原创 USB 3.0物理层的一致性测试(上) ---发送端测试简介

2011-1-21 17:54 4408 7 7 分类: MCU/ 嵌入式

USB3.0 简介


         USB3.0的推出使用户在1分钟内从移动硬盘拷贝完成高清电影成为可能。该技术由英特尔(Intel),微软,HP,NEC,NXP半导体,TI等公司组成的USB3.0推广组共同开发而成。传输速率达到5Gbps,是USB2.0的十倍, USB3.0接口向下兼容USB2.0和USB1.1,从下图可以看出USB3.0新增了5条新的引脚,两条数据发送引脚,两条数据接收引脚,一个引脚地。在进行5Gbps数据高速传输时,主机与外设以全双工方式传输,同时收发数据,区别于以前USB2.0半双工传送,只能单向传输数据,不能同时收发。在物理接口排列时,新的引脚排列在现有引脚的后方,USB3.0以蓝色作为背景色以区别于现有的USB2.0黑色背景色。


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                                                                           (摘自USB3.0 Spec Rev1.0)


 


USB-IF(USB Implementers Forum)是管理USB3.0规范的组织,USB-IF 的成员可以利用PIL(Platform Interoperability Lab) 互操作平台实验室验证其设计。PIL 实验室为USB 开发者提供了Host 和Device 一致性测试,确保设备能够正确的进行USB3.0 电气和链路层的信号正常交互。  


                 


USB3.0物理层一致性测试挑战?


         在USB3.0的一致性测试中,接收端的测试为必测项目,所以还需要带抖动注入能力的信号源。在USB3.0的规范中,HOST和Device的参考时钟是异步的,加上注入扩频时钟(SSC),将会引入越来越多的互连方面的问题;发送端将5G的信号送出,需要经过参考通道,参考线缆,在接收端的眼图已经闭合,这就需要引入均衡技术:如在发端信号加入预加重,以及收端使用CTLE均衡来获得张开的眼图以进行测试;为了模拟信号经过连接器,线缆和通路的测试环境,需要引入参考线缆和参考通道,但是参考线缆和参考通道通常无法获取,所以需要在测试的时候要根据其性能参数对其进行软件通道仿真,以满足测试要求。


 


发送端测试


标准的发送端测试点是在TP1,测试DUT的信号经过参考线缆和参考通道,在TP1处送入测试设备进行测试。在TP1处测试时,测试环境需要有参考线缆,参考测试通道等实物,这对于测试者来说是一个比较麻烦的问题,因为它们不容易获取甚至是无法获取。于是另外一种方法是在TP1’处获取波形,然后用等效参考线缆和等效参考测试通道的模型(滤波器)去作用在获取波形上以达到类似实物的效果。


 


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(摘自USB 3.0 Electrical Compliance Methodology White paper Rev0.5)


 


工欲善其事,必先利其器---夹具方案简介


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         USB3.0测试的夹具提供了A-PLUG,A-RECEPTACLE,B-RECEPTACLE与校准套件并附有一个短USB3 cable。用户可以使用该夹具套件进行发送端,接收端,线缆的全套测试;用户可以使用校准夹具来测试夹具的插入损耗,精确的进行夹具去嵌的测试。


 


对于HOST/Device的测试,都要求使用的夹具使探测点与被测器件接口的距离尽可能的短,以减少线缆损耗。Device的测试夹具匹配方案是使用A-RECEPTACLE型夹具与USB3.0 短连接线缆;HOST的测试有两种类型夹具匹配方案:第一种方案是使用A-PLUG型夹具(该方案为推荐方法);第二种是使用B-RECEPTACLE型夹具与USB3.0 短连接线缆(该方案会引入短线缆路径损耗误差)。


 


         下图为带A-PLUG夹具与B-RECEPTACLE夹具Host测试方案的比较,后者需要在器件接口通过一段短USB3.0 cable(13cm)与被测器件进行连接,因而在测试中必然引入线缆的损耗。从图中可以看出,短线缆的引入导致信号的幅值损耗了近7%,并且增加了500fs的随机抖动的和2.5ps的确定性抖动。


 


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一致性测试以外的调试验证


         一致性测试仅仅是完成了规范的强制测试项目(Normative Testing),在USB3.0规范里面还有许多可选项目(Informative)的测试,这些测试项目所能体现的信息对于需要进行芯片级测试的用户来说是非常有用的,对于调试,验证器件有非常大的帮助。


 


由于通道对信号的衰减很明显,因此USB3.0在信号接收端需要采用对信号眼图补偿的技术:均衡. 在调试验证过程中,用户需要自定义均衡来对整个链路做完整分析,可以根据具体的器件情况,在不同的实验环境和不同的测试要求下,改变均衡参数或者不同类型的均衡方式以验证其对系统性能的影响,从而寻求器件最佳均衡参数组合。


 


对于芯片级用户,去嵌(de-embed)也是其关注的内容,为了得到精确的测试结果,可以使用校准夹具来测试夹具的插入损耗,精确的进行夹具去嵌的测试;同时也可以对通道,连接器的S参数进行测试,去嵌至芯片pad。


 


在调试过程中,用户需要知道自己的器件所能工作的最坏情况,例如可以通过最大为多少距离的线缆保持功能正常,而此时一致性测试所提供的参考线缆,参考通道并不能满足调试的需求,这就需要用户自己做通道线缆仿真找到答案。


 


如何进行通道去嵌?


