再谈USB3.0-测试关键技术.pdf笔者这篇文章将总结 USB3.0 的测试方案，归纳 USB3.

文件名称: 再谈USB3.0-测试关键技术.pdf

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详细说明：笔者这篇文章将总结 USB3.0 的测试方案，归纳 USB3.0 发射并重点介绍接收测试的一些关键技术和原理，比如 USB 3.0 的一致性通道、抖动传递函数、接收端的均衡技术、接收端抖动一致性和容忍度测试的原理、如何进入环回、如何进行 SER（误符号率）测试、以及一些实际测试中的常见问题，与读者分享。致性通道(comp| iance channels) 为了更好的模拟实际的USB3.0拓扑,及反映真实最极端情况下USB3.0的电气性能,规范根据典型的走线长度和最长的电缆长度,定义了几种不同的一致性参考通道,分别模拟了主设备(Host)参考通 Host pkg AC Cap Connector 道模型,从设备( Device)参考通道模型以及电缆的一致性通道模型。测量Host的 Host PCB Cable 致性通道定义为3米长的电缆加上5英寸 Device pk 的 Device pcb走线,测量 Device的一致性 Back Pane Connector通道定义是3米长的电缆加上11英寸的 Device pcB 1"-") Host Pcb走线,还有一种是直接连接 ( Tethered)的USB30 Device设备,比如说U盘( flash drive),一致性通道定义是 11英寸 Host PcB走线。 USB-F协会提供了一致性通道的S参数模型,这样在测试 ⅸX的时候就不必再连接电缆和特定走线长度的夹具,采用软件嵌入S参数的方法可以保证精度的情况下也提高测量重复性 Embed /De-embed Setings Embed None 安捷伦的USB30TX一致性测试软件U7243A可以 Load InfiniSim c-u 支持嵌入( Embed)、去嵌入(De- embed)的功能, 软件直接内置提供Host和 Device的一致性通道的传递函数,可以嵌入一致性通道模型,完成对一致性测试的要求。另外安捷伦示波器里的 InfiniiSim软件支持通用的嵌入/去嵌入等各种通道模拟和仿真工具,可用于高级的调试和分析。对于Rx的测试,因为需要实现一致性通道的物理连接,∪SB-lF专门提供了表征一致性通道的11英寸和5英寸的PCB板,3米长的USB30电缆,以及接口夹具, 用以校准和测量USB3.0的接收性能。另外, Agilent抖动误码仪N4903B的」0码间干扰(S)选件可用来模拟各种走线长度的情况,作为标准的一致性通道的补充, 帮助用户验证和调试接收端的抖动容忍能力。下图来自USBF官方网站上推荐的Rx一致性测试夹具,读者可访问附录参考网站了解夹具的拓扑结构和购买信息。 Host Test Fⅸture1 Device Test Fixture 1 I 5" Host Test Fixture 2 11 Device Test Fixture 2 接收均衡技术CTLE USB3.0信号速率已经达到5Gbps,由于PCB走线及电缆的损耗,在接收端直接观察信号眼图往往已经闭合了,规范要求在接收端加入均衡功能以满足时序及幅度的要求。USB3.0采用的均衡技术是CTLE( Continuous Timing Linear Equalizer,连续时间线性均衡器),它的传递函数如下: H(S)= dc up1p2 s+pi)(s+api) 其中 Aa=0.667 直流增益 2=2(650MHz)零点 n1=2x(195GH)级点 p2=2(5GHz)级点2 CTLE的传递函数的频率响应曲线图如左图所示,摘白USB3.0 5 a/ Specification图617,从均衡的频响曲线可见,均衡器将高频部分进行增益补偿,抑制低频增益, 对链路损耗进行补偿,处理后信 20=650x 噪比将提升,从而降低接收端的 F=1.95d1 误码率 109 1011 Fr 在ⅸ测试眼图抖动等参数时,需要反 Equalizer Setup 映现实的连接拓扑,加入一致性通道,也 Equa Ization Wizard 需要加入CTLE处理后再进行分析, Agilent业xmm图 Linear ta (rrC/ CTLD 的U7243A一致性测试软件内建了USB协b Channe 1 of Taps 250000000G/s LEut set RE VH 会官方的 Sig Test软件算法,提供了标准的 O CTLE DFE renders USB30的CTLE均衡功能,保证测试结果和 667m 官方的 Sigtest离线软件测试结果的一致性:m Check the