USB 3.1 Tx 測試總結

隨著(zhù)新一代的 Mac、各大品牌的旗艦手機推出，Type CTM接口逐漸進(jìn)入我們的生活當中，支持 USB 3.1 的主機、設備也是日漸廣泛。盡管在測試步驟上而言，USB 3.0/ 3.1比 USB 2.0 HS/ FS 和 LS 會(huì )簡(jiǎn)單一些，但是在測試過(guò)程中還是可能會(huì )遇到一些問(wèn)題，本篇文章針對于筆者在 USB 3.0/ 3.1 測試中會(huì )遇到的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了歸納。

1. 寫(xiě)在測試之前
在討論 USB 3.1 測試之前，我想先大概說(shuō)一下 USB 的命名規則。早在 2015 年 3月，蘋(píng)果推出新的 12 吋 MacBook，把 “Type-C” 和 “USB 3.1” 這兩個(gè)概念帶到了廣大消費者的視線(xiàn)當中，然而，這個(gè)只能跑到 5Gbps 的 USB 3.1 接口卻又廣受詬病。在我們的印象中，USB 3.1 是對 USB 3.0 傳輸速率的進(jìn)一步提升，將速率從 5Gbps 直接提升到10Gbps，那么為什么 New MacBook 又能夠打著(zhù) “USB 3.1”的旗號“招搖過(guò)市”呢，這需要從 USB 的命名開(kāi)始說(shuō)起。

在 USB 2.0 的年代，USB 就分為 HS(High-Speed)·FS(Full-Speed)和 LS(LowSpeed)三種，而
FS 和 USB 1.1 相對應，LS 和 USB 1.0 相對應。2008 年底，USB-IF 推出 USB 3.0，速率從 480Mbps 提升到 5Gbps，物理層采用了全雙工的 SerDes 結構，又被稱(chēng)為 USB SuperSpeed；2013 年初，USB-IF 推出 USB 3.1，又稱(chēng) USB SuperSpeed+或者 SuperSpeed USB 10G，USB 3.1 包含 Gen1 和 Gen2，Gen1 速率為 5Gbps，和USB 3.0 一致，Gen2 的速率為 10Gbps。所以只有 USB 3.1 Gen2 才是我們平時(shí)所理解的 USB 3.1。

在測試之前，作為一名測試工程師，我們需要了解我們所需要測試的產(chǎn)品究竟是USB 3.0 的產(chǎn)品、是 USB 3.1 Gen1 的產(chǎn)品，還是 USB 3.1 Gen2 的產(chǎn)品，USB 3.1 Gen
在物理層可以完全使用 USB 3.0 的測試儀器和測試方法，USB 3.1 Gen2 則需要更高帶寬的儀器以及不同的測試選件；如果作為一名需要使用到 USB 3.1 的用戶(hù)，則一定得看準自己購買(mǎi)的產(chǎn)品是不是真正的 USB 3.1 Gen2，以防某些別有用心的商家拿著(zhù) USB 3.0 的設備打著(zhù) USB 3.1 Gen1 的旗號濫竽充數。

從測試方面來(lái)說(shuō)，USB 3.0 無(wú)論是速率還是一致性測試的測試方法都和 USB 3.1Gen1 完全相同，所以在下文中，都統一使用 USB 3.1 來(lái)表示 USB 3.0 以及 USB 3.1。

2. USB 3.1 測試模式
相比 USB 2.0 來(lái)說(shuō)，USB 3.1 進(jìn)入測試模式的方法比較簡(jiǎn)單，USB 2.0 無(wú)論是 Host還是 Device 都無(wú)法直接進(jìn)入測試模式，發(fā)送測試碼型。USB 3.1 的 Link training 狀態(tài)機
如圖 1 所示：USB 3.1 設備發(fā)射機中有 Rx detection 模塊，在復位之后，首先 Rxdetection 模塊會(huì )檢測對端，如果沒(méi)能檢測到對端的存在，則會(huì )嘗試降到 USB 2.0 模式；
如果檢測到了對端，USB 3.1 設備會(huì )嘗試給對端發(fā)送 Polling.LFPS 握手信號，如果在規定的時(shí)間內收到了對端的握手信號，則會(huì )進(jìn)入正常的通信模式，否則會(huì )進(jìn)入 ComplianceMode，也就是我們所說(shuō)的測試模式。所以通常在標準的 USB 3.1 設備的測試過(guò)程中，只．需要將 ．．．測試夾具連接待測設備，然后發(fā)送端連接到示波器，將示波器通道的耦合選選擇為．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
．“DC50” ．．．．．，設備會(huì )自動(dòng)進(jìn)入測試模式，并且持續發(fā)送測試碼型 CP0。

