标签: 胡为东

胡为东系列文章之八 USB 3.0一致性测试方法                                                    美国力科公司   胡为东 摘要： 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SuperSpeed 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。Intel的芯片组也将很快全面支持USB3.0接口。USB3.0和USB2.0相比有着非常本质的区别，USB3.0有两对高速差分线分别进行信号的发送和接收，为全双工工作模式，且使用了多种高速处理技术，如均衡、预加重等，对此进行全面的物理层一致性测试是非常重要的，USB3.0规范要求进行多个项目的测试，如发送端测试、接收端测试、线缆测试等，因此需要多种仪器进行测试。力科为USB3.0的测试提供了非常领先完整的解决方案。   关键词： 力科  接收端  USB 3.0  一致性测试 一、 USB 3.0 高速线缆性能测试 1、USB3.0高速线缆及规范要求介绍 为了高速传输信号，USB3.0采用了全双工的通信方法，由两对高速差分线来进行发送数据和接收数据的传输，而USB2.0采用的是半双工通信的方法，只有一对差分线进行发送和接收数据的传输。USB3.0的线缆和横截面图如下图1所示。为了确保USB 3.0的高速线缆具有良好的信号完整性，确保能高质量传输5Gbps速率的信号，USB 3.0规范对其线缆特性做了特别的要求。如： 图1 USB3.0线缆及其横截面 规范的5.6.1.1.1规定了高速屏蔽线缆的特征阻抗为：90 ohms +/- 7ohms (使用快沿上升时间为200ps（10%-90%）的TDR进行测量)。 规范的5.6.1.1.2规定了高速屏蔽线缆对内的两条线缆之间的偏移要小于：15ps/m (使用快沿上升时间为200ps（10%-90%）的TDT进行测量)。 规范的5.6.1.2规定了高速连接器的阻抗变化范围为90 ohms +/- 15 ohms (使用快沿上升时间为50ps（20%-80%）的TDR进行测量)。 规范的5.6.1.3.1规定了高速屏蔽线缆不同频率下的差分插入损耗SDD12。 规范的5.6.1.3.2规定了高速差分对之间的近端串扰（Near-End Crosstalk）。 规范的5.6.1.3.3规定了高速差分对内两条信号之间的串扰，包括近端串扰和远端串扰（Near-End/Far-End Crosstalk）。 规范的5.6.1.3.4规定了高速差分对的差模和共模转换比（Differential-to-Common Mode-Coversion）。 规范对高速线缆的主要要求均是由S参数来表示的，如下图2中的曲线所示： 图2 USB3.0线缆的各项参数特性曲线 2、测试仪器及测试方法 SPARQ-S parameters,Qucik，是力科推出的主要用于高速信号的信号完整性领域的高性价比的S参数测试仪，可实现一键式快速测量，内部集成了校准件（省去了极其繁琐的手动校准过程），TDR上升沿时间为6ps，最大端口数为12端口，带宽范围0-40GHZ，非常小巧轻便，可测量TDR阻抗（可实现不同归一化的上升时间）、TDT传输延时、单端和混合模式S参数（传输损耗、差分对内的近端/远端串扰、差分对间的近端/远端串扰）等。 具体测试方法是将USB3.0的线缆两端分别连接到夹具上，然后通过夹具上的SMA同轴头和SPARQ的SMA线缆连接到SPARQ测试仪上，实现S参数（包含传输损耗、近端串扰、远端串扰等参数）、TDR阻抗、传输延时等参数的测量，如下图3所示。   图3 USB3.0线缆测试连接示意图   二、 USB3.0 发射机物理层测试 1、发射机测试及规范要求介绍 发射机信号质量测试是所有低速、高速信号都会要求测试的项目。主要内容有信号的幅度、眼图、抖动、上升时间等。USB3.0规范也对发射机信号的物理层特性做了严格的要求，如： 规范的6.7.1章节规定了发射机的一些电气性能参数（Normative）。 规范的6.7.3章节规定了发射机的眼图和抖动性能参数（Normative）。 规范的6.7.1章节和6.7.5章节还规定了发射机的一些参考要求（Informative）。       