雖然已經(jīng)有早期的USB3.0產(chǎn)品上市，但向超速(SuperSpeed)USB的大規模轉換還沒(méi)有開(kāi)始。部分問(wèn)題是USB 2.0已經(jīng)十分普及，生產(chǎn)成本非常低。高帶寬設備(如視頻攝像機和存儲設備)成為了SuperSpeed USB的第一批應用對象。然而，至少目前為止，成本因素將USB 3.0實(shí)現仍限制用于較高端的產(chǎn)品。

除了廣泛部署任何 新的行業(yè)標準所面臨的固有挑戰外，USB 3.0不僅僅是USB 2.0的常規升級，因為USB 3.0可以提供10倍的性能提升。雖然性能提高了，但消費者對低成本互連的期望一直沒(méi)有改變。這就給工程師帶來(lái)了巨大的壓力，他們只能使用速度低得多的通道，同時(shí)仍要在各種條件下確�？煽啃�、互操作性和高性能。確保物理層(PHY)一致性的測試和認證從未有現在這么關(guān)鍵或重要。

USB 3.0共享許多其它高速串行技術(shù)(如PCI Express和串行ATA)的特性：8b/10b編碼、顯著(zhù)的通道衰減以及擴展頻譜時(shí)鐘。本文將討論一致性測試方法，以及如何對發(fā)送端、接收端、電纜及互連實(shí)施最精確、可重復的測量。掌握這些技巧后，到SuperSpeed平臺集成實(shí)驗室(PIL)的旅程也許會(huì )更精彩。

高速Vs.超速 

USB 3.0可以滿(mǎn)足帶寬日益增加的需求，能夠支持應用提供更加實(shí)時(shí)的體驗。目前在用的USB設備數量估計超過(guò)10億，因此USB 3.0需要具有后向兼容功能，以支持傳統的USB 2.0設備。當然，USB 2.0和3.0之間還有多個(gè)重要的PHY區別(表1)。

為了應對與更高速度接口有關(guān)的新挑戰，SuperSpeed USB一致性測試已經(jīng)作出了很大的修改。USB 2.0接收端的驗證包括接收端靈敏度測試。USB 2.0設備必須響應150mV或150mV以上的測試包，同時(shí)忽略(抑制)低于100mV的信號。 

另一方面，SuperSpeed USB接收端必須在有許多信號損傷的條件下還能正常工作，因此測試要求比USB 2.0更加嚴格。設計師還必須考慮傳輸線(xiàn)效應，并且使用包括在發(fā)送端進(jìn)行去加重、在接收端進(jìn)行連續時(shí)間線(xiàn)性均衡(CTLE)在內的均衡技術(shù)。如今還要求在接收側進(jìn)行抖動(dòng)容限測試，但使用擴頻時(shí)鐘(SSC)和異步參考時(shí)鐘可能導致互操作性問(wèn)題。

評估USB 3.0串行數據鏈路的另外一個(gè)重要部分是測量波形和互連通道行為之間的復雜交互。以下假設已經(jīng)不再成立：因為發(fā)送端輸出信號符合眼圖模板，所以在所有通道達到給定損耗條件下設計都能正常工作。為了理解在給定最差通道條件下發(fā)送端的余量，除了一致性要求外，你還需要建模通道和電纜的組合，并使用通道建模軟件分析通道效應(圖1)。

 發(fā)送端的一致性測試 

發(fā)送端測試需要使用各種測試圖案(表2)。每種圖案的選擇依據是與評估圖案的測試有關(guān)的特征。CP0是一個(gè)D0.0擾碼序列，用于測量確定性抖動(dòng)(Dj)，比如數據關(guān)聯(lián)抖動(dòng)(DDJ)。而CP1是一種無(wú)擾碼的D10.2全速時(shí)鐘圖案，不產(chǎn)生DDJ，因此更加適合用于評估隨機抖動(dòng)(RJ)。

