usb3.0信号测试软件,USB3.0的物理层接收端的测试⽅法（完 整版）
USB3.0的Receiver测试的两种⽅法
由于USB3.0的速率⾼达5Gbps，在USB3.0规范中接收机测试成为必测项⽬。接收机测试包括了误码率测试和接收机抖动容限测试两部分。 对于Receiver Compliance测试，需要使⽤误码率测试仪BERT(Bit Error Ratio Tester，简称BERT)，⽐如⼒科的PeRT3。BERT由Pattern Generator和Error Detector组成。如下图1左图所⽰为传统的BER测试和抖动容限测试的⽰意图。BERT的Pattern Generator 发送出特定的测试码流，码流中添加了定量的抖动，通过参考测试信道后到达待测试芯⽚(DUT)的RX端，DUT设置为retimed loopback模式(重定时⾃环模式)，将接收到的数据从芯⽚的TX端发送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的码流和发送的码流，对错误的⽐特计数，得到误码率。调节Pattern Generator输出码流在各种频段的抖动值，并测试误码率，可以得到DUT的抖动容限。
快门式3d对于USB3.0的接收机测试还可以使⽤另⼀种⽅法：即Loopback BERT Method。如下图1的右图所⽰：DUT的接收端⼯作在Loopback BERT模式，直接分析BERT发送出的已知的测试码流，对接收到的误码计数，误码数量存⼊误码寄存器(如下图1的Error
Register)，LeCroy PeRT3直接读取误码寄存器，得到误码率和抖动容限测试结果。
两种测试⽅法对⽐，前者是串⾏信号接收端测试通常使⽤的传统⽅法，其误码判定在BERT端，即在DUT的外部进⾏BER测试；后者是USB3.0芯⽚接收端直接测量误码率，测试仪器读取待测试芯⽚的误码寄存器来了解误码值，即DUT内部进⾏BER测量。⼒科的PeRT3同时⽀持以上两种测试⽅法。 ⼒科的接收机测试⽅案——PeRT3
PeRT3是Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester的简写(如下图2所⽰)。⾸先具备了BERT的Pattern Generator和Error Detector功能，可以对输⼊信号注⼊不同频段的随机抖动和固有抖动，⽽且独有的协议层分析能⼒可以对DUT进⾏初始化和遥控，控制其进⼊或退出环回模式，使接收机测试更加⽅便和快捷，还可以测量Frame Error Rate，并识别和记录协议层的错误。
对于USB3.0的接收端测试，需要配置PeRT3和实时⽰波器SDA813Zi，SDA813Zi⽤于校准PeRT3的码型发⽣器输出信号的幅度和抖动等指标。
在接收机测试中，码型发⽣器和待测试芯⽚的扩频时钟功能(SSC)都打开，输出信号的特征需满⾜下图3所⽰：信号的峰峰值⼤于750毫伏，-3dB的去加重，随机抖动的RMS值为0.0121UI(Unit Interval的简称，即1个⽐特的时间)，即0.0121*200ps = 2.42ps，添加的正弦抖动的频率为500kHz、1MHz、2MHz、4.9MHz、50MHz，其对应的抖动峰峰值为2UI、1UI、0.5UI、0.2UI、0.2UI。要求在添加了上述数量的随机抖动和正弦抖动后误码率⼩于 。其中，频率低于500KHz的抖动⼤于2个⽐特，说明USB3.0芯⽚的接收端需具备较强的抖动过滤能⼒，因为多数开关电源⼯作在这个频段。
图3：接收机抖动容限测试的参数设置(BER=
)
码型发⽣器输出信号的幅度、去加重和抖动参数在图3中的TP1点⽤⽰波器SDA813Zi测量并校准。校准后连接参考测试信道和电缆，通过USB3.0夹具连接到DUT的RX，DUT的TX连接到PeRT3的Error Detector。
