中心議題：

• USB3.0物理層測(cè)試內(nèi)容、難點(diǎn)介紹
• 力科USB3測(cè)試方案的特點(diǎn)

解決方案：

• 力科QualiPHY-USB3.0控制示波器、誤碼率測(cè)試儀PeRT3
• 快捷的、全自動(dòng)的測(cè)量USB3.0的測(cè)試項(xiàng)目
• 簡(jiǎn)化測(cè)試與調(diào)試時(shí)間

USB簡(jiǎn)介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、MP3、U盤等外圍設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)，它使計(jì)算機(jī)與周邊設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)化，從2000年以后，支持USB2.0版本的計(jì)算機(jī)和設(shè)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(biāo)為低速設(shè)備外，大多數(shù)設(shè)備都是速率達(dá)480M的高速設(shè)備。

盡管USB2.0的速度已經(jīng)相當(dāng)快，對(duì)于目前高清視頻和TB級(jí)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(lái)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(dá)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(lán)光光盤的容量。USB3.0預(yù)計(jì)將在2011年逐漸在計(jì)算機(jī)和消費(fèi)電子產(chǎn)品上使用。 力科于2009年4月發(fā)布了USB3.0的物理層測(cè)試解決方案，能提供端到端的互操作測(cè)試和兼容性測(cè)試，包括了Transmitter測(cè)試、Receiver測(cè)試、TDR測(cè)試。此外，力科還提供了業(yè)界領(lǐng)先的USB3.0協(xié)議層測(cè)試方案。

USB3.0物理層測(cè)試內(nèi)容介紹
對(duì)于絕大多數(shù)高速串行信號(hào)的測(cè)量，通常包括了發(fā)送端測(cè)量和接收機(jī)測(cè)量，又稱為TX測(cè)量和RX測(cè)量。目前，對(duì)于板級(jí)設(shè)計(jì)的硬件工程師，對(duì)發(fā)送端測(cè)試已經(jīng)非常熟悉。通常使用高帶寬示波器加上測(cè)試夾具或差分探頭來(lái)測(cè)量，測(cè)試項(xiàng)目主要是眼圖、抖動(dòng)、上升/下降時(shí)間、幅度等等，探測(cè)點(diǎn)的位置一般是串行鏈路的發(fā)送端或接收端，由于測(cè)量的都是高速收發(fā)器芯片發(fā)送出的信號(hào)，對(duì)于這一類測(cè)試通常都稱為發(fā)送端測(cè)試，如下圖2為典型的TX測(cè)試的示意圖。
不過(guò)，一些工程師誤認(rèn)為在靠近鏈路接收端測(cè)量眼圖或抖動(dòng)就是接收機(jī)測(cè)量，這主要是在過(guò)去，接收機(jī)測(cè)試在板級(jí)的硬件研發(fā)中不是必測(cè)項(xiàng)目，造成了一些誤解。而在高速收發(fā)器芯片級(jí)的硬件研發(fā)中，接收機(jī)測(cè)試時(shí)必須的。

圖3為接收機(jī)測(cè)試的示意圖。接收機(jī)測(cè)試所需的儀器是誤碼率測(cè)試儀（簡(jiǎn)稱BERT），BERT通常包括碼型發(fā)生器（Pattern Generator）和誤碼檢測(cè)器（Error Detector）兩部分。在接收機(jī)測(cè)試時(shí)，碼型發(fā)生器輸出特定碼型的、帶有大量抖動(dòng)和噪聲的信號(hào)到待測(cè)試產(chǎn)品（Product Under Test，簡(jiǎn)稱PUT）的RX，PUT接收到后通過(guò)時(shí)鐘與數(shù)據(jù)恢復(fù)電路（簡(jiǎn)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(cè)器，誤碼檢測(cè)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(duì)比，如果兩者完全吻合則沒(méi)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(shí)記錄接收到誤碼時(shí)碼型發(fā)生器輸出信號(hào)的抖動(dòng)值。如果用示波器測(cè)量PUT的RX端接收到的信號(hào)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(cè)量PUT的TX端輸出信號(hào)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(hào)的隨機(jī)抖動(dòng)、固有抖動(dòng)、信號(hào)幅度等參數(shù)，可以快速評(píng)估PUT的接收機(jī)性能。 力科的USB3.0物理層測(cè)試方案包括了：示波器SDA813Zi、誤碼率測(cè)試儀PeRT、USB3.0測(cè)試夾具、自動(dòng)化測(cè)試軟件QualiPHY-USB3和眼圖醫(yī)生軟件。

