隨著主流市場即將演進(jìn)到SuperSpeed USB，許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正力圖加快設(shè)計(jì)認(rèn)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(shí)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(shè)備（如攝像機(jī)和存儲設(shè)備）已經(jīng)率先演進(jìn)到SuperSpeed USB。但就目前而言，基于成本因素考慮，USB3.0實(shí)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(biāo)準(zhǔn)（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(fèi)者對低成本互連設(shè)備的預(yù)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(gè)原本速度很低的信號通道上傳輸高速率信號，同時(shí)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(rèn)證，測試變得空前關(guān)鍵或重要。

　　USB 3.0擁有許多其它高速串行技術(shù)（如PCI Express和串行ATA）共有的特點(diǎn)：8b/10b編碼，明顯的通道衰減，擴(kuò)頻時(shí)鐘。本文將介紹一致性測試方法及怎樣對發(fā)射機(jī)、接收機(jī)及線纜和互連進(jìn)行最精確的、可重復(fù)的測量。在掌握了這些竅門之后，您便可以更有效地準(zhǔn)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(shí)時(shí)體驗(yàn)應(yīng)用的需求。目前USB設(shè)備達(dá)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(shè)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(yīng)更高速接口帶來的新挑戰(zhàn)。USB 2.0接收機(jī)驗(yàn)證需要執(zhí)行接收機(jī)靈敏度測試。USB 2.0設(shè)備必須對150 mV及以上的測試包做出響應(yīng)，并且忽略100 mV以下的信號。

　　SuperSpeed USB接收機(jī)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(shè)計(jì)人員還必須考慮傳輸線效應(yīng)，在發(fā)射機(jī)中使用均衡技術(shù)（包括去加重），在接收機(jī)中使用連續(xù)時(shí)間線性均衡技術(shù)（CTLE）。此外，現(xiàn)在還要求在接收機(jī)上進(jìn)行抖動容限測試，使用擴(kuò)頻時(shí)鐘（SSC）和異步參考時(shí)鐘可能會導(dǎo)致互操作能力問題。

　　評估USB 3.0串行數(shù)據(jù)鏈路另一個(gè)重要部分是被測波形與互連通道的聯(lián)系非常復(fù)雜。不能再認(rèn)為只要發(fā)射機(jī)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(jī)余量一定時(shí)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(yīng) （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(yīng)。

　　通過使用各種測試碼型以幫助進(jìn)行發(fā)射機(jī)測試 （表2）。每種碼型都是根據(jù)與評估碼型的測試有關(guān)的特點(diǎn)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(guān)抖動（DDJ）。CP1（一種未加擾D10.2全速率時(shí)鐘碼型）不生成DDJ，因此更適合評估隨機(jī)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(gè)連續(xù)比特（UI）進(jìn)行分析而得到，需要使用均衡器功能和適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘恢復(fù)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化發(fā)射機(jī)一致性測試設(shè)置，包括參考測試通道和線纜。測試點(diǎn)2 （TP2）距被測器件（DUT）最近，測試點(diǎn)1 （TP1）是遠(yuǎn)端測量點(diǎn)。

　　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(yù)測試一致性、檢定或調(diào)試的應(yīng)用，希望可以進(jìn)一步了解電路在各種條件或參數(shù)下的特點(diǎn)。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(shí)間。

　　在測試完成后，詳細(xì)的Pass/Fail測試報(bào)告標(biāo)記出哪里可能發(fā)生設(shè)計(jì)問題。如果在不同測試地點(diǎn)（如公司實(shí)驗(yàn)室、測試中心）結(jié)果不一致，可以使用之前測試時(shí)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(gè)眼圖，允許工程師分析不同時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)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(bǔ)償，張開接收機(jī)上的眼圖。發(fā)射機(jī)上采用均衡技術(shù)，其采用去加重的形式。規(guī)定的標(biāo)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(shí)，非跳變比特電平為100 mVp-p。

