隨著主流市場即將演進到SuperSpeed USB，許多設計團隊正力圖加快設計認證。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。高帶寬設備（如攝像機和存儲設備）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(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(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(fā)射機中使用均衡技術（包括去加重），在接收機中使用連續(xù)時間線性均衡技術(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)。
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。
發(fā)射機一致性測試
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(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)。
圖2. 標準化發(fā)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(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(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，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、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(xiàn)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(shù)據(jù)樣點加權一些補償系數(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。
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(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、線纜和通道設置測試設備(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。
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(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(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。
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。
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)。
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。
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(xiàn)方案有關，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。
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。
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)品上市至關重要。這些產(chǎn)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(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。 |