此外，USB3.0规范的第6.9章节还对低频周期信号LFPS（主要用于控制Low power link mode,Link Training,Warm reset等）的电气特性和时序特性做了规定。   2、测试仪器及测试方法 发射机测试原理上只需要一台高带宽示波器（力科的SDA813Zi-A）加上相应的测试夹具、一致性测试软件（力科的Qualiphy-USB3一致性测试软件）、预加重均衡仿真软件（EyedoctorII信号完整性分析软件）即可。而为了获得更好的测试效果，USB3.0规范规定针对不同的测试项目需要使用不同的一致性测试码型，比如说眼图/Tj/Dj测量需要使用CP0一致性测试码、SSC（扩频时钟）/Rj测量需要使用CP1测试码、去加重测量需要CP7码、差分信号摆幅测试需要CP8码。因此在进行不同的测试项目时需要用户去设定被测DUT来输出所需要的码型，这样不仅会降低测试效率，而且对于很多系统级用户来说是很难去设置DUT的，因此如何能使这样的测试更加自动化？如果测试仪器能够和DUT进行握手，在需要什么类型的测试码时候给DUT发指令要求其输出这样的码，则不仅将解决设置的问题，而且将会使得发射机物理层信号测试变得非常的自动化。在下文中将介绍的力科的PeRT3将具备这一功能。 具体的测试方法是将被测DUT的Tx端通过夹具和SMA同轴线缆连接到示波器上进行测试，并根据示波器上的Qualiphy-USB3软件的提示去切换DUT输出相应的一致性测试码，软件会自动采集1百万个UI码进行测试。测试连接图和测试结果报告如下图4、图5所示： 图4 发射机测试连接示意图 图5 测试报告（LFPS部分） 三、 USB3.0 接收机物理层测试 1、接收机测试及规范要求介绍 由于USB3.0速率比较高，因此规范规定不仅要测试发射机信号，同时还要测试接收机信号，USB3.0测试规范的第6.8.5章节规定了接收机一致性测试时需要注入到CP0一致性测试码中的Sj，Rj，Equalization，Amplitude Swing等。在实际调试中，不仅需要进行一致性测试还需要进行抖动容限测试（两者的区别可参考另外一篇文章：高速信号的接收机测试）。 图6 接收机测试连接示意图 图7 接收机容限测试需要注入的抖动参数 2、测试仪器及测试方法 力科的PeRT3是一款专门针对高速串行标准如USB3.0、PCIE3.0等的接收端测试而研制的。它的全名叫带有协议能力的接收端和发送端容限测试仪。它与传统的BERT误码测试仪的最大的区别之一就是其具有协议握手能力，能与被测DUT实现握手通信，这样就可以非常方便的让DUT进入到接收机测试所需要的环回（Loopback）模式。 因为PeRT3具有协议握手能力，因此前文发射机测试中提到的设置DUT发出不同的一致性测试码的困难即可通过示波器和PeRT3的组合来实现自动化测试。 具体测试方法是先结合示波器对力科的PeRT3按照USB3.0规范设定的信号抖动、幅度等输出的各项参数进行校准，校准完后，连接PeRT3和被测DUT，通过PeRT3的协议握手能力发送一系列的训练码使得被测DUT进入环回（Loopback）测试模式，DUT进入环回模式以后，PeRT3即开始发送带有抖动和预加重的CP0一致性测试码，开始误码的测试和分析。连接示意图如下图8所示。 图8 接收机测试连接示意图 图9 接收机测试设置步骤及测试结果 四、力科针对 USB3.0 的整体测试方案 力科设置了多种配置方案，用户可根据情况进行选择： 1、如果只测试发射机，而且用户能够自行设置DUT发出CP0-CP8中所需要的一致性测试码型，这时只需选择示波器SDA813Zi及相应的软件包、夹具即可。 2、如果只测试发射机，而且需要让DUT自动切换一致性测试码型，则可选择SDA813Zi+PeRT3以及相应的软件包和夹具。此时还可实现接收机一致性测试。 3、如果需要完全自动化的一次性测试发射机和接收机，测试完成后生成一份包括发射机和接收机测试在内的完整报告，则可选择SDA813Zi+PeRT3+高速电子开关以及相应的软件包和夹具。 除此以外，在USB3.0的调试过程中，力科的示波器还可以将USB3.0协议分析仪的功能集成到示波器上，使得在示波器上不仅可以实现物理层的测试分析，还可以实现协议层的测试分析，协议层分析如下图所示： 图10 基于示波器的USB3.0的协议层分析功能   五、小结     本文简要介绍了USB3.0的一致性测试的规范要求以及测试仪器、测试方法。力科的示波器、S参数测试仪SPARQ、具有协议使能功能的误码测试仪为USB3.0的一致性测试提供了非常全面的测试解决方案， 六、参考文献 1、USB3.0规范    