力科最新版本的一致性測(cè)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(cè)試規(guī)范Rev0.9版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）來(lái)開(kāi)發(fā)的，并隨著測(cè)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(guò)USB電纜連接到PeRT3，使用USB電纜與PeRT3進(jìn)行通信，在測(cè)試中，QualiPHY軟件可以控制PeRT3發(fā)送特定的信號(hào)，或從PeRT3中讀取RX測(cè)試結(jié)果，這樣只需QualiPHY軟件即可完成TX和RX的所有測(cè)試。在QualiPHY-USB3測(cè)試軟件中，包括了以下測(cè)試項(xiàng)目：

1. LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號(hào)測(cè)量

2. SSC（Spread Spectrum Clock）展頻測(cè)量

3. 抖動(dòng)與眼圖測(cè)量

4. AC和DC共模電壓測(cè)量

5. 差分電壓幅度與去加重測(cè)量

6. 誤碼測(cè)試與抖動(dòng)容限測(cè)量

其中，前面5項(xiàng)都是發(fā)送端測(cè)試，最后一項(xiàng)是接收機(jī)測(cè)試。

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

2. 在接收機(jī)測(cè)試時(shí)，PUT很難進(jìn)入環(huán)回模式（Loopback模式）

3. 在接收機(jī)測(cè)試時(shí)，PUT發(fā)送出的碼流會(huì)加入一些SKP，這樣，BERT的Error Dector接收到的數(shù)據(jù)包括測(cè)試碼型和一些SKP，對(duì)比碼型發(fā)生器發(fā)送出的測(cè)試碼型，傳統(tǒng)的BERT會(huì)誤認(rèn)為測(cè)量到了誤碼。

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難點(diǎn)1：
在USB3.0規(guī)范中定義了多種兼容性測(cè)試碼型（Compliance Pattern，簡(jiǎn)稱CP），如下圖4所示包括了CP0-CP8九種測(cè)試碼型。在TX測(cè)量中，需要用到CP0/CP1/CP7/CP8四種碼型：CP0用于眼圖與抖動(dòng)、共模電壓測(cè)量；CP1用于SSC展頻測(cè)量、隨機(jī)抖動(dòng)測(cè)量；CP7用于去加重測(cè)量；CP8用于差分電壓幅度測(cè)量。
對(duì)于板級(jí)研發(fā)的工程師，如果沒(méi)有IC廠商提供的發(fā)包程序，很難讓PUT發(fā)出不同的測(cè)試碼型，而力科的USB3測(cè)試方案可以解決這個(gè)問(wèn)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(hào)輸出端相連。通常PUT在上電后會(huì)發(fā)送出CP0碼型，示波器通過(guò)USB電纜控制PERT，然后PeRT會(huì)發(fā)出1個(gè)Ping.LFPS命令給PUT，PUT接收到1個(gè)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(gè)Ping.LFPS，則PUT的輸出碼型切換為CP2，即PUT每收到1個(gè)Ping.LFPS就輸出下一個(gè)CP（CP8的下一個(gè)碼型為CP0），通過(guò)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(cè)試項(xiàng)目。
難點(diǎn)2：
在接收機(jī)測(cè)試中，需要通過(guò)Polling.LFPS->Rx.EQ->TS1->TS2->Loopback這一過(guò)程才能進(jìn)入環(huán)回模式來(lái)測(cè)量接收機(jī)性能。在這個(gè)過(guò)程中接收機(jī)測(cè)試儀器（比如BERT）需要不斷的和PUT進(jìn)行“握手”（handshake），在鏈路層與PUT通信，使其一步一步的進(jìn)入Loopback模式，這對(duì)一些接收機(jī)測(cè)試儀器是非常困難的，比如X公司的接收機(jī)測(cè)試儀器是傳統(tǒng)BERT，不能與PUT進(jìn)行“握手”，很難從Polling.LFPS逐步進(jìn)入Loopback模式，而Y公司的接收機(jī)測(cè)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(wú)法從協(xié)議上識(shí)別PUT響應(yīng)的信令，于是，很難逐步從Polling.LFPS進(jìn)入到Loopback模式。如果未進(jìn)入Loopback模式，通常使用人員會(huì)在信號(hào)源上編輯腳本，不斷調(diào)整LFPS、Rx.EQ、TS1、TS2之間的時(shí)間間隔，以期望調(diào)整后的信令能逐步使PUT進(jìn)入環(huán)回模式，當(dāng)測(cè)量新的USB3.0的IC時(shí)，可能又要修改信號(hào)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(jī)測(cè)試儀盲目的發(fā)出信令與PUT“握手”，但是無(wú)法識(shí)別PUT響應(yīng)的信令。

