USB3.0的測試難點與物理層測試探討
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圖5：USB3.0的TX的眼圖測試點（來自USB3.0 規范）
如圖6所示，左邊的眼圖是靠近TX近端測量到的眼圖；中間的眼圖是通過兼容性信道(參考測試信道)后測量的眼圖，可見眼圖的張開程度較小，抖動較大；右邊的眼圖是仿真CTLE均衡后的眼圖，可見眼高和抖動都得到改善。
圖6：USB3.0的 Transmitter測試在近端、遠端和均衡后的眼圖對比
眼圖和抖動測試中信號源需要發出特別的測試碼型，對于眼圖測試，需要CP0碼型(擾碼的D0.0）；對于抖動測試，需要CP0碼流或者CP1碼流(D10.2)，前者用于確定性抖動Dj的測量，后者用于隨機抖動Rj的測量。眼高必須從連續的1百萬個比特疊加的眼圖中測量，力科SDA813Zi示波器完成1百萬比特的眼圖僅需2秒，速度是同類示波器的 10-50倍以上。抖動為10e-12誤碼率時抖動的峰峰值(即總體抖動Tj)。
AC和DC共模電壓測量
這項測試需要PUT發送CP0碼流，測量差分信號的交流和直流共模電壓，在USB3.0 Specification Rev1.0中有要求(前者Vtx-ac-cm-pp<=0.1V，后者Vtx-dc-cm在0-2.2V之間)，但是在USB3.0的兼容性測試規范CTS Rev0.9中未作要求。
差分電壓幅度和去加重測量
差分電壓擺幅測試的目的是驗證信號峰峰值是否在0.8-1.2V之間。測試中PUT需要發送出測試碼型CP8，CP8由50-250個連續的1和50-250個連續的0 重復交替組成，而且消除了去加重，其波形相當于50-250分頻的時鐘。在這些測試中，把USB3.0測試夾具去嵌后測量結果更精確。
為了把5Gbps速率的數據傳送較遠的距離，USB3.0的發送端使用了去加重技術，這項測試可以測量PUT的去加重程度是否滿足規范要求(要求在-3dB 到-4dB之間)。測試時DUT發送出CP7碼流，CP7碼型由50-250個連續的1和50-250個連續的0重復交替組成，而且是添加了去加重的信號波形。在USB3.0的兼容性測試規范CTS Rev0.9中對差分電壓幅度和去加重測量未作要求。
誤碼與抖動容限測試
由于USB3.0的速率高達5Gbps，在USB3.0規范中接收機測試成為必測項目。接收機測試包括了誤碼和抖動容限測試兩部分。
對于Receiver Compliance測試，需要使用誤碼率測試儀BERT(Bit Error Ratio Tester，簡稱BERT)，比如力科的PeRT3。BERT由Pattern Generator和Error Detector組成。如下圖7左圖所示為傳統的BER測試和抖動容限測試的示意圖。BERT的Pattern Generator發送出特定的測試碼流，碼流中添加了定量的抖動，通過參考測試信道后到達待測試芯片(DUT)的RX端，DUT設置為retimed loopback模式(重定時自環模式)，將接收到的數據從芯片的TX端發送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的碼流和發送的碼流，對錯誤的比特計數，得到誤碼率。調節Pattern Generator輸出碼流在各種頻段的抖動值，并測試誤碼率，可以得到DUT的抖動容限。
圖7：USB3.0的兩種誤碼測試和抖動容限測試方法示意圖
對于USB3.0的接收機測試還可以使用另一種方法：即Loopback BERT Method。如圖7右圖所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT發送出的已知的測試碼流，對接收到的誤碼計數，誤碼數量存入誤碼寄存器(如下圖7的Error Register)，LeCroy PeRT3直接讀取誤碼寄存器，得到誤碼率和抖動容限測試結果。
兩種測試方法對比，前者是串行信號接收端測試通常使用的傳統方法，其誤碼判定在BERT端，即在DUT的外部進行BER測試；后者是USB3.0芯片接收端直接測量誤碼率，測試儀器讀取待測試芯片的誤碼寄存器來了解誤碼值，即DUT內部進行BER測量。力科的PeRT3同時支持以上兩種測試方法。
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可以控制示波器、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，是業內最全面和 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.
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