　　CTLE標(biāo)準(zhǔn)均衡實(shí)現(xiàn)方案包括片內(nèi)技術(shù)、有源接收機(jī)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?yàn)樗浅：啽愕孛枋隽藗鬏敽瘮?shù)。CTLE通過頻域中的一系列極點(diǎn)和零點(diǎn)，在特定頻率上達(dá)到峰值（Peak）。

　　CTLE實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)要比其它技術(shù)簡單，能耗要低于其它技術(shù)。然而，在某些情況下，由于適應(yīng)性、精度和噪聲放大方面的限制，僅僅使用CTLE實(shí)現(xiàn)方案可能是不夠的。其它技術(shù)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(diǎn)加權(quán)一些補(bǔ)償系數(shù)來補(bǔ)償通道損耗。

　　CTLE和FFE是線性均衡器。因此，這兩種技術(shù)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(dá)到最小，補(bǔ)償碼間干擾（ISI）。圖3示例了一個(gè)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(shù)處理之后的信號。

　　圖3. 去加重（藍(lán)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(jī)測試

　　USB 3.0接收機(jī)測試與其它高速串行總線接收機(jī)一致性測試類似，它一般分成三個(gè)階段，第一個(gè)階段是壓力眼圖校準(zhǔn)，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(jī)一致性測試包括三個(gè)階段：壓力眼圖校準(zhǔn)、抖動容限測試和分析。

　　壓力眼圖校準(zhǔn)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(shè)置成接收機(jī)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(shí)，都必須執(zhí)行壓力眼圖校準(zhǔn)。

　　抖動容限測試使用校準(zhǔn)后的壓力眼圖作為輸入，在此基礎(chǔ)上注入不同頻率的正弦抖動（SJ）。應(yīng)用的這個(gè)SJ考驗(yàn)的是接收機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘恢復(fù)電路，因此不僅測試了接收機(jī)對最壞信號情況的容忍能力，還測試了時(shí)鐘恢復(fù)的能力。最后，根據(jù)分析結(jié)果就可以知道，是否需要執(zhí)行進(jìn)一步的調(diào)試，以滿足一致性測試要求。

　　壓力眼圖校準(zhǔn)首先要使用標(biāo)準(zhǔn)夾具、線纜和通道設(shè)置測試設(shè)備（圖5）。然后要反復(fù)測量和調(diào)節(jié)應(yīng)用的各類壓力，如抖動。然后使用標(biāo)準(zhǔn)測試夾具和通道及測試設(shè)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(zhǔn)。測試儀器應(yīng)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(jī)（頂部）和設(shè)備（底部）壓力眼圖校準(zhǔn)，首先設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)夾具、線纜和通道，然后反復(fù)測量和調(diào)節(jié)各種應(yīng)用的壓力，如抖動。然后在使用標(biāo)準(zhǔn)測試夾具和通道及使用測試設(shè)備生成的特定數(shù)據(jù)碼型，在沒有DUT的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　必須進(jìn)行三種損傷校準(zhǔn)，以校準(zhǔn)壓力眼圖，其分別是：RJ、SJ和眼高。每種校準(zhǔn)都要求在碼型發(fā)生器和分析儀上進(jìn)行特定設(shè)置。對每套線纜、適配器和儀器，必須進(jìn)行一次壓力眼圖校準(zhǔn)。

　　由于使用不同的適配器和參考通道，主機(jī)和設(shè)備的壓力眼圖校準(zhǔn)也不同。在校準(zhǔn)完成后，可以重復(fù)使用校準(zhǔn)后的眼圖設(shè)置，如果設(shè)備設(shè)置中有的東西發(fā)生變化，那么必須重新校準(zhǔn)。