Ctle radio butte 另外为了方便用户进一步调试和分析,还图c,, 可以通过均衡软件N5461A调整CTLE参数, 如右图所示,另外也可以选择其它的线性前向反馈均衠器如FFE,或者判决反馈均衡器(DFE),进行自定义的均衡处理抖动传递函数(TF,』 litter transfer function) USB30没有采用源同步( Source synchronous或共同时钟( Common clock)的机制, 发射和接收端各自运行于本地时钟系统,由接收端进行CDR(时钟数据恢复),结构框图如左下图所示,时钟恢复电路呈现低通特性,以恢复后的时钟对输入数据进行锁存,恢复后的数据对抖动呈现高通传递特性,如右下图蓝色曲线所示,抖动传递函数是一个2阶的高通传递特性,-3dB转折频率是49MHz Serial data Recovered i 3 db Line f 3dB HPF=4.9 MHz t3 dB PLL=“0MHz Rec。 vered Clock Clock Recovery litter Non-tracking Receiver does not Track utter has Low-Pass Function HL FLL(sY: recovered cock money. f 在测量眼图和抖动参数时,除了上述需要加入CTLE之外,也需要在测量仪器内加入抖动传递函数。在安捷伦的一致性测试软件U7243A中,提供了两种方式测量眼图和抖动,分别是USB官方的 SigTest算法方式和安捷伦的串行数据分析软件 (SDA, Serial Data analysis〕,前者保证使用安捷伦软件测量结果的权威性,使用后者为用户提供了自定义的分析和调试方式。如下图所示,可以自定义时钟恢复/ 抖动传递函数的参数以及做抖动分离相关参数的设置。 e Clock recovery ominal data rate(5.0E+9 ct(4.9+6 ● RJDI-itter E玉 F Level{E o R]D] Patter Length (Arbitrary) DⅣ I Filter_aa(5 发射端的眼图和抖动测量发射端的眼图和抖动测试在参考通道及参考电缆的末端测试点TP1点完成如下图所示。在实际测量中USB3.0CTS( Compliance test specification,一致性测试规范)允许使用嵌入( Embedding)的方法加入一致性通道模型,∪SB3.0一致性测试软件U7243A就集成了嵌入的功能,并且提供了Host和 Device的通道传递函数。这部分的测试包括眼图的测试、确定性抖动( Deterministic jitter)的测量以及随机性抖动( Random jitter)的测量。这部分的测试发射端需要打开3.5dB的去加重, 使用示波器测量时,需要打开CTLE均衡功能以及经过抖动传递函数(TF),保证测试结果和真实测量环境的一致性。 Measurement Reference Reference Too SMP Test Channel TP1 示波器捕获连续的1M个UI( Unit Interval),在经过抖动传递函数及均衡处理后,测量抖动和眼高,抖动的测量是基于Dual- Dirac模型的方法,但协会考虑到加扰信号在表征互连通道的抖动分布更合理,(详见USB30 tter budgeting White Paper),规范定义∫一些测试码型( Compliance Pattern)用于抖动的测量,具体的一致性测试码型如下表所小,CP1是没有经过加扰的D102,相当于频率为25GHz 的时钟信号,因为这种码型会消除传输通道引入确定性抖动中的S抖动,所以通常用CP1码型来测试R,而cPo是加扰的D0.0,相当于伪随机序列,通过两次测量,第一次通过CP测出R,第二次测试CP0,将前一次测试的结果代入,计算出D,再根据Dua| Dirac模型推导出在误码率为1012下的T。叮=14.068*R+Dj 码型数值描述 CPO 加扰的D00 伪随机码型,等同于逻辑空闲状态但不包括SKP CP1 D10.2 佘奎斯特频率信号,相当于2.5 GHz clock信号 CP2 D24.3 分之一奈奎斯特频率 CP3 K28.5 cOM码型 CP4 LFPS 低频周期性信号 CP5 K28.7 有去加重的K287 CP6 K28.7 没有去加重的K287 CP7 50-250个1和0 带有去加重的连续50250个1跟着相同数量的0 CP8 50250个1和0 不带去加重的连续50250个1跟着相同数量的0 扩频时钟(SSc) USB30为了减少EM的效应,规范要求所有端口必须具有SSC,采用向下扩频的方式,向下调制幅度最人5000pm最小为-400,参照USB30规范Tabe6-9, 但是如果考虑到信号本身的稳定度在+/-300ppm(参照规范 Table6-10)之内,所以测试规范对于SSC的频偏测试最小的-300ppm到+300ppm,最大为-3700到-5300ppm 另外要求的调制频率需要在30KHz到33KHz之间,测试发射端的SSC时候,不需要嵌入一致性通道,需要在源端打开-3.5dB均衡,USB3.0-·致性测试软件会自动关闭一致性通道的传递函数,进行自动化的测量,测量时采用的测试码型为CP1 信号。