2.0更加苛刻。設(shè)計人員還必須考慮傳輸線效應,在發(fā)射機中使用均衡技術(shù)(包括去加重),在接收機中使用連續(xù)時間線性均衡技術(shù)(CTLE)。此外,現(xiàn)在還要求在接收機上進行抖動容限測試,使用擴頻時鐘(SSC)和異步參考時鐘可能會導致互操作能力問題。

評估USB 3.0串行數(shù)據(jù)鏈路另一個重要部分是被測波形與互連通道的聯(lián)系非常復雜。不能再認為只要發(fā)射機輸出滿足了眼圖模板,電路就一定能在傳輸損耗滿足要求的通道中正常工作。想了解發(fā)射機余量一定時的最差的傳輸通道,您需要在一致性測試要求以外建立通道和線纜組合模型,使用通道建模軟件,分析通道效應 (圖1)。

軟件工具,可以針對參考測試通道分析USB 3.0 通道效應
圖1. 軟件工具,可以針對參考測試通道分析USB 3.0 通道效應

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通過使用各種測試碼型以幫助進行發(fā)射機測試 (表2)。每種碼型都是根據(jù)與評估碼型的測試有關(guān)的特點而選擇的。CP0(一種D0.0加擾序列)用來測量確定性抖動(Dj),如數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(DDJ)。CP1(一種未加擾D10.2全速率時鐘碼型)不生成DDJ,因此更適合評估隨機性抖動(RJ)。

SuperSpeed USB 發(fā)送端一致性測試碼型
表2. SuperSpeed USB 發(fā)送端一致性測試碼型

抖動和眼高的測量是通過對100萬個連續(xù)比特(UI)進行分析而得到,需要使用均衡器功能和適當?shù)臅r鐘恢復設(shè)置(二階鎖相環(huán)、或稱為PLL,10 Mhz環(huán)路帶寬,0.707的阻尼系數(shù))。通過分析被測數(shù)據(jù)樣本,可以外推出10-12誤碼率(BER)下的抖動值。例如,通過外推算法,把測得的RJ (rms)乘以14.069,可以得到10-12誤碼率下RJ(PK-PK)。

標準化發(fā)射機一致性測試設(shè)置,包括參考測試通道和線纜
圖2. 標準化發(fā)射機一致性測試設(shè)置,包括參考測試通道和線纜

測試點2 (TP2)距被測器件(DUT)最近,測試點1 (TP1)是遠端測量點。

在TP1采集信號后,可以使用SigTest軟件處理數(shù)據(jù),這與PCI Express官方的一致性測試方法類似。對需要預測試一致性、檢定或調(diào)試的應用,希望可以進一步了解電路在各種條件或參數(shù)下的特點。裝有USB 3.0分析軟件的高帶寬示波器提供了Normative和Informative方式的物理層發(fā)射端自動測量。省掉了手動配置的步驟,大大節(jié)約了測量時間。

在測試完成后,詳細的Pass/Fail測試報告標記出哪里可能發(fā)生設(shè)計問題。如果在不同測試地點(如公司實驗室、測試中心)結(jié)果不一致,可以使用之前測試時保存的波形數(shù)據(jù)重新分析(離線測量)。

如果要求更多的分析,可以使用抖動分析和眼圖分析軟件,調(diào)試和檢定電路。例如,可以一次顯示多個眼圖,允許工程師分析不同時鐘恢復設(shè)置或軟件通道模型的影響。此外,可以使用不同的濾波器,分析SSC的影響,解決系統(tǒng)互操作能力問題。

均衡考慮因素

由于明顯的通道衰減,SuperSpeed USB要求某種形式的補償,張開接收機上的眼圖。發(fā)射機上采用均衡技術(shù),其采用去加重的形式。規(guī)定的標稱去加重比是3.5 dB,用線性單位表示為1.5倍。例如,在跳變比特電平為150 mVp-p時,非跳變比特電平為100 mVp-p。