抖動(dòng)和眼圖高度是在應用均衡器函數和合適的時(shí)鐘恢復設置(二階鎖相環(huán)或PLL，閉環(huán)帶寬是10MHz，阻尼系數為0.707)之后用100萬(wàn)個(gè)連續單位間隔測量的。抖動(dòng)結果的計算方法是以1 x 10-12的誤碼率(BER)從測量數據總量中提取抖動(dòng)性能。例如，利用抖動(dòng)外推法，目標RJ等于測量得到的RJ(rms)乘以14.069。

圖2顯示了標準化的發(fā)送端一致性測試裝置，其中包括參考測試通道和電纜。測試點(diǎn)2(TP2)最靠近被測設備(DUT)，而測試點(diǎn)1(TP1)是遠端測量點(diǎn)。所有發(fā)送端的常規化測量都是在TP點(diǎn)的信號上進(jìn)行的。

在TP1點(diǎn)采集到信號后，可以使用一款稱(chēng)為SigTest的軟件工具進(jìn)行數據處理，類(lèi)似于正式的PCI Express一致性測試。對于要求預先一致性測試、表征或調試的應用，還可以用其它工具深入觀(guān)察不同條件或參數下的設計行為。帶USB 3.0特定軟件的高速示波器可以提供自動(dòng)的標準化和信息化PHY發(fā)送端測試。這些工具可以確保測試設備得到了正確配置，從而有效節省時(shí)間。

在測試完成后，一份詳細的通過(guò)/失敗測試報告將突出顯示可能存在設計問(wèn)題的地方。如果在不同測試位置(例如公司實(shí)驗室，測試室)之間出現矛盾，應該使用前次測試運行時(shí)保存的數據再次執行測試。

在要求進(jìn)一步分析的場(chǎng)合，可以用抖動(dòng)分析和眼圖分析軟件進(jìn)行查錯和設計表征。例如，一次可以顯示多個(gè)眼圖，允許工程師分析不同的時(shí)鐘恢復技術(shù)或分析軟件通道模型的效果。另外，可以使用不同的濾波器分析SSC效應，最終解決系統互操作性問(wèn)題。

均衡考慮事項

由于有較大的通道衰減，SuperSpeed USB要求采用某種形式的補償機制來(lái)打開(kāi)接收端的眼圖。發(fā)送端一般采用去加重形式的均衡技術(shù)。歸一化的去加重比率在線(xiàn)性刻度下規定為3.5dB或1.5x。舉例來(lái)說(shuō)，當跳變沿比特電平為150mVp-p時(shí)，非跳變沿比特電平將為100mVp-p。

CTLE一致性均衡實(shí)現包括裸片上的有源接收端均衡或無(wú)源高頻濾波器(比如電纜均衡器中使用的濾波器)。這種模型非常適合用于一致性測試，因為在描述轉移函數時(shí)非常簡(jiǎn)單。CTLE實(shí)現在頻域有一組極點(diǎn)和零點(diǎn)，因此在目標頻率處會(huì )出現峰值。

CTLE實(shí)現對設計而言更加簡(jiǎn)單，并且比替代性技術(shù)消耗更低的功率。然而，在某些情況下，由于適配性、精度和噪聲放大等方面的限制，它們可能還不夠。其它技術(shù)包括前饋均衡(FFE)和判定反饋均衡(DFE)，這些技術(shù)使用經(jīng)比例因子加權的數據樣本來(lái)補償通道損耗。

CTLE和FFE都是線(xiàn)性均衡器，因此都會(huì )由于高頻噪聲的提升而出現信噪比的劣化。然而，DFE在反饋環(huán)路中使用非線(xiàn)性元件，因而能最大限度地減少噪聲放大，補償碼間干擾(ISI)。圖3所示例子顯示了經(jīng)過(guò)顯著(zhù)通道衰減后的5Gbit/s信號以及使用去加重、CTLE和DFE技術(shù)均衡過(guò)的信號。

USB 3.0接收端測試

USB 3.0接收端測試類(lèi)似于其它高速串行總線(xiàn)接收端的一致性測試，一般分為三個(gè)階段，開(kāi)始是受壓眼圖校準，然后是抖動(dòng)容限測試，最后是分析。下面讓我們看看這個(gè)過(guò)程的流程圖(圖4)。

