隨著主流市場即將演進(jìn)到SuperSpeed USB,，許多設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正力圖加快設(shè)計(jì)認(rèn)證。本文將為您提供專家建議參考,，幫助您輕松完成這一過程,。

　　盡管市場上已經(jīng)出現(xiàn)了早期的USB 3.0產(chǎn)品，但主流市場轉(zhuǎn)向SuperSpeed USB還有待時(shí)日,。部分原因在于,，USB 2.0接口無所不在，且生產(chǎn)成本低廉,。高帶寬設(shè)備（如攝像機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備）已經(jīng)率先演進(jìn)到SuperSpeed USB,。但就目前而言，基于成本因素考慮,，USB3.0實(shí)施仍限于較高端的產(chǎn)品,。

　　大規(guī)模部署任何 新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（包括USB3.0）都存在內(nèi)在挑戰(zhàn)。此外，USB2.0到USB 3.0并非簡單的跳躍,，其性能提高了十倍之多,。盡管性能得到大幅度提升，但消費(fèi)者對(duì)低成本互連設(shè)備的預(yù)期并沒有改變,。這就給工程師們帶來了明顯的壓力,，需要在一個(gè)原本速度很低的信號(hào)通道上傳輸高速率信號(hào)，同時(shí)要在各種條件下保證可靠性,、互操作能力和高性能,。為保證物理層（PHY）一致性和認(rèn)證，測(cè)試變得空前關(guān)鍵或重要,。

　　USB 3.0擁有許多其它高速串行技術(shù)（如PCI Express和串行ATA）共有的特點(diǎn)：8b/10b編碼,，明顯的通道衰減，擴(kuò)頻時(shí)鐘,。本文將介紹一致性測(cè)試方法及怎樣對(duì)發(fā)射機(jī),、接收機(jī)及線纜和互連進(jìn)行最精確的、可重復(fù)的測(cè)量,。在掌握了這些竅門之后,，您便可以更有效地準(zhǔn)備SuperSpeed PIL（Platform Integration Lab）之行了。

　　High Speed Vs. SuperSpeed

　　USB 3.0滿足了市場對(duì)于更高帶寬下實(shí)時(shí)體驗(yàn)應(yīng)用的需求,。目前USB設(shè)備達(dá)數(shù)十億,，因而USB 3.0也提供了向下兼容能力，支持傳統(tǒng)USB 2.0設(shè)備,。然而,，USB 2.0和3.0在物理層有多種差異 （表1）。

　　表1. USB 2.0 和 SuperSpeed USB物理層區(qū)別,。

　　SuperSpeed USB一致性測(cè)試已經(jīng)有明顯變化,，以適應(yīng)更高速接口帶來的新挑戰(zhàn)。USB 2.0接收機(jī)驗(yàn)證需要執(zhí)行接收機(jī)靈敏度測(cè)試,。USB 2.0設(shè)備必須對(duì)150 mV及以上的測(cè)試包做出響應(yīng),，并且忽略100 mV以下的信號(hào)。

　　SuperSpeed USB接收機(jī)必須面對(duì)更多的信號(hào)損傷,，因此測(cè)試要求要比USB 2.0更加苛刻。設(shè)計(jì)人員還必須考慮傳輸線效應(yīng),，在發(fā)射機(jī)中使用均衡技術(shù)（包括去加重）,，在接收機(jī)中使用連續(xù)時(shí)間線性均衡技術(shù)（CTLE）。此外,，現(xiàn)在還要求在接收機(jī)上進(jìn)行抖動(dòng)容限測(cè)試,，使用擴(kuò)頻時(shí)鐘（SSC）和異步參考時(shí)鐘可能會(huì)導(dǎo)致互操作能力問題。

　　評(píng)估USB 3.0串行數(shù)據(jù)鏈路另一個(gè)重要部分是被測(cè)波形與互連通道的聯(lián)系非常復(fù)雜。不能再認(rèn)為只要發(fā)射機(jī)輸出滿足了眼圖模板,，電路就一定能在傳輸損耗滿足要求的通道中正常工作,。想了解發(fā)射機(jī)余量一定時(shí)的最差的傳輸通道，您需要在一致性測(cè)試要求以外建立通道和線纜組合模型,，使用通道建模軟件,，分析通道效應(yīng) （圖1）。

　　圖1. 軟件工具,，可以針對(duì)參考測(cè)試通道分析USB 3.0 通道效應(yīng),。

　　發(fā)射機(jī)一致性測(cè)試

　　通過使用各種測(cè)試碼型以幫助進(jìn)行發(fā)射機(jī)測(cè)試 （表2）。每種碼型都是根據(jù)與評(píng)估碼型的測(cè)試有關(guān)的特點(diǎn)而選擇的,。CP0（一種D0.0加擾序列）用來測(cè)量確定性抖動(dòng)（Dj）,，如數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng)（DDJ）。CP1（一種未加擾D10.2全速率時(shí)鐘碼型）不生成DDJ,，因此更適合評(píng)估隨機(jī)性抖動(dòng)（RJ）,。

　　表2. SuperSpeed USB 發(fā)送端一致性測(cè)試碼型。

　　抖動(dòng)和眼高的測(cè)量是通過對(duì)100萬個(gè)連續(xù)比特（UI）進(jìn)行分析而得到,，需要使用均衡器功能和適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘恢復(fù)設(shè)置（二階鎖相環(huán),、或稱為PLL，10 Mhz環(huán)路帶寬,，0.707的阻尼系數(shù)）,。通過分析被測(cè)數(shù)據(jù)樣本，可以外推出10-12誤碼率（BER）下的抖動(dòng)值,。例如,，通過外推算法，把測(cè)得的RJ （rms）乘以14.069,，可以得到10-12誤碼率下RJ（PK-PK）,。

