USB3.0的物理層接收端的測試方法 (完整版)

USB3.0的Receiver測試的兩種方法

由于USB3.0的速率高達5Gbps，在USB3.0規范中接收機測試成為必測項目。接收機測試包括了誤碼率測試和接收機抖動(dòng)容限測試兩部分。

對于Receiver Compliance測試，需要使用誤碼率測試儀BERT（Bit Error Ratio Tester，簡(jiǎn)稱(chēng)BERT），比如力科的PeRT3。BERT由Pattern Generator和Error Detector組成。如下圖1左圖所示為傳統的BER測試和抖動(dòng)容限測試的示意圖。BERT的Pattern Generator發(fā)送出特定的測試碼流，碼流中添加了定量的抖動(dòng)，通過(guò)參考測試信道后到達待測試芯片（DUT）的RX端，DUT設置為retimed loopback模式（重定時(shí)自環(huán)模式），將接收到的數據從芯片的TX端發(fā)送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的碼流和發(fā)送的碼流，對錯誤的比特計數，得到誤碼率。調節Pattern Generator輸出碼流在各種頻段的抖動(dòng)值，并測試誤碼率，可以得到DUT的抖動(dòng)容限。

對于USB3.0的接收機測試還可以使用另一種方法：即Loopback BERT Method。如下圖1的右圖所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT發(fā)送出的已知的測試碼流，對接收到的誤碼計數，誤碼數量存入誤碼寄存器（如下圖1的Error Register），LeCroy PeRT3直接讀取誤碼寄存器，得到誤碼率和抖動(dòng)容限測試結果。

兩種測試方法對比，前者是串行信號接收端測試通常使用的傳統方法，其誤碼判定在BERT端，即在DUT的外部進(jìn)行BER測試；后者是USB3.0芯片接收端直接測量誤碼率，測試儀器讀取待測試芯片的誤碼寄存器來(lái)了解誤碼值，即DUT內部進(jìn)行BER測量。力科的PeRT3同時(shí)支持以上兩種測試方法。

力科的接收機測試方案——PeRT3

PeRT3是Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester的簡(jiǎn)寫(xiě)（如下圖2所示）。首先具備了BERT的Pattern Generator和Error Detector功能，可以對輸入信號注入不同頻段的隨機抖動(dòng)和固有抖動(dòng)，而且獨有的協(xié)議層分析能力可以對DUT進(jìn)行初始化和遙控，控制其進(jìn)入或退出環(huán)回模式，使接收機測試更加方便和快捷，還可以測量Frame Error Rate，并識別和記錄協(xié)議層的錯誤。

對于USB3.0的接收端測試，需要配置PeRT3和實(shí)時(shí)示波器SDA813Zi，SDA813Zi用于校準PeRT3的碼型發(fā)生器輸出信號的幅度和抖動(dòng)等指標。

在接收機測試中，碼型發(fā)生器和待測試芯片的擴頻時(shí)鐘功能（SSC）都打開(kāi)，輸出信號的特征需滿(mǎn)足下圖3所示：信號的峰峰值大于750毫伏，-3dB的去加重，隨機抖動(dòng)的RMS值為0.0121UI（Unit Interval的簡(jiǎn)稱(chēng)，即1個(gè)比特的時(shí)間），即0.0121*200ps = 2.42ps，添加的正弦抖動(dòng)的頻率為500kHz、1MHz、2MHz、4.9MHz、50MHz，其對應的抖動(dòng)峰峰值為2UI、1UI、0.5UI、0.2UI、0.2UI。要求在添加了上述數量的隨機抖動(dòng)和正弦抖動(dòng)后誤碼率小于 。其中，頻率低于500KHz的抖動(dòng)大于2個(gè)比特，說(shuō)明USB3.0芯片的接收端需具備較強的抖動(dòng)過(guò)濾能力，因為多數開(kāi)關(guān)電源工作在這個(gè)頻段。




圖3：接收機抖動(dòng)容限測試的參數設置（BER=）

碼型發(fā)生器輸出信號的幅度、去加重和抖動(dòng)參數在圖3中的TP1點(diǎn)用示波器SDA813Zi測量并校準。校準后連接參考測試信道和電纜，通過(guò)USB3.0夾具連接到DUT的RX，DUT的TX連接到PeRT3的Error Detector。

推薦的測試碼流是擾碼后的D0.0，對于USB3.0的誤碼率為 測試，一次需要大概10分鐘，而規范要求測量加入5個(gè)頻率正弦抖動(dòng)時(shí)的誤碼，所以完成5個(gè)頻點(diǎn)的測試需要50分鐘，非常耗時(shí)。為了加快測試與驗證速度，在USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5中提出一種快速測量接收機BER的方法，即加大各頻點(diǎn)的固有抖動(dòng)數值后，只測量到誤碼率= ，這樣只需30秒即可完成5個(gè)頻點(diǎn)的抖動(dòng)容限測試。如圖4所示為誤碼率= 的抖動(dòng)容限測試參數。

圖4：接收機抖動(dòng)容限測試的參數設置（BER=）

力科PeRT3可以自動(dòng)測量多個(gè)頻點(diǎn)下的抖動(dòng)容限和誤碼率，如下圖5所示為某USB3.0芯片的抖動(dòng)容限測試結果，橫軸為頻率，縱軸為該頻點(diǎn)的抖動(dòng)幅度，黑線(xiàn)為USB3.0規范要求的抖動(dòng)容限，紅點(diǎn)為出現誤碼的正弦抖動(dòng)的幅度，由于紅點(diǎn)都在黑線(xiàn)之上，說(shuō)明該芯片接收端的抖動(dòng)容限滿(mǎn)足規范要求。

圖5：某USB3.0芯片接收機測試結果

結語(yǔ)：本文簡(jiǎn)要介紹了力科測試USB3.0的接收端的解決方案。力科的PeRT3結合了誤碼率測試儀和協(xié)議分析儀兩種功能，可以快速驗證USB3.0芯片的接收端抖動(dòng)容限和誤碼率，配合力科第四代示波器SDA813Zi強大的眼圖和抖動(dòng)分析能力，可以快速的調試和分析USB3.0設計中的碰到的各種問(wèn)題。


圖6：力科的USB3.0的發(fā)送端和接收端測試系統

參考文獻
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簡(jiǎn)介

USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線(xiàn)，用于把鍵盤(pán)、鼠標、打印機、掃描儀、數碼相機、MP3、U盤(pán)等外圍設備連接到計算機，它使計算機與周邊設備的接口標準化，從2000年以后，支持USB2.0版本的計算機和設備已被廣泛使用，USB2.0包括了三種