力科的USB3.0接收機(jī)測(cè)試儀器PeRT解決了進(jìn)入環(huán)回模式困難這一問(wèn)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(jìn)入Loopback模式，快速測(cè)量接收機(jī)。

難點(diǎn)3：
在USB3.0中，鏈路兩端的產(chǎn)品的參考時(shí)鐘頻率可能是不一樣的，參考時(shí)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(bǔ)償頻率偏差，在USB3中的數(shù)據(jù)流中每354個(gè)symbol要插入兩個(gè)SKP（即K28.1碼），接收端需要能識(shí)別和刪除SKP，在USB3.0芯片中，添加和刪除SKP是由Elasticity Buffer來(lái)實(shí)現(xiàn)的（詳見(jiàn)USB3.0 Specification的6.4.3節(jié)）。于是，在接收機(jī)測(cè)試時(shí)，PUT發(fā)送出的碼流會(huì)加入一些SKP，誤碼檢測(cè)器接收到的數(shù)據(jù)包括了測(cè)試碼型和一些SKP，然后對(duì)比碼型發(fā)生器發(fā)送出的測(cè)試碼型，傳統(tǒng)的BERT會(huì)誤認(rèn)為測(cè)量到了誤碼。而力科的PeRT可以智能的添加和刪除SKP后，再來(lái)計(jì)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(cè)試方案的特點(diǎn)
在2009年11月力科更新了USB3.0的物理層測(cè)試方案，可以全自動(dòng)的完成兼容性測(cè)試的所有項(xiàng)目。如下圖7、8所示力科USB3.0的解決方案示意圖，測(cè)試儀器和附件由帶寬13GHz以上的示波器、PeRT3、RF Switch、USB3.0測(cè)試夾具等等組成。
在TX測(cè)試時(shí)，信號(hào)的傳輸鏈路如圖7的上半部分所示，力科示波器通過(guò)USB電纜控制PeRT3，PeRT3通過(guò)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(wú)需測(cè)試人員去配置PUT發(fā)送不同的測(cè)試碼型了，通過(guò)PeRT3，力科的QualiPHY軟件會(huì)自動(dòng)控制PUT發(fā)送不同的測(cè)試碼型，完成TX的所有測(cè)試。 在RX測(cè)試時(shí)，示波器通過(guò)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(dòng)的信號(hào)先通過(guò)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(jìn)入PUT的RX端，PUT的TX端通過(guò)夾具，把信號(hào)發(fā)送給PeRT3的Error Dector端。

由于示波器通過(guò)USB電纜控制PeRT和并讀取PeRT的測(cè)試結(jié)果，并通過(guò)GPIB控制RF Switch在鏈路間自動(dòng)切換，這樣，USB3.0的TX和RX測(cè)試完全自動(dòng)化，無(wú)需人工干預(yù)，操作步驟非常簡(jiǎn)單，節(jié)省了測(cè)試時(shí)間。 結(jié)語(yǔ)
本文簡(jiǎn)要介紹了USB3.0的物理層測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試難點(diǎn)。力科的一致性測(cè)試軟件QualiPHY-USB3.0可以控制示波器、誤碼率測(cè)試儀PeRT3，快捷的、全自動(dòng)的測(cè)量USB3.0的所有測(cè)試項(xiàng)目，大大的簡(jiǎn)化了工程師的測(cè)試與調(diào)試時(shí)間，是業(yè)內(nèi)最全面和 快捷的測(cè)試解決方案。

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