受壓眼圖校準使用最糟糕信號，這個(gè)信號通常在垂直方向(通過(guò)增加的抖動(dòng))和水平方向(通過(guò)將幅度設置為接收端在部署時(shí)能看到的最低值)都有損傷。當任何測試夾具、電纜或儀器發(fā)生改變時(shí)都必須執行受壓眼圖校準。 

抖動(dòng)容限測試將校準后的受壓眼圖用作輸入，然后施加更高頻率帶來(lái)的附加正弦抖動(dòng)(SJ)。這種SJ將作用于接收端內的時(shí)鐘恢復電路，因此不僅使用最差信號條件測試了接收端，而且時(shí)鐘恢復也得到了明確的測試。最后，通過(guò)分析評估測試完成后是否需要執行額外的設計任務(wù)才能達到一致性。

受壓眼圖校準過(guò)程首先要用一致性?shī)A具、電纜和通道設置好測試設備(圖5)。下一步是反復測量和調整各種類(lèi)型的外加應力，如抖動(dòng)。校準步驟執行時(shí)不需要DUT，但需要一致性測試夾具、通道以及測試設備產(chǎn)生的特定數據圖案。測試儀器應能執行兩種功能——能夠增加各種應力的圖案發(fā)生功能，以及抖動(dòng)和眼圖測量等信號分析功能。

校準受壓眼圖時(shí)必須完成三種損傷校準：RJ、SJ和眼圖高度。每種校準都要求對圖案發(fā)生器和分析儀進(jìn)行特定的設置。對每組電纜、適配器和儀器也必須做一次受壓眼圖校準。

由于使用不同的適配器和參考通道組，主機和設備將經(jīng)過(guò)不同的受壓眼圖校準過(guò)程。一旦完成后，校準眼圖的設置可以重復使用，只有當設備設置發(fā)生改變時(shí)才必須做再次校準。

額外的圖案發(fā)生器要求

前面已經(jīng)介紹了要求校準的全部事項，下面讓我們再看看每步校準對圖案發(fā)生器的附加要求，包括使用的數據圖案、去加重程度、SSC是否應激活等。在受壓眼圖校準方案中，列出了兩種圖案，即CP0和CP1。表3列出了所有的USB 3.0一致性圖案供參考。

CP0是一種8b/10b編碼、PRBS-16數據圖案(將D0.0字符送到USB 3.0發(fā)送端中進(jìn)行擾碼和編碼的結果)。經(jīng)過(guò)8b/10b編碼后，最長(cháng)的連1或連0長(cháng)度從PRBS-16圖案中的16比特減少到了5個(gè)比特。CP3是類(lèi)似于8b/10b編碼過(guò)的PRBS-16的圖案，其中包含最短(單個(gè)比特)和最長(cháng)的相同比特序列. 

CP1是用于RJ校準的時(shí)鐘圖案。許多儀器在RJ測量時(shí)采用dual-Dirac隨機與確定性抖動(dòng)分離方法。使用時(shí)鐘圖案可以避免dual-Dirac方法的一些缺陷，例如將DDJ報告為RJ，特別是針對長(cháng)圖案。通過(guò)使用時(shí)鐘圖案，作為ISI結果的DDJ將從抖動(dòng)測量中消除，從而形成更精確的RJ測量結果。

在圖案發(fā)生器和分析儀之間的有損通道(即USB 3.0參考通道和電纜)將導致垂直和水平方向表現為眼圖關(guān)閉的頻率相關(guān)損耗(圖6)。為了解決這種損耗問(wèn)題，需要使用發(fā)送端去加重技術(shù)提升信號中的高頻分量，從而使BER為10-12或更高的工作鏈路有足夠好的接收眼圖。

從這些眼圖可以看出，沒(méi)有去加重時(shí)所有幅度名義上都是相同的。采用去加重后，跳變沿比特的幅度要高于非跳變沿比特的幅度，從而有效提升了信號的高頻分量。

在通過(guò)有損通道和電纜后，沒(méi)有經(jīng)過(guò)去加重處理的信號將受到碼間干擾(ISI)的影響，眼圖開(kāi)度要比經(jīng)過(guò)了去加重的信號小。同時(shí)，采用去加重的信號是全開(kāi)的。從這里可以看出，去加重程度會(huì )影響ISI和DDJ的程度，進(jìn)而影響接收端的眼圖開(kāi)度。 

