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(guī)模轉(zhuǎn)換還沒有開始,。部分問題是USB 2.0已經(jīng)十分普及,，生產(chǎn)成本非常低,。高帶寬設(shè)備（如視頻攝像機(jī)和存儲設(shè)備）成為了SuperSpeed USB的第一批應(yīng)用對象,。然而,，至少目前為止,，成本因素將USB 3.0實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)所面臨的固有挑戰(zhàn)外,，USB 3.0不僅僅是USB 2.0的常規(guī)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有改變,。這就給工程師帶來了巨大的壓力，他們只能使用速度低得多的通道,，同時仍要在各種條件下確?？煽啃浴?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/互操作性" title="互操作性" target="_blank">互操作性和高性能,。確保物理層（PHY）一致性的測試和認(rèn)證從未有現(xiàn)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、顯著的通道衰減以及擴(kuò)展頻譜時鐘,。本文將討論一致性測試方法,，以及如何對發(fā)送端、接收端,、電纜及互連實施最精確,、可重復(fù)的測量。掌握這些技巧后,，到SuperSpeed平臺集成實驗室（PIL）的旅程也許會更精彩,。
高速Vs.超速
USB 3.0可以滿足帶寬日益增加的需求，能夠支持應(yīng)用提供更加實時的體驗,。目前在用的USB設(shè)備數(shù)量估計超過10億,，因此USB 3.0需要具有后向兼容功能，以支持傳統(tǒng)的USB 2.0設(shè)備。當(dāng)然,，USB 2.0和3.0之間還有多個重要的PHY區(qū)別（表1）,。 
為了應(yīng)對與更高速度接口有關(guān)的新挑戰(zhàn),，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(shè)備必須響應(yīng)150mV或150mV以上的測試包,，同時忽略（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(yán)格,。設(shè)計師還必須考慮傳輸線效應(yīng)，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(xù)時間線性均衡（CTLE）在內(nèi)的均衡技術(shù),。如今還要求在接收側(cè)進(jìn)行抖動容限測試，但使用擴(kuò)頻時鐘（SSC）和異步參考時鐘可能導(dǎo)致互操作性問題,。
評估USB 3.0串行數(shù)據(jù)鏈路的另外一個重要部分是測量波形和互連通道行為之間的復(fù)雜交互,。以下假設(shè)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(dá)到給定損耗條件下設(shè)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(yīng)（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(jù)是與評估圖案的測試有關(guān)的特征,。CP0是一個D0.0擾碼序列,，用于測量確定性抖動（Dj），比如數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)抖動（DDJ）,。而CP1是一種無擾碼的D10.2全速時鐘圖案,，不產(chǎn)生DDJ，因此更加適合用于評估隨機(jī)抖動（RJ）,。
抖動和眼圖高度是在應(yīng)用均衡器函數(shù)和合適的時鐘恢復(fù)設(shè)置（二階鎖相環(huán)或PLL,，閉環(huán)帶寬是10MHz，阻尼系數(shù)為0.707）之后用100萬個連續(xù)單位間隔測量的,。抖動結(jié)果的計算方法是以1 x 10-12的誤碼率（BER）從測量數(shù)據(jù)總量中提取抖動性能。例如,，利用抖動外推法,，目標(biāo)RJ等于測量得到的RJ（rms）乘以14.069。
圖2顯示了標(biāo)準(zhǔn)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2（TP2）最靠近被測設(shè)備（DUT）,，而測試點1（TP1）是遠(yuǎn)端測量點。所有發(fā)送端的常規(guī)化測量都是在TP點的信號上進(jìn)行的,。
在TP1點采集到信號后,，可以使用一款稱為SigTest的軟件工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，類似于正式的PCI Express一致性測試,。對于要求預(yù)先一致性測試,、表征或調(diào)試的應(yīng)用，還可以用其它工具深入觀察不同條件或參數(shù)下的設(shè)計行為,。帶USB 3.0特定軟件的高速示波器可以提供自動的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化PHY發(fā)送端測試,。這些工具可以確保測試設(shè)備得到了正確配置，從而有效節(jié)省時間,。