推荐的测试码流是扰码后的D0.0，对于USB3.0的误码率为 测试，⼀次需要⼤概10分钟，⽽规范要求测量加⼊5个频率正弦抖动时的误码，所以完成5个频点的测试需要50分钟，⾮常耗时。为了加快测试与验证速度，在USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5中提出⼀种快
速测量接收机BER的⽅法，即加⼤各频点的固有抖动数值后，只测量到误码率= ，这样只需30秒即可完成5个频点的抖动容限测试。如图4所⽰为误码率= 的抖动容限测试参数。
图4：接收机抖动容限测试的参数设置(BER=
)
⼒科PeRT3可以⾃动测量多个频点下的抖动容限和误码率，如下图5所⽰为某USB3.0芯⽚的抖动容限测试结果，横轴为频率，纵轴为该频点的抖动幅度，⿊线为USB3.0规范要求的抖动容限，红点为出现误码的正弦抖动的幅度，由于红点都在⿊线之上，说明该芯⽚接收端的抖动容限满⾜规范要求。
图5：某USB3.0芯⽚接收机测试结果
结语：本⽂简要介绍了⼒科测试USB3.0的接收端的解决⽅案。⼒科的PeRT3结合了误码率测试仪和协议分析仪两种功能，可以快速验证USB3.0芯⽚的接收端抖动容限和误码率，配合⼒科第四代⽰波器SDA813Zi强⼤的眼图和抖动分析能⼒，可以快速的调试和分析USB3.0设计中的碰到的各种问题。 图6：⼒科的USB3.0的发送端和接收端测试系统
参考⽂献
1, Universal Serial Bus 3.0 Specification, Revision 1.0.
2, USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5.
3, LeCroy USB3.0 Datasheet.
USB简介
USB(Universal Serial Bus)即通⽤串⾏总线，⽤于把键盘、⿏标、打印机、扫描仪、数码相机、MP3、U盘等外围设备连接到计算机，它使计算机与周边设备的接⼝标准化，从2000年以后，⽀持USB2.0版本的计算机和设备已被⼴泛使⽤，USB2.0包括了三种速率：⾼速480Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。⽬前除了键盘和⿏标为低速设备外，⼤多数设备都是速率达480M的⾼速设备。led点阵书写显示屏
水过滤芯[page]
尽管USB2.0的速度已经相当快，对于⽬前⾼清视频和动辄GByte的数据传输还是有些慢，在2008年11⽉，HP、Intel、微软、NEC、ST-NXP、TI联合起来正式发布了USB3.0的V1.0规范。USB3.0⼜称为Super Speed USB，⽐特率⾼达5Gbps，相⽐⽬前USB2.0的
480Mbps的速率，提⾼了10倍以上，引⽤Intel专家Jeff Ravencraft的话：“以25GB的⽂件传输为例，USB2.0需要13.9分钟，⽽3.0只需70秒左右。”25GB，正好是单⾯单层蓝光光盘的容量。USB3.0预计
将在2010年逐渐在计算机和消费电⼦产品上使⽤。
⼒科于2009年4⽉发布了USB3.0的物理层测试解决⽅案，能提供端到端的互操作测试和兼容性测试，包括了Transmitter测试、Receiver 测试、TDR测试。此外，⼒科还提供了业界领先的USB3.0协议层测试⽅案。
USB3.0的Transmitter测试
对于USB3.0的Transmitter测试，为了测量到5次谐波，需要带宽12.5GHz以上的⽰波器，⼒科的SDA813Zi带宽13GHz，采样率
40GSamples/s(最⾼可达80GS/s)，配合USB3.0⼀致性测试软件QualiPHY、眼图医⽣软件和测试夹具，可以快速完成USB3.0的发送端Compliance测试和调试分析。
QualiPHY软件可以使USB3.0发送端的各项测试⾃动化，并⽣成多种格式的测试报告。在QualiPHY的USB3.0测试软件中，包括差分电压摆幅测试、去加重⽐值测试(De-emphasis ratio test)、眼图和抖动测试、扩频时钟测试(Spread Spectrum Test)，图1所⽰为报告中的整体测试项⽬概览，列出了测试项⽬对应的Spec的条⽬，测试项⽬的名称，当前测试结果，测试判定条件等。