在同步數字系統(包括USB 3.0)中經(jīng)常使用SSC來(lái)減小電磁干擾(EMI)。如果不使用SSC，數字流頻譜中的載頻(即5Gbps)及其諧波處會(huì )出現大幅度的尖峰，并且有可能超過(guò)調整極限(圖7)。

為了防止出現這個(gè)問(wèn)題，可以用SSC擴展頻譜能量。在這個(gè)案例中載頻被一個(gè)三角波所調制。用于接收端測試的頻率“擴展”量是5000ppm或25MHz，頻率調制周期為33kHz或每隔30μs，即三角波的一個(gè)周期。經(jīng)過(guò)SSC后，頻譜中的能量得到了擴展，不會(huì )再有單個(gè)頻率破壞規范極限。

如前所述，USB 3.0中的接收側均衡可以改善被碼間干擾損傷的信號，這種碼間干擾是由于參考通道和電纜中的頻率相關(guān)損耗引起的。這種概念等同于去加重——通過(guò)信號處理方法提升信號中的高頻分量。 

雖然設備或主機中的接收端均衡電路與具體實(shí)現有關(guān)，但USB 3.0標準為一致性測試規定了CTLE(圖8)。這種CTLE必須在進(jìn)行一致性測試測量(都是針對發(fā)送端測試，在本例中是接收端受壓眼圖校準)之前，由誤碼率測試儀(BERT)或示波器等參考接收端實(shí)現，并且通常采用軟件模擬的方式。

使用CTLE模擬進(jìn)行抖動(dòng)測量主要影響由信號處理方法引起的抖動(dòng)，即ISI。CTLE模擬不影響與數據圖案(如RJ和SJ)不相關(guān)的抖動(dòng)分量，雖然根據一致性測試規范(CTS)這兩種測量都要求使用CTLE。另一方面，眼圖高度會(huì )直接受到影響，因為ISI影響測量。 

抖動(dòng)測量時(shí)必須使用具有一致性抖動(dòng)轉移函數(JTF)的時(shí)鐘恢復“黃金PLL”，如圖9中的藍線(xiàn)所示。JTF表明了有多少抖動(dòng)從輸入信號轉移到下游分析儀。在本例中，-3dB截止頻率是4.9MHz。

在更低的SJ頻率(沿著(zhù)JTF的傾斜部分，此處的PLL環(huán)路響應是平坦的)，恢復時(shí)鐘跟蹤數據信號上的抖動(dòng)。這樣，相對于時(shí)鐘的數據抖動(dòng)將按照JFT得到衰減。在較高的SJ頻率點(diǎn)，JTF變平，PLL響應向下傾斜，信號中的SJ部分被轉移到下游分析儀。除了受壓眼圖校準期間的SJ外，所有測量都規定要使用一致性JTF。

一旦受壓眼圖完成校準，接收端測試就可以開(kāi)始了。USB 3.0與以前的USB 2.0不同，要求進(jìn)行BER測試。采用抖動(dòng)容限測試形式的BER測試僅是接收端測試要求的測試項目。抖動(dòng)容限測試使用最差輸入信號條件試驗接收端(受壓眼圖的校準見(jiàn)前面部分)。在受壓眼圖頂部，圍繞JTF的-3dB截止頻率且覆蓋一定頻率范圍的一系列SJ頻率和幅度被注入測試信號，同時(shí)由誤碼檢測器監視接收端的錯誤或比特誤碼，并計算BER。

本文小結 

隨著(zhù)USB 3.0開(kāi)始走向主流，需要對發(fā)送端和接收端進(jìn)行成功的一致性和認證測試，這是將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的關(guān)鍵。這些產(chǎn)品不僅要求能與其它USB 3.0設備一起工作，而且要滿(mǎn)足消費者對各種條件下的性能和可靠性的期望值。

性能的急劇提高帶來(lái)了許多新的測試要求，也使得設計和認證比前代標準更具挑戰性。幸運的是，有一整套測試工具和資源可以用來(lái)協(xié)助SuperSpeed USB商標認證。