在測試完成后,，一份詳細(xì)的通過/失敗測試報告將突出顯示可能存在設(shè)計問題的地方。如果在不同測試位置（例如公司實驗室,，測試室）之間出現(xiàn)矛盾,，應(yīng)該使用前次測試運(yùn)行時保存的數(shù)據(jù)再次執(zhí)行測試。
在要求進(jìn)一步分析的場合,，可以用抖動分析和眼圖分析軟件進(jìn)行查錯和設(shè)計表征,。例如，一次可以顯示多個眼圖,，允許工程師分析不同的時鐘恢復(fù)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(yīng),，最終解決系統(tǒng)互操作性問題,。
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(guī)模轉(zhuǎn)換還沒有開始,。部分問題是USB 2.0已經(jīng)十分普及,，生產(chǎn)成本非常低。高帶寬設(shè)備（如視頻攝像機(jī)和存儲設(shè)備）成為了SuperSpeed USB的第一批應(yīng)用對象,。然而,，至少目前為止，成本因素將USB 3.0實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)所面臨的固有挑戰(zhàn)外,，USB 3.0不僅僅是USB 2.0的常規(guī)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有改變,。這就給工程師帶來了巨大的壓力，他們只能使用速度低得多的通道,，同時仍要在各種條件下確?？煽啃浴⒒ゲ僮餍院透咝阅?。確保物理層（PHY）一致性的測試和認(rèn)證從未有現(xiàn)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、顯著的通道衰減以及擴(kuò)展頻譜時鐘,。本文將討論一致性測試方法,，以及如何對發(fā)送端、接收端,、電纜及互連實施最精確,、可重復(fù)的測量。掌握這些技巧后,，到SuperSpeed平臺集成實驗室（PIL）的旅程也許會更精彩,。
高速Vs.超速
USB 3.0可以滿足帶寬日益增加的需求，能夠支持應(yīng)用提供更加實時的體驗,。目前在用的USB設(shè)備數(shù)量估計超過10億,，因此USB 3.0需要具有后向兼容功能，以支持傳統(tǒng)的USB 2.0設(shè)備,。當(dāng)然,，USB 2.0和3.0之間還有多個重要的PHY區(qū)別（表1）。
為了應(yīng)對與更高速度接口有關(guān)的新挑戰(zhàn),，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(shè)備必須響應(yīng)150mV或150mV以上的測試包,，同時忽略（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(yán)格,。設(shè)計師還必須考慮傳輸線效應(yīng)，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(xù)時間線性均衡（CTLE）在內(nèi)的均衡技術(shù),。如今還要求在接收側(cè)進(jìn)行抖動容限測試，但使用擴(kuò)頻時鐘（SSC）和異步參考時鐘可能導(dǎo)致互操作性問題,。
評估USB 3.0串行數(shù)據(jù)鏈路的另外一個重要部分是測量波形和互連通道行為之間的復(fù)雜交互,。以下假設(shè)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(dá)到給定損耗條件下設(shè)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(yīng)（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(jù)是與評估圖案的測試有關(guān)的特征,。CP0是一個D0.0擾碼序列,，用于測量確定性抖動（Dj），比如數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)抖動（DDJ）,。而CP1是一種無擾碼的D10.2全速時鐘圖案,，不產(chǎn)生DDJ，因此更加適合用于評估隨機(jī)抖動（RJ）,。
抖動和眼圖高度是在應(yīng)用均衡器函數(shù)和合適的時鐘恢復(fù)設(shè)置（二階鎖相環(huán)或PLL,，閉環(huán)帶寬是10MHz，阻尼系數(shù)為0.707）之后用100萬個連續(xù)單位間隔測量的,。抖動結(jié)果的計算方法是以1 x 10-12的誤碼率（BER）從測量數(shù)據(jù)總量中提取抖動性能,。例如，利用抖動外推法,，目標(biāo)RJ等于測量得到的RJ（rms）乘以14.069,。
圖2顯示了標(biāo)準(zhǔn)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2（TP2）最靠近被測設(shè)備（DUT）,，而測試點1（TP1）是遠(yuǎn)端測量點。所有發(fā)送端的常規(guī)化測量都是在TP點的信號上進(jìn)行的,?！ ?img alt="" src="http://files.chinaaet.com/images/20110530/0320a82a-9592-4b0e-8ab3-3509b5dec808.jpg" />