CTLE標準均衡實現(xiàn)方案包括片內(nèi)技術(shù)、有源接收機均衡或無源高頻濾波器,如線纜均衡器上使用的濾波器。這一模型特別適合一致性測試,因為它非常簡便地描述了傳輸函數(shù)。CTLE通過頻域中的一系列極點和零點,在特定頻率上達到峰值(Peak)。

CTLE實現(xiàn)方案的設(shè)計要比其它技術(shù)簡單,能耗要低于其它技術(shù)。然而,在某些情況下,由于適應性、精度和噪聲放大方面的限制,僅僅使用CTLE實現(xiàn)方案可能是不夠的。其它技術(shù)包括前向反饋均衡(FFE)和判定反饋均衡(DFE),通過對數(shù)據(jù)樣點加權(quán)一些補償系數(shù)來補償通道損耗。

CTLE和FFE是線性均衡器。因此,這兩種技術(shù)都會提升高頻噪聲,而產(chǎn)生信噪比劣化。但是,DFE在反饋環(huán)路中使用非線性元器件,使噪聲的放大達到最小,補償碼間干擾(ISI)。圖3示例了一個經(jīng)過傳輸通道明顯衰減的5Gbps 信號,和使用去加重、CLTE和DFE均衡技術(shù)處理之后的信號。

一個經(jīng)過傳輸通道明顯衰減的5Gbps 信號,和使用去加重、CLTE和DFE均衡技術(shù)處理之后的信號
圖3. 去加重(藍色)、長通道(白色)、CTLE (紅色)和三階DFE (灰色)對5-Gbit/s信號(黃色)產(chǎn)生的不同效果

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USB 3.0接收機測試

USB 3.0接收機測試與其它高速串行總線接收機一致性測試類似,它一般分成三個階段,第一個階段是壓力眼圖校準,然后是抖動容限測試,最后是分析。讓我們看一下這一過程的流程圖(圖4)。

USB 3.0接收機一致性測試包括三個階段:壓力眼圖校準、抖動容限測試和分析
圖4. USB 3.0接收機一致性測試包括三個階段:壓力眼圖校準、抖動容限測試和分析

壓力眼圖校準需要使用最壞情況信號,其通常在水平方向(通過增加抖動的方式)和垂直方向(通過把幅度設(shè)置成接收機能看到的最低幅度)加壓。在任何測試夾具、線纜或儀器變化時,都必須執(zhí)行壓力眼圖校準。

抖動容限測試使用校準后的壓力眼圖作為輸入,在此基礎(chǔ)上注入不同頻率的正弦抖動(SJ)。應用的這個SJ考驗的是接收機內(nèi)部的時鐘恢復電路,因此不僅測試了接收機對最壞信號情況的容忍能力,還測試了時鐘恢復的能力。最后,根據(jù)分析結(jié)果就可以知道,是否需要執(zhí)行進一步的調(diào)試,以滿足一致性測試要求。

壓力眼圖校準首先要使用標準夾具、線纜和通道設(shè)置測試設(shè)備(圖5)。然后要反復測量和調(diào)節(jié)應用的各類壓力,如抖動。然后使用標準測試夾具和通道及測試設(shè)備生成的特定數(shù)據(jù)碼型,在沒有DUT的情況下執(zhí)行校準。測試儀器應能夠執(zhí)行兩種功能:碼型生成,能夠增加各種壓力;信號分析,如抖動和眼圖測量。

 主機(頂部)和設(shè)備(底部)壓力眼圖校準
圖5. 主機(頂部)和設(shè)備(底部)壓力眼圖校準

首先設(shè)置標準夾具、線纜和通道,然后反復測量和調(diào)節(jié)各種應用的壓力,如抖動。然后在使用標準測試夾具和通道及使用測試設(shè)備生成的特定數(shù)據(jù)碼型,在沒有DUT的情況下進行校準。

