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控製示波器、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
，用於把鍵盤、鼠標、打印機
、掃描儀、數碼相機
、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年以後

，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
，對於目前高清視頻和TB級別的數據傳輸還是有些慢，在2008年11月，HP
、Intel
、微軟、NEC、ST-NXP、TI聯合起來正式發布了USB3.0的V1.0規範。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分鍾，而3.0隻需70秒左右（如圖1所示）。”25GB，正好是單麵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。 力科於2009年4月發布了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
，力科還提供了業界領先的USB3.0協議層測試方案。

USB3.0物理層測試內容介紹
對於絕大多數高速串行信號的測量，通常包括了發送端測量和接收機測量，又稱為TX測量和RXceliang。muqian，duiyubanjishejideyingjiangongchengshi，duifasongduanceshiyijingfeichangshuxi。tongchangshiyonggaodaikuanshiboqijiashangceshijiajuhuochafentantoulaiceliang
，ceshixiangmuzhuyaoshiyantu
、抖動、上升/下降時間、fududengdeng，tancediandeweizhiyibanshichuanxinglianludefasongduanhuojieshouduan，youyuceliangdedoushigaosushoufaqixinpianfasongchudexinhao


，duiyuzheyileiceshitongchangdouchengweifasongduanceshi，ruxiatu2為典型的TX測試的示意圖。
不bu過guo，一yi些xie工gong程cheng師shi誤wu認ren為wei在zai靠kao近jin鏈lian路lu接jie收shou端duan測ce量liang眼yan圖tu或huo抖dou動dong就jiu是shi接jie收shou機ji測ce量liang，這zhe主zhu要yao是shi在zai過guo去qu，接jie收shou機ji測ce試shi在zai板ban級ji的de硬ying件jian研yan發fa中zhong不bu是shi必bi測ce項xiang目mu，造zao成cheng了le一yi些xie誤wu解jie。而er在zai高gao速su收shou發fa器qi芯xin片pian級ji的de硬ying件jian研yan發fa中zhong
，接jie收shou機ji測ce試shi時shi必bi須xu的de。

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接收到後通過時鍾與數據恢複電路（簡稱CDR）
、判別電路和解碼得到1和0組合的比特流，然後環回到輸出寄存器，從PUT的TX緩衝器發送出去
，PUT的TX連接到了BERT的誤碼檢測器，誤碼檢測器中的CDR、判別電路處理後解碼得到1與0組(zu)合(he)的(de)數(shu)據(ju)比(bi)特(te)流(liu)

，然(ran)後(hou)與(yu)碼(ma)型(xing)發(fa)生(sheng)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)特(te)定(ding)碼(ma)型(xing)數(shu)據(ju)對(dui)比(bi)，如(ru)果(guo)兩(liang)者(zhe)完(wan)全(quan)吻(wen)合(he)則(ze)沒(mei)有(you)誤(wu)碼(ma)，否(fou)則(ze)，記(ji)錄(lu)下(xia)誤(wu)碼(ma)的(de)數(shu)量(liang)和(he)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)碼(ma)流(liu)的(de)比(bi)特(te)總(zong)數(shu)，前(qian)者(zhe)除(chu)以(yi)後(hou)者(zhe)即(ji)誤(wu)碼(ma)率(lv)
，同(tong)時(shi)記(ji)錄(lu)接(jie)收(shou)到(dao)誤(wu)碼(ma)時(shi)碼(ma)型(xing)發(fa)生(sheng)器(qi)輸(shu)出(chu)信(xin)號(hao)的(de)抖(dou)動(dong)值(zhi)。如(ru)果(guo)用(yong)示(shi)波(bo)器(qi)測(ce)量(liang)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。修改碼型發生器輸出信號的隨機抖動、固有抖動、信號幅度等參數
，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和眼圖醫生軟件。

力科最新版本的一致性測試軟件QualiPHY-USB3是根據2009年11月發布的USB3.0的電氣兼容性測試規範Rev0.9版本（Electrical Compliance Test Specification Rev0.9）來開發的，並隨著測試規範的更新而不斷更新
，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軟件可以控製PeRT3發送特定的信號
，或從PeRT3中讀取RX測試結果，這樣隻需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，前麵5項都是發送端測試，最後一項是接收機測試。

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芯片開發人員很難讓PUT發出特定的兼容性測試碼型

2. 在接收機測試時，PUT很難進入環回模式（Loopback模式）

3. 在接收機測試時，PUT發送出的碼流會加入一些SKP，這樣，BERT的Error Dector接收到的數據包括測試碼型和一些SKP
，對比碼型發生器發送出的測試碼型，傳統的BERT會誤認為測量到了誤碼。

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難點1：
在USB3.0規範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用於眼圖與抖動、共模電壓測量；CP1用於SSC展頻測量、隨機抖動測量
；CP7用於去加重測量
；CP8用於差分電壓幅度測量。
對於板級研發的工程師，如果沒有IC廠商提供的發包程序，很難讓PUT發出不同的測試碼型
，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在上電後會發送出CP0碼型，示波器通過USB電纜控製PERT

，然後PeRT會發出1個Ping.LFPS命令給PUT，PUT接收到1個Ping.LFPS後
，輸出的碼型切換為CP1，示波器捕獲到CP1碼型後，控製PERT又發送出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），通過用示波器控製PERT，PERT控製PUT發出不同的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生器，可以發送LFPS信令到PUT，但是無法從協議上識別PUT響應的信令，於是
，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，以期望調整後的信令能逐步使PUT進入環回模式，當測量新的USB3.0的IC時，可能又要修改信號源輸出腳本。我們稱這種隻發不收的方法為Blind handshake，即接收機測試儀盲目的發出信令與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鍾頻率可能是不一樣的，參考時鍾允許的精度為+/-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中的數據流中每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來實現的（詳見USB3.0 Specification的6.4.3節）。於是，在接收機測試時，PUT發送出的碼流會加入一些SKP，誤碼檢測器接收到的數據包括了測試碼型和一些SKP，然後對比碼型發生器發送出的測試碼型
，傳統的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後，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電纜控製PeRT3，PeRT3通過同軸電纜向PUT的RX端發送Ping.LFPS，PUT的TX連接到示波器的通道。PeRT每發送一次Ping.LFPS，則PUT的TX發送的碼型在CP0到CP8之間切換一次（比如從CP0變為CP1，或從CP8變為CP0），這樣無需測試人員去配置PUT發送不同的測試碼型了，通過PeRT3，力科的QualiPHY軟件會自動控製PUT發送不同的測試碼型，完成TX的所有測試。 在RX測試時，示波器通過GPIB接口控製RF Switch切換到另一鏈路，如圖7下部分所示，PeRT3的碼型發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），然後連接到USB3夾具
，進入PUT的RX端，PUT的TX端通過夾具，把信號發送給PeRT3的Error Dector端。

由於示波器通過USB電纜控製PeRT和並讀取PeRT的測試結果，並通過GPIB控製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，無需人工幹預，操作步驟非常簡單，節省了測試時間。 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可以控製示波器
、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

，是業內最全麵和 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.