    最近我常去同一家餐厅吃饭，因为它有一个优惠活动：吃一百,送一百。这和商场里面的活动“1换2倍”的半价促销不一样，送的一百是代金券，下次吃两百的时候可以用一张一百的代金券。 于是我们在点菜的时候就要点到二百元以上，以用上一张免费的券。 有一次,我点了196元，餐厅说不能用券，差一元也不行，于是只好又点了一份榴莲酥，打包，结果家里人不习惯吃榴莲，打包回家也没人吃，扔了，很是浪费。     朋友要买车,本来想买一个三厢的车,但在4S店里听导购小姐讲购买小排量的可以免购置税，于是买了小排量的小车。 结果买回家第二天就后悔了,因为车太小,盯着它看，越看越不舒服。     去网上买书,购买满29元可以免运费，因此我在网上买书绝不会一次少于29元，哪怕因此多买了一本没有用的垃圾书。     参加展会,如果能厂商免费提供小纪念品，哪怕只是2元的小玩意儿,拿到手后还没回到家就扔掉了,但我们仍愿意排队去领这免费的纪念品，作为交换条件，你必须填写厂商的问卷调查表。你在将你的个人信息和时间换来这免费的无用的小玩意儿。     为什么免费如此诱人？ “因为人类本能地惧怕损失。 我们选择某一免费的物品不会有显而易见的损失。但是假如我们选择的物品是不免费的,那就会有风险,可能作出错误决定,可能蒙受损失。于是，如果让我们选择，我们就尽量朝免费的方向去找。” 《怪诞行为学》的作者艾瑞里是这么来解释这种可预测的非理性的。     各种免费五花八门。这种吃饭啊，买书啊，买车啊，还是我们可以算笔账算清楚的,我们的理性有时侯能战胜贪小便宜的非理性。 在金融行业，有一个职业叫精算师，号称是金领职业，全国寥寥无几。这种人干的事情就是设计各种保险产品,让你觉得买了这保险赚大了,但其实是它的东家赚大了。  这么牛B的金领不是小饭店能请得起的,但每次去这家吃一百送一百的饭店，我就赞叹老板的精明，最精明的地方在于设计的这个一百代金券的有效期只有两周,而且周末不能使用。 可以想想平时您哪有那么多时间和心情去饭店吃饭，而且容易吃到地沟油呢，而且怎么会两周就去下一次馆子,除非你也是跑江湖的销售呢。   但不管怎样，我们在点菜的时候会算一算是否超过200元，尽量点到200元以上或者400元以上。     总之，免费有理，人人喜欢。 我们很高兴地宣布，我们最新款的示波器WaverRunner 6Zi及HRO 6Zi系列推出规模空前的历时6个月的大型优惠活动：(1)凡购买2GHz带宽或者以下的任意一款WaveRunner 6Zi/HRO 6Zi系列示波器，即可获得价值约25000 人民币的专用频谱分析软件（SPECTRUM）一套。(2) 凡购买600MHz到2GHz带宽系列的任意一款WaveRunner 6Zi/HRO 6Zi系列示波器，均可免费获取每套价值上万元人民币的低速总线分析软件两套，且可从下述六套软件：电源分析软件(PMA2)、音频总线触发和解码软件(AUDIOBUS TD)、I2C总线触发和解码软件(I2CBUS TD)、LIN总线触发和解码软件(LINBUS TD)、SPI总线触发和解码软件(SPIBUS TD)、UART及RS232总线触发和解码软件(UART-RS232BUS TD)中任意选择两套。(3)凡购买600MHz和1GHz带宽WaveRunner 6Zi系列的示波器，存储深度扩展到32M或者64M只需半价，将为您再节省1到3万人民币。(4)凡购买2GHz带宽WaveRunner 6Zi系列的示波器，存储深度可免费扩展到32M，存储深度扩展到64M也仅需半价，将为您节省2到3万元人民币。(5)凡购买600MHz的HRO 6Zi示波器，存储深度扩展到128M或者256M也仅需半价,将为您节省3到5万元人民币。 快来享受这免费的快感吧！     这周我们分享的周末技术文章是胡为东系列之八,我们在力科的USB3.0测试方案发布两年后再次谈谈USB3.0的一致性测试方法。   