在发送端测试中，通常需要消除USB3.0的测试夹具引⼊的损耗和反射。如下图1所⽰为USB3.0发送端
测试⽰意图：夹具插到待测试芯⽚的USB⼝，夹具上通过PCB的传输线USB⼝引出到4个SMA连接头(USB3的TX和RX各两个)，然后⽤SMA接⼝的同轴电缆连接到⽰波器。由于夹具上的连接器、过孔、传输线等会使信号发⽣衰减、⾊散或者反射，导致⽰波器测量到的信号有所恶化。⼒科的眼图医⽣软件包括了夹具去嵌功能，只需输⼊夹具的S参数模型⽂件(可由VNA或者TDR测量得到)，即可计算出没有夹具时测量到的信号的波形与眼图。
如图2左下部分所⽰为⽰波器测量的USB3.0信号去嵌后测量到的眼图，图1右下部分是⽰波器直接测量到的眼图(即未作夹具去嵌的眼图)，相⽐后者，前者的上升下降沿更陡峭，眼轮廓清晰，眼张得更开。从这个⽐较图中可以看到⼒科的去嵌技术可以消除测试夹具的负⾯作⽤。使⽤夹具去嵌功能后，可以更加准确的测量电压摆幅和去加重的⽐值。
图1: ⼒科⼀致性测试软件QualiPHY产⽣的报告⼀部分
差分电压摆幅测试
差分电压摆幅测试的⽬的是验证信号峰峰值是否在0.8-1.2V之间。测试中Device Under Test(简称DUT)需要发送出测试码型CP8(CP是Compliance Pattern的简写，在USB3的物理层测试中，各项测试需要不同的测试码型，USB3.0规范中定义了各种测试码流，USB3.0的芯⽚⼚商提供了软件接⼝来配置其发送数据的码型)，CP8由50-250个连续的1和50-250个连续的0重复交替组成，⽽且消除了去加重，其波形相当于50-250分频的时钟。在这些测试中，把USB3.0测试夹具去嵌后测量结果更精确。
去加重⽐值测试
为了把5Gbps速率的数据传送较远的距离，USB3.0的发送端使⽤了去加重技术，这项测试可以测量D
UT的去加重程度是否满⾜规范要求(要求在-3dB到-4dB之间)。测试时DUT发送出CP7码流，CP7码型由50-250个连续的1和50-250个连续的0重复交替组成，⽽且是添加了去加重的信号波形。图3为某USB3.0芯⽚的去加重测量结果，该芯⽚采⽤了-3.47dB的去加重。
图3：某USB3.0芯⽚的去加重⽐值测量
眼图与抖动测试
在USB3.0的TX的眼图和抖动测试中，测量的是待测试信号经过参考测试信道后TP1点的眼图和抖动。如下图4中的Reference test channel即为参考测试信道，在规范中定义了long channel、short channel和3⽶电缆三种参考测试信道。如果使⽤long channel或者较长电缆，信号到达接收端时衰减
⽐较⼤，眼图已经闭合，USB3.0芯⽚接收端使⽤了CTLE均衡器对信号进⾏均衡后(CTLE均衡器介绍见本⽂最后⼀部分)，信号眼图的质量将⼤⼤改善，所以要求测试仪器分析出CTLE均衡器处理后信号的眼图和抖动。
散堆填料芯片处理图4：USB3.0的TX的眼图测试点(来⾃USB3.0规范)
如下图5所⽰，左边的眼图是靠近TX近端测量到的眼图；中间的眼图是通过兼容性信道(参考测试信道)后测量的眼图，可见眼图的张开程度较⼩，抖动较⼤；右边的眼图是仿真CTLE均衡后的眼图，可见眼⾼和抖动都得到改善。
图5：USB3.0的Transmitter测试在近端、远端和均衡后的眼图对⽐
眼图和抖动测试中信号源需要发出特别的测试码型，对于眼图测试，需要CP0码型(扰码的D0.0)，对于抖动测试，需要CP0码流或者CP1码流(D10.2)，前者⽤于确定性抖动Dj的测量，后者⽤于随机抖动Rj的测量。眼⾼必须从连续的1百万个⽐特叠加的眼图中测量，⼒科SDA813Zi⽰波器完成1百万⽐特的眼图仅需2秒，速度是同类⽰波器的10-50倍以上。抖动为10e-12误码率时抖动的峰峰值(即总体抖动Tj)。
网上冲印系统扩频时钟测试(Spread Spectrum Clock Test)
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