　　其它碼型發(fā)生器要求

　　前面我們已經(jīng)介紹了要求校準(zhǔn)的項(xiàng)目，我們看一下碼型發(fā)生器對每步校準(zhǔn)的進(jìn)一步要求，包括使用的數(shù)據(jù)碼型、去加重?cái)?shù)量以及應(yīng)該不應(yīng)該啟用SSC。在壓力眼圖校準(zhǔn)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(jī)對D0.0字符加擾和編碼的結(jié)果）。在8b/10b編碼后，最長的連續(xù)1或連續(xù)0是5位，較標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(zhǔn)使用的一種時(shí)鐘碼型。許多儀器采用雙Diarc方法，把隨機(jī)性抖動和確定性抖動分開，進(jìn)行RJ測量。使用時(shí)鐘碼型是為了消除雙Dirac方法中的一個(gè)缺陷，即其一般會把DDJ報(bào)告為RJ，特別是在長碼型上。通過使用時(shí)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(guān)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(jī)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(shí)，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(yán)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(jìn)而影響接收機(jī)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(gè)頻點(diǎn)）。在本例中，使用SSC擴(kuò)展頻譜的能量，規(guī)避超出法規(guī)限制的可能。

　　為防止這個(gè)問題，SSC用來擴(kuò)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(jī)測試中使用的頻率擴(kuò)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(gè)周期。在SSC后，頻譜中的能量被擴(kuò)散，沒有一個(gè)頻率違反政策限制。

　　如前所述，USB 3.0中接收機(jī)一側(cè)的均衡技術(shù)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(guān)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(shè)備或主機(jī)中的接收機(jī)均衡電路與實(shí)現(xiàn)方案有關(guān)，但USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)為一致性測試規(guī)定了CTLE （圖8）。參考接收機(jī)必須實(shí)現(xiàn)這個(gè)CTLE，如誤碼率測試儀（BERT）或示波器，然后才能進(jìn)行一致性測試測量（同時(shí)用于發(fā)射機(jī)測試及本例的接收機(jī)壓力眼圖校準(zhǔn)），其通常采用軟件仿真的形式。

　　圖8. 參考接收機(jī)（如誤碼率測試儀或示波器）必須實(shí)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(guān)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?yàn)镮SI會影響其測量。

　　必須使用符合標(biāo)準(zhǔn)抖動傳遞函數(shù)（JTF）的時(shí)鐘恢復(fù)“黃金鎖相環(huán)”進(jìn)行抖動測量，如圖9中藍(lán)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(lán)色曲線說明了“標(biāo)準(zhǔn)PLL”的抖動傳遞函數(shù)，其來自USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的平坦部分），恢復(fù)的時(shí)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(shí)鐘的抖動根據(jù)JTF被衰減。在JTF平坦、PLL響應(yīng)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(zhǔn)過程中的SJ以外，規(guī)定所有測量都要使用標(biāo)準(zhǔn)JTF。

　　一旦校準(zhǔn)了壓力眼圖，可以開始接收機(jī)測試。USB 3.0要求進(jìn)行BER 測試，這不同于其上一代技術(shù)USB 2.0。接收機(jī)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(jī)測試（上一節(jié)中提到的校準(zhǔn)的壓力眼圖）。在壓力眼圖的基礎(chǔ)上， JTF曲線的-3dB截止頻率附近的一系列SJ頻率（滿足相應(yīng)幅度要求）會被注入到測試信號中，同時(shí)誤碼檢測器監(jiān)測接收機(jī)中的錯(cuò)誤或誤碼，計(jì)算BER。

　　結(jié)論

　　隨著USB 3.0開始轉(zhuǎn)入主流，成功的發(fā)射機(jī)一致性和認(rèn)證測試對新產(chǎn)品上市至關(guān)重要。這些產(chǎn)品不僅能與其它USB 3.0設(shè)備很好地一起工作，還滿足了消費(fèi)者在各種條件下的性能和可靠性預(yù)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(biāo)準(zhǔn)相比，帶來了更多的設(shè)計(jì)和認(rèn)證挑戰(zhàn)。幸運(yùn)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(shí)現(xiàn)SuperSpeed USB徽標(biāo)認(rèn)證。