必須進行三種損傷校準,以校準壓力眼圖,其分別是:RJ、SJ和眼高。每種校準都要求在碼型發(fā)生器和分析儀上進行特定設(shè)置。對每套線纜、適配器和儀器,必須進行一次壓力眼圖校準。

由于使用不同的適配器和參考通道,主機和設(shè)備的壓力眼圖校準也不同。在校準完成后,可以重復使用校準后的眼圖設(shè)置,如果設(shè)備設(shè)置中有的東西發(fā)生變化,那么必須重新校準。

其它碼型發(fā)生器要求

前面我們已經(jīng)介紹了要求校準的項目,我們看一下碼型發(fā)生器對每步校準的進一步要求,包括使用的數(shù)據(jù)碼型、去加重數(shù)量以及應該不應該啟用SSC。在壓力眼圖校準方法中,列出的兩種碼型是CP0和CP1。表3列出了所有USB 3.0一致性測試碼型,以供參考。

USB 3.0 一致性測試碼型
表3.USB 3.0 一致性測試碼型

CP0是一種經(jīng)過8b/10b編碼的PRBS-16 數(shù)據(jù)碼型(USB 3.0發(fā)射機對D0.0字符加擾和編碼的結(jié)果)。在8b/10b編碼后,最長的連續(xù)1或連續(xù)0是5位,較標準PRBS-16 碼型中最長16位的連續(xù)1或0明顯下降。CP3是與8b/10b編碼的PRBS-16類似的一種碼型,類似之處在于,它同時包含著由相同的比特組成的最短序列(孤位lone bit)和最長序列。

CP1是RJ校準使用的一種時鐘碼型。許多儀器采用雙Diarc方法,把隨機性抖動和確定性抖動分開,進行RJ測量。使用時鐘碼型是為了消除雙Dirac方法中的一個缺陷,即其一般會把DDJ報告為RJ,特別是在長碼型上。通過使用時鐘碼型,可以從抖動測量中消除ISI引起的DDJ,提高RJ測量精度。

碼型發(fā)生器和分析儀之間的有損通道(即USB 3.0 參考通道和線纜)在垂直方向和水平方向?qū)е铝祟l率相關(guān)損耗,這種損耗的表現(xiàn)是眼圖閉合(圖6)。為解決這種損耗,可以使用發(fā)射機去加重,提升信號的高頻成分,以便接收的眼圖在10-12(或更低)BER下足夠好。

波形和眼圖可以演示去加重的不同影響,在本例中使用PRBS-7 數(shù)據(jù)碼型
圖6. 波形和眼圖可以演示去加重的不同影響,在本例中使用PRBS-7 數(shù)據(jù)碼型

從眼圖上可以看到,在沒有去加重時,所有比特位的幅度理論上是相同的。有了去加重,跳變位比非跳變位的幅度要高,有效地提高了信號的高頻成分。

在通過有損耗的通道和線纜后,沒有去加重的信號的眼圖會產(chǎn)生ISI,閉合程度會變嚴重,而有去加重的信號的眼圖是完全張開的。我們從這里可以看到,去加重的量影響著ISI和DDJ的值,進而影響接收機上的眼圖張開度。

SSC通常用于同步的數(shù)字系統(tǒng)(包括USB 3.0),以降低電磁干擾(EMI)。如果沒有SSC,數(shù)字信號的頻譜在其載頻(即5 Gbits/s)及其諧波上將出現(xiàn)高能的尖峰值,可能會超過法規(guī)限制(圖7)。

SSC可能會影響頻譜(圖中所示的單個頻點
圖7. SSC可能會影響頻譜(圖中所示的單個頻點)

在本例中,使用SSC擴展頻譜的能量,規(guī)避超出法規(guī)限制的可能

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為防止這個問題,SSC用來擴散頻譜的能量。載頻被調(diào)制,在本例中被三角波調(diào)制。接收機測試中使用的頻率擴展的幅度是5000 ppm,頻率調(diào)制以33 kHz或每隔30 μs循環(huán),表現(xiàn)為三角波的一個周期。在SSC后,頻譜中的能量被擴散,沒有一個頻率違反政策限制。