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SuperSpeedUSB，比特率高达5Gbps，相比目前USB2.0的480Mbps的速率，提高了10倍以上。Intel的芯片组也将很快全面支持USB3.0接口。USB3.0和USB2.0相比有着非常本质的区别，USB3.0有两对高速差分线分别进行信号的发送和接收，为全双工工作模式，且使用了多种高速处理技术，如均衡、预加重等，对此进行全面的物理层一致性测试是非常重要的，USB3.0规范要求进行多个项目的测试，如发送端测试、接收端测试、线缆测试等，因此需要多种仪器进行测试。力科为USB3.0的测试提供了非常领先完整的解决方案。    众所周知，在目前USB3.0测试方案，力科占领了市场上90%以上的份额。 这方面力科的技术优势如排山倒海，如果您有这方面的测试需要，欢迎随时和我联系。

胡为东系列文章之七 相位噪声的时域测量方法                                                      美国力科公司   胡为东 摘要： 相位噪声主要是衡量因信号的相位变化而带来的噪声，在频域中表现为噪声的频谱，在时域中又表现为信号边沿位置的抖动，因此在实际应用中，相位噪声和信号的抖动其实本质是相同的。本文就将对相位噪声以及TIE抖动（Time Interval Error，时间间隔误差，也叫相位抖动）的概念及相互关系做一简要介绍并详细介绍了使用力科示波器如何测量TIE抖动并将其转换为相位噪声的。   关键词： 力科  相位噪声  TIE 抖动 一、相位噪声的基本概念 一个时钟信号或者一个时钟信号的一次谐波可以用一个如下的正弦波形来表示： ，其中 为时钟频率 为初始相位，如果 为常数，那么 的傅里叶变换频谱图应该为一条谱线，如图1中的左图所示，但是如果 发生变化，则原本规则的周期正弦信号在变化的过程中将会出现拐点，且频谱也将变得不仅仅是一条谱线，而是可能由分布在时钟频率周围的很多条谱线构成的更为复杂的频谱图，如图1中的右图所示，其中频谱波形在fc附近多出的谱线即为相位噪声谱（或者叫做相位抖动谱）。因为初始相位的变化而引起的噪声称为相位噪声，因此对于一个正弦时钟信号或者时钟信号的一次谐波来说， 在理论上应该是为零的，此时上述公式中的 则完全为相位噪声成分。 图1 正弦信号的频谱（无相位变化以及有相位变化的可能情形） 为了更为精确的描述相位噪声，通常定义其为在某一给定偏移频率处的dBc/Hz值，其中，dBc是以dB为单位的该频率处功率与总功率的比值。如一个振荡器在某一偏移频率处的相位噪声定义为在该频率处1Hz带宽内的信号功率与信号的总功率比值，即在fm频率处1Hz范围内的面积与整个噪声频下的所有面积之比，如下图2所示。 图2 相位噪声的基本定义 二、 TIE 抖动的基本概念及其与相位噪声的关系 TIE(Time Interval Error)，时间间隔误差，是指信号的实际边沿与其理想边沿之间的偏差，理想边沿可以为固定频率信号的边沿位置，如100MHZ的信号，那么上升边沿位置就固定在10ns的整数倍位置处；也可以通过CDR（时钟数据恢复）的方法恢复出的时钟作为理想时钟。如下图3所示，实际时钟信号的每一个实际边沿位置与理想时钟的边沿位置都会做一个比较，它们之间的差值就叫做TIE抖动。 图3 TIE抖动参数的测量方法 如果仔细考虑下TIE抖动参数的定义，会不难发现其实TIE抖动参数也恰恰反映了信号在阈值交叉电平处的相位的变化。TIE参数和 是可以相互转化的，如果用公式表示即为： TIE(i)= (i.Tc)/2πfc，其中TIE(i)为第i个边沿位置处的TIE抖动参数； (i.Tc)为第i个周期的相位变化；fc为信号频率。如果以PN(f)表示相位噪声的对数频谱图，那么将上式等式两边分别做FFT及对数运算，则可以得到PN(f)=20 ，其中F(TIE)为TIE序列的FFT变换并归一化到1HZ。 同样结合RMS的计算公式以及对数的转化关系可推导出某一频段范围内的RMS抖动值和TIE频谱的关系如下： RMS Jitter(某一频段内) =  = 其中H(f)为抖动滤波响应系数（注：上述公式均是针对于双边带信号，下文的相位噪声测量示例是基于单边带信号）。 三、基于示波器的相位噪声测量方法 根据上文的分析，相位噪声是指信号相位的随机性波动的功率谱密度，在频域里相位噪声通常被表达为dBc/Hz。