下图也给出了手动测试Ssc的方法,添加 Unit Interva抖动测量,测量趋势图( Trend),添加平滑滤波平均后,可见紫色的扩频时钟波形,可测量其频率和幅度 Table 6-9. ssc parameters Symbol Descripti Limits Units Note Min Max tssc-mOD RATE Modulation rate kHz SC-FREC-DEVIATION SSC deviation +0-4000+01500pm 1.2 Fila Control Setup Trigger Measure Analyze Utilities Demos Hel 13sep2012602N o回v÷ Meas AlL 致性测试码型( Compliance Pattern) 上述发射端测试的部分列出了USB3.0的一致性码型序列,这些码型用于测试Tx信号特性并且CP0用于接收容忍度测试。在发射端的测试时,如何切换一致性测试码型是个问题。我们看一下USB30的状态机( LTSSM),如下图所示,USB30芯片在Tx端有接收侦测( Receiver detection)电路,当侦测到链路另外一侧有端接,并且会保持在一个低阻的RRDc(请参照USB.0规范 Table6-13)的端接状态时,芯片会进入 Polling状态,在这个状态下Host和 Device之间会建立握手状态,相应的握手训练过程将在后续的部分进行详述。当设备发出第一个 Polling.LFPS没有响应后(超时),设备会进入一致性模式, 发出测试码型,初始化为CPo码型,如果设备的Rx没有接收到ping.LFPS,发射端将继续这个码型,当侦测到 Ping LFPS后将转换为下一个码型。其中 Ping. LFPS是规范定义的低频率周期性信号(LFPs, Low Frequency periodic signaling),其中 tPeriod在40ns到200ns之间,至少2个周期, rEpeat在160ms到240ms之间,如规范表6-21所示。 Agilent的TX 致性测试软件U7243A可以控制示波器面板的 Aux Out输出Ping信号,可以结合软件的测试内容很方便的切换DUT的一致性测试码型。 Electrical Idle tHereat SS. Disabled Fx Detec Mode ihr terminat Poing Loopback U3 a abd FFE nash:ko USB30状态机 USB30接收端抖动一致性及抖动容忍度测试在高速数字传输系统中BER( Bit error rate,误码率)测试是反映系统性能的重要指标,发射端信号抖动或者眼图的太差往往会导致误码率变低,上述发射端的信号眼图和抖动等参数主要是对发射端及经过互联通道后的信号质量进行评判,USB 30包含τⅹ(发射)和Rⅹ(接收)链路,如果以系统互操作的角度来说,除了要保证发射端的信号质量之外,也要确保接收端的性能,那么接收端性能怎么衡量呢? 我们知道,现在的高速总线的芯片,接收端越来越多的使用了 Equalizer(均衡器), 并且需要CDR做时钟恢复,对接收端性能的测试就需要进行抖动容忍度测试了, 这种测试的基木方法是在接收端激励恶化信号(输入各和抖动、甚至串扰)的情况下,测量经过芯片内 Re-Timing(重定时)后环回信号的误码率。 Clock A ransmitter back buffer Devit Device Receiver function functionElastic Receive L back Channel Transmitter Clock Host Device 上图给出的是一个发射和接收的架构图,为了验证接收端的性能,需要将激励到 R的信号幅度降低到一定幅度以检测接收灵敏度:为了测量接收端的CDR跟踪能力,需要在低频和高频率注入不同幅度的抖动幅度;另外也需要特定的码型以检测接收端的CDR和均衡器的能力。 USB30的接收端测试基本遵循了通常高速总线的接收测试的方法,但除了Rⅹ 抖动容忍度一致性测试之外,也定义了对 Polling.LFPS信号的接收能力测试要求从测试的过程来说,主要包括激励信号的校准和接收测量两韶分,主要包括以下几个过程:校准,环回训练,误符号率的测试。