如前所述,USB 3.0中接收機一側(cè)的均衡技術(shù)改善了ISI破壞的信號,ISI來自于參考通道和線纜中的頻率相關(guān)損耗。去加重同理,其通過信號處理方法提升信號的高頻成分。

盡管設(shè)備或主機中的接收機均衡電路與實現(xiàn)方案有關(guān),但USB 3.0標準為一致性測試規(guī)定了CTLE (圖8)。參考接收機必須實現(xiàn)這個CTLE,如誤碼率測試儀(BERT)或示波器,然后才能進行一致性測試測量(同時用于發(fā)射機測試及本例的接收機壓力眼圖校準),其通常采用軟件仿真的形式。

參考接收機(如誤碼率測試儀或示波器)必須實現(xiàn)USB 3.0規(guī)范中規(guī)定的CTLE功能
圖8. 參考接收機(如誤碼率測試儀或示波器)必須實現(xiàn)USB 3.0規(guī)范中規(guī)定的CTLE功能
 

在抖動測量中使用CTLE仿真主要會改善受信號處理方法影響的抖動,即ISI。CTLE仿真不影響與數(shù)據(jù)碼型無關(guān)的抖動成分,如RJ和SJ,盡管根據(jù)一致性測試規(guī)范(CTS),這兩種測量都要求使用CTLE。另一方面,眼高會直接受到影響,因為ISI會影響其測量。

必須使用符合標準抖動傳遞函數(shù)(JTF)的時鐘恢復“黃金鎖相環(huán)”進行抖動測量,如圖9中藍色曲線所示。JTF決定著有多少抖動從輸入信號傳遞到分析儀。在本例中,–3-dB截止頻率是4.9 MHz。

藍色曲線說明了“標準PLL”的抖動傳遞函數(shù),其來自USB 3.0標準圖6到圖9
圖9. 藍色曲線說明了“標準PLL”的抖動傳遞函數(shù),其來自USB 3.0標準圖6到圖9

在最低的SJ頻率上(JTF的斜坡部分,或PLL環(huán)路響應的平坦部分),恢復的時鐘可以跟蹤數(shù)據(jù)信號上的抖動。因此,數(shù)據(jù)中相對于時鐘的抖動根據(jù)JTF被衰減。在JTF平坦、PLL響應向下傾斜的更高SJ頻率上,信號中存在的SJ被轉(zhuǎn)移到下行分析儀。除壓力眼圖校準過程中的SJ以外,規(guī)定所有測量都要使用標準JTF。

一旦校準了壓力眼圖,可以開始接收機測試。USB 3.0要求進行BER 測試,這不同于其上一代技術(shù)USB 2.0。接收機測試要求的唯一測試是采用抖動容限方式的BER 測試。抖動容限測試使用最壞情況下的輸入信號來執(zhí)行接收機測試(上一節(jié)中提到的校準的壓力眼圖)。在壓力眼圖的基礎(chǔ)上, JTF曲線的-3dB截止頻率附近的一系列SJ頻率(滿足相應幅度要求)會被注入到測試信號中,同時誤碼檢測器監(jiān)測接收機中的錯誤或誤碼,計算BER。

結(jié)論

隨著USB 3.0開始轉(zhuǎn)入主流,成功的發(fā)射機一致性和認證測試對新產(chǎn)品上市至關(guān)重要。這些產(chǎn)品不僅能與其它USB 3.0設(shè)備很好地一起工作,還滿足了消費者在各種條件下的性能和可靠性預期。

除大幅度提高性能外,USB 3.0還提出了一系列新的測試要求,與上一代標準相比,帶來了更多的設(shè)計和認證挑戰(zhàn)。幸運的是,市場上提供了一套完整的測試工具和資源,可以幫助您實現(xiàn)SuperSpeed USB徽標認證。
 

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