圖 1 USB 3.1 Link Training 狀態(tài)機

但是，某一些設備(對功耗比較敏感的設備，例如手機或 Android 平板)在正常的工作狀態(tài)下會(huì )禁用測試模式，因為在測試模式下，相當于 USB 模塊在持續不斷地工作在滿(mǎn)載
狀態(tài)，而且普通用戶(hù)在使用的時(shí)候是不需要進(jìn)入測試模式的，所以這些設備通常都會(huì )禁用測試模式，在這種情況下，測試人員看到的現象一般是按照之前的步驟接好設備和儀器以后，儀器上無(wú)法檢測到波形。如果需要對這些設備進(jìn)行測試，修改設備的底軟，使能測試模式。

另一些設備，例如筆者目前使用的兩臺 Windows 10 筆記本電腦，在按照 USB 3.1 標準的測試步驟進(jìn)行測試的時(shí)候，一開(kāi)始，能夠正常地進(jìn)入測試模式，但是接下來(lái)，USB的驅動(dòng)會(huì )介入，然后設備就會(huì )退出測試模式，一直停留在 Polling 狀態(tài)。這種情況，測試人員看到的一般現象是，在示波器上一開(kāi)始會(huì )看到 LFPS 信號(這個(gè)信號存在的時(shí)間很短，有可能沒(méi)注意就會(huì )消失)，然后會(huì )進(jìn)入測試模式，示波器上會(huì )顯示 CP0 的波形，再接下來(lái)會(huì )看到 LFPS 信號時(shí)閃時(shí)現。這種情況下，可以禁用被測設備的 USB 驅動(dòng)，具體方法如下：我的電腦->右擊->管理->設備管理器，把如圖 2 所示的 USB 驅動(dòng)禁用，然后再重新插拔設備，就可以進(jìn)入測試模式。

圖 2 Windows 10 USB 設備驅動(dòng)

3. 碼型切換
如果測試人員同時(shí)擁有力科的示波器和和力科的 PeRT3 誤碼儀，兩者可協(xié)同配合，切換到測試所需的測試碼型，期間再不需人為介入，如果沒(méi)有誤碼儀，則需要手動(dòng)切換測
試碼型。

USB 3.1 設備進(jìn)入測試模式以后，從 Rx 輸入 Ping.LFPS 信號，可以手動(dòng)使設備切換測試碼型，連接方式如圖 3 所示，其中 Generator 處接可以產(chǎn)生 Ping.LFPS 信號的信號
源。

圖 3 USB 3.1 Tx 測試連線(xiàn)示意圖

其中，Ping.LFPS 信號如圖 4 所示，并且需要滿(mǎn)足以下要求：tPeriod 在 40ns~200ns之間，即信號速率在 5MHz~25MHz 之間，另外，需要有 2 個(gè)以上的 burst，而且重復的時(shí)期不超過(guò) 240ms。

力科的示波器可以發(fā)出信號頻率為 5MHz 的快沿信號，可以使用此信號作為Ping.LFPS 信號促使設備切換測試碼型，具體接線(xiàn)示意圖如圖 5 所示，但是快沿信號會(huì )持續不斷的發(fā)送，所以在實(shí)際操作過(guò)程中需要使用不斷試觸，確保能夠切換到所需的測試碼型。

圖 4 LFPS 信號示意圖

圖 5 使用 Fast Edge 切換測試碼型

4. 測試碼型甄別
手動(dòng)切換測試碼型的時(shí)候，需人為甄別所需的測試碼型，USB 3.1 需要用到 5 中測試碼型，其中 Gen1 需要用到 LFPS、CP0 和 CP1，Gen2 需要 CP9 和 CP10，其中 LFPS信號為低頻信號，頻率在 5MHz 至 25MHz 之間，而且信號和零電平交錯，如圖 6 所示。CP0 和 CP1 分別為 5Gbit/s 的隨機碼型和 0101 碼型，如需甄別 CP0 和 CP1，可以對被測信號正負端中任意一端測量 Bit Rate，測試結果為在 5Gbit/s 左右的隨機碼型即為CP01，信號如圖 7 所示，測試結果在 2.5GHz 左右的是 CP1，信號如圖 8 所示。

CP9 和 CP10 分別對應 10Gbit/s 的偽隨機碼和 0101 碼型，甄別方法和 CP0、CP1相似，不再詳述。

1 CP0 和 CP3 都是 5Gbit/s，但是 CP3 對應的是 K28.5，很容易看出是重復碼型，而 CP0 是偽隨機碼，很難看出是重復碼型，可以以此區分DUT 1m USB cable

圖 6 LFPS 信號示意圖

圖 7 CP0 信號示意圖

圖 8 CP1 信號示意圖