【導讀】隨著主流市場演進到SuperSpeed USB，許多設計團隊正力圖加快設計認證。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。
盡管市場上已經出現了早期的USB 3.0產品，但主流市場轉向SuperSpeed USB還有待時日。部分原因在于，USB 2.0接口無所不在，且生產成本低廉。高帶寬設備（如攝像機和存儲設備）已經率先演進到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品。
大規模部署任何新的行業標準（包括USB3.0）都存在內在挑戰。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，測試變得空前關鍵或重要。
USB 3.0擁有許多其它高速串行技術（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設備達數十億，因而USB 3.0也提供了向下兼容能力，支持傳統USB 2.0設備。然而，USB 2.0和3.0在物理層有多種差異 (表1)。
表1. USB 2.0 和 SuperSpeed USB物理層區別
SuperSpeed USB一致性測試已經有明顯變化，以適應更高速接口帶來的新挑戰。USB 2.0接收機驗證需要執行接收機靈敏度測試。USB 2.0設備必須對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。設計人員還必須考慮傳輸線效應，在發射機中使用均衡技術（包括去加重），在接收機中使用連續時間線性均衡技術(CTLE)。此外，現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串行數據鏈路另一個重要部分是被測波形與互連通道的聯系非常復雜。不能再認為只要發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)。
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射機測試 (表2)。每種碼型都是根據與評估碼型的測試有關的特點而選擇的。CP0（一種D0.0加擾序列）用來測量確定性抖動(Dj)，如數據相關抖動(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)。
表2. SuperSpeed USB 發送端一致性測試碼型
抖動和眼高的測量是通過對100萬個連續比特(UI)進行分析而得到，需要使用均衡器功能和適當的時鐘恢復設置（二階鎖相環、或稱為PLL，10 Mhz環路帶寬，0.707的阻尼系數）。通過分析被測數據樣本，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)。
圖2. 標準化發射機一致性測試設置，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軟件處理數據，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、檢定或調試的應用，希望可以進一步了解電路在各種條件或參數下的特點。裝有USB 3.0分析軟件的高帶寬示波器提供了Normative和Informative方式的物理層發射端自動測量。省掉了手動配置的步驟，大大節約了測量時間。
在測試完成后，詳細的Pass/Fail測試報告標記出哪里可能發生設計問題。如果在不同測試地點（如公司實驗室、測試中心）結果不一致，可以使用之前測試時保存的波形數據重新分析(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。發射機上采用均衡技術，其采用去加重的形式。規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標準均衡實現方案包括片內技術、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。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實現方案的設計要比其它技術簡單，能耗要低于其它技術。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實現方案可能是不夠的。其它技術包括前向反饋均衡(FFE)和判定反饋均衡(DFE)，通過對數據樣點加權一些補償系數來補償通道損耗。
CTLE和FFE是線性均衡器。因此，這兩種技術都會提升高頻噪聲，而產生信噪比劣化。但是，DFE在反饋環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)。
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，根據分析結果就可以知道，是否需要執行進一步的調試，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、線纜和通道設置測試設備(圖5)。然后要反復測量和調節應用的各類壓力，如抖動。然后使用標準測試夾具和通道及測試設備生成的特定數據碼型，在沒有DUT的情況下執行校準。測試儀器應能夠執行兩種功能：碼型生成，能夠增加各種壓力；信號分析，如抖動和眼圖測量。
圖5. 主機（頂部）和設備（底部）壓力眼圖校準
首先設置標準夾具、線纜和通道，然后反復測量和調節各種應用的壓力，如抖動。然后在使用標準測試夾具和通道及使用測試設備生成的特定數據碼型，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生器和分析儀上進行特定設置。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置，如果設備設置中有的東西發生變化，那么必須重新校準。
其它碼型發生器要求
前面我們已經介紹了要求校準的項目，我們看一下碼型發生器對每步校準的進一步要求，包括使用的數據碼型、去加重數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。
表3.USB 3.0 一致性測試碼型
CP0是一種經過8b/10b編碼的PRBS-16 數據碼型(USB 3.0發射機對D0.0字符加擾和編碼的結果)。在8b/10b編碼后，最長的連續1或連續0是5位，較標準PRBS-16 碼型中最長16位的連續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導致了頻率相關損耗，這種損耗的表現是眼圖閉合(圖6)。為解決這種損耗，可以使用發射機去加重，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。
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 數據碼型
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通常用于同步的數字系統(包括USB 3.0)，以降低電磁干擾(EMI)。如果沒有SSC，數字信號的頻譜在其載頻(即5 Gbits/s)及其諧波上將出現高能的尖峰值，可能會超過法規限制(圖7)。
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，規避超出法規限制的可能
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為防止這個問題，SSC用來擴散頻譜的能量。載頻被調制，在本例中被三角波調制。接收機測試中使用的頻率擴展的幅度是5000 ppm，頻率調制以33 kHz或每隔30 μs循環，表現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中接收機一側的均衡技術改善了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。
盡管設備或主機中的接收機均衡電路與實現方案有關，但USB 3.0標準為一致性測試規定了CTLE (圖8)。參考接收機必須實現這個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。
圖8. 參考接收機（如誤碼率測試儀或示波器）必須實現USB 3.0規范中規定的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仿真不影響與數據碼型無關的抖動成分，如RJ和SJ，盡管根據一致性測試規范(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(JTF)的時鐘恢復“黃金鎖相環”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。
圖9. 藍色曲線說明了“標準PLL”的抖動傳遞函數，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環路響應的平坦部分)，恢復的時鐘可以跟蹤數據信號上的抖動。因此，數據中相對于時鐘的抖動根據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被轉移到下行分析儀。除壓力眼圖校準過程中的SJ以外，規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行接收機測試(上一節中提到的校準的壓力眼圖)。在壓力眼圖的基礎上， 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，同時誤碼檢測器監測接收機中的錯誤或誤碼，計算BER。
結論
隨著USB 3.0開始轉入主流，成功的發射機一致性和認證測試對新產品上市至關重要。這些產品不僅能與其它USB 3.0設備很好地一起工作，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，帶來了更多的設計和認證挑戰。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SuperSpeed USB徽標認證。