一致性测试规定为了减少测试时间, 规定测试到1010误码率,以95%的置信度来说,每一个抖动频率点下,测试的位数要达到3X10,实际上USB30要测试的是SER(误符号率),测试的 Symbol (符号)数位要达到3×10,测量时间为6秒钟,超过一个误码的话该频点即被判定为失败。另外规范也规定了在做接收测试时要打开SSC,这也给测试带来挑战。 USB30Rx测试的校准经常有客户会问,接收测试为什么要校准呢,是不是因为测量仪器发出的信号不准确?如前所述,在接收端进行抖动一致性或容忍度测试之前,要对激励到被测件的信号进行判定,包括信号的幅度,抖动的大小等等,但要注意接收芯片内部有均衡器和CDR,信号源发射出来的信号通过外部电缆、夹具、主从设备不同长度的PCB等互联、再到芯片内部的均衡器和CDR以后,信号的幅度和抖动(经过内部的CDR形成的抖动传递函数)都发生了变化,另一个角度来说校准平面是经过板级和电缆互联以及Rx芯片内部CDR和均衡器后的测试点,所以我们所说的校准是对经过外部互联及芯片内部的均衡和CDR后的信号幅度及抖动的校准。那么如何校准到均衡器和CDR之后呢,对UsB3.0规范来说,协会发布的 Sigtest软件来可以模拟芯片内部的均衡器和JTF(抖动传递函数),通过校准确保在接收端內部接受到信号的准确性和一致性。校准的内容包括去加重( De-Emphasis)校准,Sj 正弦抖动)、Rj(随杋抖动)、Tj〔总抖动)校准和验证,眼高校准和验证。其中去加重校准是对源端信号的标定,校准采用CP0码型,不需要连接一致性通道,去加重需要满足一个bit的宽度(3dB+5/-0%dB),这样采样能达到去加重的效果,示波器捕获数据后进行校准时不需要加入CTLE处理。网和S需要在连接致性通道以后校准,以下图为例,给出的是自动化测试软件对于Sj的校准向导。 N49038 SDSOLDSA :司 e部目 ②e② " 函单半 Device Test Fixture 1 Test Fixture 2/ short UsB1 Rj的校准以 clock码型CP1进行,校准到有效值为2.42ps±10%,校准时信号源的SSC关闭,经过上述夹具和电缆后,使用示波器捕获数据, Sigtest计算时要加入 CTLE和抖动传递函数πTF。S的校准以抖动一致性测试曲线的频点和抖动幅度 (如下表所示)为依据,信号源的SSC关闭,测量时使用的码型为CP, Sig Test处理时加入CTLE和JTF,为了准确测量到低频抖动,JTF的带宽要调整到50KHz。频率幅度校准抖动之后,还要在一致性通道之后校准眼高,需要打开R和50MHz的Sj, 打开SSC,校准时使用CPo码型,使用示波器捕获数据后, Sig test需要加入CTLE 和JTF,计算眼高(在BER=106情况下)。因为考虑主设备Host与从设备 Device在 PCB走线长度的差异,眼高校准目标值有所差异,前者需要将眼高校准到180mV +5mv/-0mV,后者需要将眼高校准到145mV+5mV/-0mV。去加重( De-emphasis)信号生成的方法去加重是在发射端进行信号补偿,目的是弥补PCB及电缆等链路高频损耗问题,在众多的髙速总线标准中去加重是很普遍采用的技术,另外接收端芯片往往也会采用均衡等技术进行补偿。在USB3.0规范规定去加重的水平为3dB+5/-0%dB, 那么在做USB3.0RX测试时候如何产生De- Emphasis呢? Agilent提供两种方式来实现方法一,使用N4916B去加重信号转换器,结合 jBERT N4903B抖动误码仪可以生成高达142Gbps,4个抽头(tap)的去加重信号,使用这个设备可以满足USB 30测量的去加重要求,也可以满足比如PCle3.0、SAS12G、10 GBase-KR等总线标准更复杂的要求,除了de- emphasis还要求有pre- shoot 方法二, jBERT N4903B自身提供了一 PG ALX Data Output 个非常有用的002选件,该选件可以使用 Clock DiVided by150GHt N4903B的辅助通道和主通道合路生成带 Second channel 有去加重的信号,所以使用这种做法也非常方便:另外,这个辅助通道可以作为独 Multiplexer Mode 立的第二个通道来使用,也可以用来工作De- Emphasis Bit Offset[. 在复用器模式,连接外部N4876A,生成 Cancel Apply Hel 高达284Gbps的信号;此外,这个通道还可以用于生成SATA等总线测试所需的OOB信号和BST码型。综合来看,这个选件功能是很丰富的,也建议客户在选择配置的时候要选上这个选件。

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