如果信号的相位噪声值非常小，那么则需要使用具有高动态范围的频域仪器进行测量，才能得到较好的结果。如果信号的相位噪声在-70dBc(或者结合平均方法为-80dBc)以上，则可以选择使用示波器进行测试。目前测量相位噪声主要有三种仪器，一是频谱仪，二是示波器，三是专用的相位噪声分析仪。频谱仪中通常具有相位噪声的测试项，可以从信号频谱上测量出相位噪声的值并进行适当的修正即可，测试原理即为测试某一指定偏移频率处的功率电平（1Hz带宽内）与载波总功率电平的比值；使用示波器进行相位噪声的测量则是在时域里先测试出抖动，然后再将抖动值按照上述提到的相位噪声与抖动的转换关系转换得到；由于示波器和频谱仪的动态范围有限，因此对于很小的相位噪声很难测试得非常准确。因此如果需要准确的测试比较小的相位噪声时，则可以选用专门测试相位噪声的相位噪声测试仪。 下面为使用力科示波器对相位噪声的测量方法及步骤： Step1：在示波器的“Timebase”按钮中选择“Fixed Sample Rate”,并设置一个合理的采样率以确保在信号边沿上采集到足够多的样本点，如图4所示。 图4 使用力科示波器测量相位噪声步骤1   图5使用力科示波器测量相位噪声步骤2 Step2：设置示波器的最小采集窗口时间至少为1ms，这将在FFT频谱中提供1KHz的频率分辨率。时间窗口越长，FFT频谱的频率分辨率越高（比如说5ms的采集时间窗口将得到200Hz的FFT频谱分辨率），如图5所示。 Step3：如下图所示，对于204.8MHz的时钟信号，为了获得一个很大的捕获时间窗口，我们采集了100M的采样点数，获得5ms的捕获时间窗口，如图6所示。 图6使用力科示波器测量相位噪声步骤3 图7使用力科示波器测量相位噪声步骤4 Step4：测量时钟波形的TIE抖动。设置输入源为时钟，如图7所示。 Step5：在TIE参数设置栏里的VClock中选择“Find Frequency”，如图8所示。 图8使用力科示波器测量相位噪声步骤5                               图9使用力科示波器测量相位噪声步骤6 Step6:对TIE测量参数进行“Track”函数分析，如图9所示。 Step7：关掉 PLL并适当微调“Customer Frequency”以获得“Track”函数曲线的最大平坦度，如图10所示。 图10使用力科示波器测量相位噪声步骤7                   图11使用力科示波器测量相位噪声步骤8 Step8：对Track曲线进行FFT分析，如图11所示。 Step9：选择FFT参数设置中的“Magnitude”、“VonHann”、“LeastPrime”，并去掉“Suppress DC”选择，如图12所示。 图12使用力科示波器测量相位噪声步骤9              图13使用力科示波器测量相位噪声步骤10 Step10：对抖动的FFT进行Log10运算，如图13所示。 Step11：在“Rescale”运算设置中，选择乘以“20”，然后通过下述公式决定需要增加的常数：20log10（pi*carrier frequency）。在本例中，20log10（643398175）=176，在“Rescale”运算设置中输入该常数值，如图14所示。 图14使用力科示波器测量相位噪声步骤11                   图15使用力科示波器测量相位噪声步骤12 Step12：使用一个光标放置在相应的相位噪声偏移频率（比如10khz）位置并直接从F4曲线中读出cursor对应的以DBC为单位的相位噪声值。如本例中的10khz的相位噪声为-109.63dBc，如图15所示。   四、小结 本文简要介绍了相位噪声及其TIE抖动的概念及其相互转换关系，并重点介绍了基于力科示波器是如何测量出TIE抖动并将抖动参数转换为相位噪声的。   五、参考文档 1、Phase Noise and Jitter Requirements for Serial IO Applications,SI time Application Notes 2、Lecroy Step by Step references：How to measure phase noise,Mike Hertz,Lecroy