通过对夹具和通道去嵌可以真实的测出芯片引脚输出端的信号,为了达到去嵌TX通道或者夹具的目的,首先需要通过TDR刻画通道夹具特性,提取S参数,通过泰克的SDLA软件的夹具去嵌功能来生成去嵌滤波文件。如下图显示了去嵌之前与之后抓取的信号眼图,可以看出经过去嵌之后,消除了夹具和TX通道传输路径带来的影响,提高了测试眼图信号的裕量:


 


去嵌之前              去嵌之后


 


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如何进行传输通道建模


         通道建模包括参考线缆和参考通道的建模。一致性测试的信号传输通道(Compliance channel)一般分为两类参考通道: 长通道和短通道。长通道类似于后背板端口,其性能主要受通道损耗影响;短通道类似与前面板端口,其性能主要受反射影响。而参考线缆则是长度为3米连接线缆。在测试的时候,因为用户大部分情况下是无法取得参考线缆和参考通道实体,为了模拟参考通道和参考线缆对信号的影响,测试客户需要使用符合USB3.0规范指定的等效模型,然后将模型参数以均衡滤波的方式作用在信号本身以达到模拟实物的效果。一致性通道的模型参数可以从USB-IF获得。为了简化测试用户操作,测试软件根据规范要求提供了丰富的滤波器模型组合来满足终端用户多样的测试需求。用户只要简单的在软件里面调用对应类型的滤波器组合就可以进行自动测试了。


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TekExpress(USB-TX)使用参考通道参考线缆硬件实物,可以对不同的测试点进行选择


 


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使用TekExpress(USB-TX)参考通道,参考线缆软件模型,选择不同的滤波器类型


 


         对于那些想知道被测器件究竟在何种程度的连接情况下仍旧可以正常工作的客户来说,通过通道建模可以不仅仅囿于一致性测试所提供的线缆通道模型,我们可以通过SDLA软件来完成一致性测试需要模型滤波器,也可以通过该软件定制用户自己的连接配置,找到用户设计的器件在最大为何种长度的通道或者线缆下仍然可以符合规范的要求正常工作。


 


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                            使用SDLA 参考测试通道和线缆组合成传输通道仿真模型来进行一致性测试


如何在USB3.0测试时使用CTLE及其它均衡?


         正如前文所述,测试DUT的5Gbps的信号发出后经过参考线缆和参考通道,在TP1处探测到的波形可能因为长距离传输引起的损耗,导致接收到的信号眼图会完全闭合,USB3.0规范允许在接收端使用均衡技术后来获得张开的眼图以对系统进行时间和幅值相关的测试,使用的均衡技术为连续时间线性均衡,简称CTLE(Continuous time linear equaliztion)均衡器。


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(摘自USB3.0 Electrical Compliance Methodology White paper Rev0.5)


 


CTLE传输函数简单易于实现,容易标准化而进行一致性测试。CTLE在频域上由一些极点和零点构成,并非常容易设定所需的带宽;如果进行一致性以外的调试验证,用户会有使用自定义均衡器的需求,比如使用FFE或者DFE等等,泰克的SDLA软件都可以满足用户自定义多种类型均衡器的要求。


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                            SDLA 软件支持用户自定义均衡:FFE,DFE及CTLE


 


 


完整的USB3.0 发送端方案:


硬件设备部分:泰克提供了一套完整的测试夹具,可以满足发送端/接收端已及线缆的测试的多种要求。这是目前市面上唯一一种提供了A-PLUG接口的夹具,使客户可以在连接器端对器件进行测试验证,不需要引入USB3.0线缆的损耗。可以更加真实的反映测试器件的性能。测试USB3.0高达5Gbps的速率,需要带宽至少是12.5G以上的示波器,采样率为50G以保证分辨率在20ps之内。用户可以选择提供了良好的信号保真度和完整性的P7313SMA 的差分探头,也可以直接使用成本较低的SMA线缆进行信号探测。


 


软件部分:  我们同时提供了手动测试(DPOJET带USB3选项)和自动测试(TekExpress带USB-TX选项)两种方案,并且提供了分析工具SDLA和DPOJET使客户不仅仅完成一致性测试的要求,还可以完成调试验证多种需求。          


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         TekExpress带USB-TX选项的自动测试方案                        DPOJET带USB3选项的手工测试方案

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