usb3.0眼圖測試,專家分析USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線,用于把鍵盤、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。
在USB1.1版本中支持兩種速率:全速12Mbps和低速1.5Mbps;而USB2.0中支持三種速率:高速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。
在2002年Intel把USB2.0端口整合到了計算機的南橋芯片ICH4上,推動了USB2.0的普及,目前除了鍵盤和鼠標為低速設備外,絕大多數設備都是速率達480M的高速設備。
圖1:USB2.0與USB3.0的速度對比USB2.0的速度已經相當快,對于目前藍光DVD、高清視頻、TB級別的大容量硬盤的數據傳輸還是有些慢,于是,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規范。
USB3.0又稱為SuperSpeed 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,如圖1所示:使用USB2.0拷貝25GB的文件需要14分鐘,而3.0只需70秒左右。
25GB,正好是單面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。
力科于2009年4月發布了USB3.0的物理層測試解決方案,包括了針對HOST/DEVICE的發送端(TX)測試和接收端(RX)測試、以及USB3.0電纜的TDR測試。
對于USB3.0的TX測試,為了測量到5次諧波,需要帶寬12.5GHz以上的示波器,力科的SDA813Zi帶寬13GHz,采樣率40GSamples/s(可達80GS/s),配合USB3.0一致性測試軟件、眼圖醫生軟件和測試夾具(見圖2),可以快速完成USB3.0的發送端Compliance測試和調試分析。
對于USB3.0的RX測試,力科的PeRT3是具備協議通信能力的誤碼率測試儀,可以完成USB3. 0的誤碼和抖動容限測試。
在USB3.0規范中要求測量TX和RX。
圖2:力科的USB3.0測試夾具USB3.0物理層測試內容力科版本的一致性測試軟件-USB3是根據2009年11月發布的USB3.0的電氣兼容性測試規范Rev0.9版本(Electrical Compliance Test Specification Rev0.9)來開發的,并且會隨著測試規范的更新而不斷更新,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與PeRT3進行通信,在測試中,軟件可以控制PeRT3發送特定的信號,或從PeRT3中讀取RX測試結果,這樣只需軟件即可完成TX和RX的所有測試。
在-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LFPS(Low Frequency Periodic Signaling)信號測量測量了Polling.LFPS信令的電壓和時間參數,在USB3.0規范CTS Rev0.9中是必測項目。
測試方法為:待測試產品(PUT)的端口上插入USB3.0夾具,夾具上的TX端通過同軸電纜連接到示波器的兩個通道,將PUT上電后,PUT會發送出Polling.LFPS信令,示波器捕獲后測量其水平或垂直參數。
如圖3所示為LFPS的信號特征。
在力科一致性測試軟件中會分析脈沖的上升、下降時間、周期、占空比、峰峰值、共模電壓,以及脈沖串的突發持續時間(tBurst)和重復時間(tRepeat)。
圖3:LFPS信號的波形SSC(Spread Spectrum Clock)展頻測量SSC經常使用在計算機主板的電路上,用于減小電磁輻射。
在USB3.0中,需要測試擴頻時鐘的調制頻率(SSC Modulate Rate)、頻偏值(SSC Deviation Max)和頻偏小值(SSC Deviation Min),測試時PUT發送出CP1碼型的數據流(CP是Compliance Pattern的簡寫,在USB3的物理層測試中,各項測試需要不同的測試碼型),CP1碼型為D10.2,即0101連續跳變的碼型,相當于頻率2.5GHz的時鐘,規范要求擴頻時鐘的調制頻率為30-33KHz之間,頻偏小值在+/-300ppm之間,頻偏值在-5300ppm到-3700ppm直接。
如圖4為力科示波器測量擴頻時鐘的結果。
SSC是CTS Rev0.9中是必測項目,跟USB3.0芯片輸入時鐘緊密相關,如果輸入時鐘的SSC不符合要求,通常USB3.0的輸出信號的SSC也無法通過測試。
圖4:擴頻時鐘測試結果抖動與眼圖測量在USB3.0的TX的眼圖和抖動測試中,測量的是待測試信號經過參考測試信道后TP1點的眼圖和抖動。
如圖5中的Reference test channel即為參考測試信道,在規范中定義了long channel、short channel和3米電纜三種參考測試信道。
如果使用long channel或者較長電纜,信號到達接收端時衰減比較大,眼圖已經閉合,USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器對信號進行均衡后,信號眼圖的質量將大大改善,要求測試儀器分析出CTLE均衡器處理后信號的眼圖和抖動。
目前業界常用的是Intel的11英寸背板和3米USB電纜作為參考信道。
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