在TP1點采集到信號后，可以使用一款稱為SigTest的軟件工具進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,，類似于正式的PCI Express一致性測試,。對于要求預(yù)先一致性測試、表征或調(diào)試的應(yīng)用,，還可以用其它工具深入觀察不同條件或參數(shù)下的設(shè)計行為,。帶USB 3.0特定軟件的高速示波器可以提供自動的標(biāo)準(zhǔn)化和信息化PHY發(fā)送端測試。這些工具可以確保測試設(shè)備得到了正確配置,，從而有效節(jié)省時間,。
在測試完成后，一份詳細(xì)的通過/失敗測試報告將突出顯示可能存在設(shè)計問題的地方,。如果在不同測試位置（例如公司實驗室,，測試室）之間出現(xiàn)矛盾，應(yīng)該使用前次測試運(yùn)行時保存的數(shù)據(jù)再次執(zhí)行測試,。
在要求進(jìn)一步分析的場合,，可以用抖動分析和眼圖分析軟件進(jìn)行查錯和設(shè)計表征,。例如，一次可以顯示多個眼圖,，允許工程師分析不同的時鐘恢復(fù)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(yīng),，最終解決系統(tǒng)互操作性問題,。
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(bǔ)償機(jī)制來打開接收端的眼圖,。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性刻度下規(guī)定為3.5dB或1.5x。舉例來說,，當(dāng)跳變沿比特電平為150mVp-p時,，非跳變沿比特電平將為100mVp-p。
CTLE一致性均衡實現(xiàn)包括裸片上的有源接收端均衡或無源高頻濾波器（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(zhuǎn)移函數(shù)時非常簡單。CTLE實現(xiàn)在頻域有一組極點和零點,，因此在目標(biāo)頻率處會出現(xiàn)峰值,。
CTLE實現(xiàn)對設(shè)計而言更加簡單，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(quán)的數(shù)據(jù)樣本來補(bǔ)償通道損耗,。
CTLE和FFE都是線性均衡器，因此都會由于高頻噪聲的提升而出現(xiàn)信噪比的劣化,。然而,，DFE在反饋環(huán)路中使用非線性元件，因而能最大限度地減少噪聲放大,，補(bǔ)償碼間干擾（ISI）,。圖3所示例子顯示了經(jīng)過顯著通道衰減后的5Gbit/s信號以及使用去加重、CTLE和DFE技術(shù)均衡過的信號,。
USB 3.0接收端測試
USB 3.0接收端測試類似于其它高速串行總線接收端的一致性測試,，一般分為三個階段，開始是受壓眼圖校準(zhǔn),，然后是抖動容限測試,，最后是分析,。下面讓我們看看這個過程的流程圖（圖4）。
受壓眼圖校準(zhǔn)使用最糟糕信號,，這個信號通常在垂直方向（通過增加的抖動）和水平方向（通過將幅度設(shè)置為接收端在部署時能看到的最低值）都有損傷,。當(dāng)任何測試夾具、電纜或儀器發(fā)生改變時都必須執(zhí)行受壓眼圖校準(zhǔn),。
抖動容限測試將校準(zhǔn)后的受壓眼圖用作輸入,，然后施加更高頻率帶來的附加正弦抖動（SJ）。這種SJ將作用于接收端內(nèi)的時鐘恢復(fù)電路,，因此不僅使用最差信號條件測試了接收端，而且時鐘恢復(fù)也得到了明確的測試,。最后,，通過分析評估測試完成后是否需要執(zhí)行額外的設(shè)計任務(wù)才能達(dá)到一致性。
受壓眼圖校準(zhǔn)過程首先要用一致性夾具,、電纜和通道設(shè)置好測試設(shè)備（圖5）,。下一步是反復(fù)測量和調(diào)整各種類型的外加應(yīng)力，如抖動,。校準(zhǔn)步驟執(zhí)行時不需要DUT,，但需要一致性測試夾具、通道以及測試設(shè)備產(chǎn)生的特定數(shù)據(jù)圖案,。測試儀器應(yīng)能執(zhí)行兩種功能——能夠增加各種應(yīng)力的圖案發(fā)生功能,，以及抖動和眼圖測量等信號分析功能。
校準(zhǔn)受壓眼圖時必須完成三種損傷校準(zhǔn)：RJ,、SJ和眼圖高度,。每種校準(zhǔn)都要求對圖案發(fā)生器和分析儀進(jìn)行特定的設(shè)置。對每組電纜,、適配器和儀器也必須做一次受壓眼圖校準(zhǔn),。
由于使用不同的適配器和參考通道組，主機(jī)和設(shè)備將經(jīng)過不同的受壓眼圖校準(zhǔn)過程,。一旦完成后,，校準(zhǔn)眼圖的設(shè)置可以重復(fù)使用，只有當(dāng)設(shè)備設(shè)置發(fā)生改變時才必須做再次校準(zhǔn),。
額外的圖案發(fā)生器要求
前面已經(jīng)介紹了要求校準(zhǔn)的全部事項,，下面讓我們再看看每步校準(zhǔn)對圖案發(fā)生器的附加要求，包括使用的數(shù)據(jù)圖案,、去加重程度,、SSC是否應(yīng)激活等。在受壓眼圖校準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(jié)果）,。經(jīng)過8b/10b編碼后，最長的連1或連0長度從PRBS-16圖案中的16比特減少到了5個比特,。CP3是類似于8b/10b編碼過的PRBS-16的圖案,，其中包含最短（單個比特）和最長的相同比特序列。
CP1是用于RJ校準(zhǔn)的時鐘圖案,。許多儀器在RJ測量時采用dual-Dirac隨機(jī)與確定性抖動分離方法,。使用時鐘圖案可以避免dual-Dirac方法的一些缺陷，例如將DDJ報告為RJ,，特別是針對長圖案,。通過使用時鐘圖案，作為ISI結(jié)果的DDJ將從抖動測量中消除,，從而形成更精確的RJ測量結(jié)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(dǎo)致垂直和水平方向表現(xiàn)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?！ ?img alt="" src="http://files.chinaaet.com/images/20110530/9624cdc1-6602-4d31-b616-f15a7f55c69b.jpg" />
從這些眼圖可以看出,，沒有去加重時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。
在通過有損通道和電纜后,，沒有經(jīng)過去加重處理的信號將受到碼間干擾（ISI）的影響,，眼圖開度要比經(jīng)過了去加重的信號小。同時,，采用去加重的信號是全開的,。從這里可以看出，去加重程度會影響ISI和DDJ的程度,，進(jìn)而影響接收端的眼圖開度,。
在同步數(shù)字系統(tǒng)（包括USB 3.0）中經(jīng)常使用SSC來減小電磁干擾（EMI）。如果不使用SSC,，數(shù)字流頻譜中的載頻（即5Gbps）及其諧波處會出現(xiàn)大幅度的尖峰,，并且有可能超過調(diào)整極限（圖7）。
為了防止出現(xiàn)這個問題，可以用SSC擴(kuò)展頻譜能量,。在這個案例中載頻被一個三角波所調(diào)制,。用于接收端測試的頻率“擴(kuò)展”量是5000ppm或25MHz，頻率調(diào)制周期為33kHz或每隔30μs,，即三角波的一個周期,。經(jīng)過SSC后，頻譜中的能量得到了擴(kuò)展,，不會再有單個頻率破壞規(guī)范極限,。
如前所述，USB 3.0中的接收側(cè)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——通過信號處理方法提升信號中的高頻分量。
雖然設(shè)備或主機(jī)中的接收端均衡電路與具體實現(xiàn)有關(guān),，但USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)為一致性測試規(guī)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(zhǔn)）之前,，由誤碼率測試儀（BERT）或示波器等參考接收端實現(xiàn)，并且通常采用軟件模擬的方式,。
使用CTLE模擬進(jìn)行抖動測量主要影響由信號處理方法引起的抖動,，即ISI。CTLE模擬不影響與數(shù)據(jù)圖案（如RJ和SJ）不相關(guān)的抖動分量,，雖然根據(jù)一致性測試規(guī)范（CTS）這兩種測量都要求使用CTLE,。另一方面，眼圖高度會直接受到影響,，因為ISI影響測量,。
抖動測量時必須使用具有一致性抖動轉(zhuǎn)移函數(shù)（JTF）的時鐘恢復(fù)“黃金PLL”，如圖9中的藍(lán)線所示,。JTF表明了有多少抖動從輸入信號轉(zhuǎn)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JTF的傾斜部分,，此處的PLL環(huán)路響應(yīng)是平坦的），恢復(fù)時鐘跟蹤數(shù)據(jù)信號上的抖動,。這樣,，相對于時鐘的數(shù)據(jù)抖動將按照J(rèn)FT得到衰減。在較高的SJ頻率點,，JTF變平,，PLL響應(yīng)向下傾斜，信號中的SJ部分被轉(zhuǎn)移到下游分析儀。除了受壓眼圖校準(zhǔn)期間的SJ外,，所有測量都規(guī)定要使用一致性JTF,。
一旦受壓眼圖完成校準(zhǔn)，接收端測試就可以開始了,。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(zhǔn)見前面部分）,。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,，同時由誤碼檢測器監(jiān)視接收端的錯誤或比特誤碼,，并計算BER。
本文小結(jié)
隨著USB 3.0開始走向主流,，需要對發(fā)送端和接收端進(jìn)行成功的一致性和認(rèn)證測試,，這是將新產(chǎn)品推向市場的關(guān)鍵。這些產(chǎn)品不僅要求能與其它USB 3.0設(shè)備一起工作,，而且要滿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了許多新的測試要求，也使得設(shè)計和認(rèn)證比前代標(biāo)準(zhǔn)更具挑戰(zhàn)性,。幸運(yùn)的是,，有一整套測試工具和資源可以用來協(xié)助SuperSpeed USB商標(biāo)認(rèn)證。