　　圖2. 標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)射機(jī)一致性測(cè)試設(shè)置，包括參考測(cè)試通道和線纜,。測(cè)試點(diǎn)2 （TP2）距被測(cè)器件（DUT）最近,，測(cè)試點(diǎn)1 （TP1）是遠(yuǎn)端測(cè)量點(diǎn)。

　　在TP1采集信號(hào)后,，可以使用SigTest軟件處理數(shù)據(jù),，這與PCI Express官方的一致性測(cè)試方法類似。對(duì)需要預(yù)測(cè)試一致性,、檢定或調(diào)試的應(yīng)用,，希望可以進(jìn)一步了解電路在各種條件或參數(shù)下的特點(diǎn)。裝有USB 3.0分析軟件的高帶寬示波器提供了Normative和Informative方式的物理層發(fā)射端自動(dòng)測(cè)量,。省掉了手動(dòng)配置的步驟,，大大節(jié)約了測(cè)量時(shí)間,。

　　在測(cè)試完成后，詳細(xì)的Pass/Fail測(cè)試報(bào)告標(biāo)記出哪里可能發(fā)生設(shè)計(jì)問題,。如果在不同測(cè)試地點(diǎn)（如公司實(shí)驗(yàn)室,、測(cè)試中心）結(jié)果不一致，可以使用之前測(cè)試時(shí)保存的波形數(shù)據(jù)重新分析（離線測(cè)量）,。

　　如果要求更多的分析,，可以使用抖動(dòng)分析和眼圖分析軟件，調(diào)試和檢定電路,。例如,，可以一次顯示多個(gè)眼圖，允許工程師分析不同時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)置或軟件通道模型的影響,。此外,，可以使用不同的濾波器，分析SSC的影響,，解決系統(tǒng)互操作能力問題,。

　　均衡考慮因素

　　由于明顯的通道衰減，SuperSpeed USB要求某種形式的補(bǔ)償,，張開接收機(jī)上的眼圖,。發(fā)射機(jī)上采用均衡技術(shù)，其采用去加重的形式,。規(guī)定的標(biāo)稱去加重比是3.5 dB,，用線性單位表示為1.5倍。例如,，在跳變比特電平為150 mVp-p時(shí),，非跳變比特電平為100 mVp-p。

　　CTLE標(biāo)準(zhǔn)均衡實(shí)現(xiàn)方案包括片內(nèi)技術(shù),、有源接收機(jī)均衡或無源高頻濾波器,，如線纜均衡器上使用的濾波器。這一模型特別適合一致性測(cè)試,，因?yàn)樗浅：啽愕孛枋隽藗鬏敽瘮?shù),。CTLE通過頻域中的一系列極點(diǎn)和零點(diǎn)，在特定頻率上達(dá)到峰值（Peak）,。

　　CTLE實(shí)現(xiàn)方案的設(shè)計(jì)要比其它技術(shù)簡單,，能耗要低于其它技術(shù)。然而,，在某些情況下,，由于適應(yīng)性、精度和噪聲放大方面的限制,，僅僅使用CTLE實(shí)現(xiàn)方案可能是不夠的。其它技術(shù)包括前向反饋均衡（FFE）和判定反饋均衡（DFE），通過對(duì)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)加權(quán)一些補(bǔ)償系數(shù)來補(bǔ)償通道損耗,。

　　CTLE和FFE是線性均衡器,。因此，這兩種技術(shù)都會(huì)提升高頻噪聲,，而產(chǎn)生信噪比劣化,。但是，DFE在反饋環(huán)路中使用非線性元器件,，使噪聲的放大達(dá)到最小,，補(bǔ)償碼間干擾（ISI）。圖3示例了一個(gè)經(jīng)過傳輸通道明顯衰減的5Gbps 信號(hào),，和使用去加重,、CLTE和DFE均衡技術(shù)處理之后的信號(hào)。

　　圖3. 去加重（藍(lán)色）,、長通道（白色）,、CTLE （紅色）和三階DFE （灰色）對(duì)5-Gbit/s信號(hào)（黃 色）產(chǎn)生的不同效果。

　　USB 3.0接收機(jī)測(cè)試

　　USB 3.0接收機(jī)測(cè)試與其它高速串行總線接收機(jī)一致性測(cè)試類似,，它一般分成三個(gè)階段,，第一個(gè)階段是壓力眼圖校準(zhǔn)，然后是抖動(dòng)容限測(cè)試,，最后是分析,。讓我們看一下這一過程的流程圖（圖4）。

　　壓力眼圖校準(zhǔn)需要使用最壞情況信號(hào),，其通常在水平方向（通過增加抖動(dòng)的方式）和垂直方向（通過把幅度設(shè)置成接收機(jī)能看到的最低幅度）加壓,。在任何測(cè)試夾具、線纜或儀器變化時(shí),，都必須執(zhí)行壓力眼圖校準(zhǔn),。

　　抖動(dòng)容限測(cè)試使用校準(zhǔn)后的壓力眼圖作為輸入，在此基礎(chǔ)上注入不同頻率的正弦抖動(dòng)（SJ）,。應(yīng)用的這個(gè)SJ考驗(yàn)的是接收機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘恢復(fù)電路,，因此不僅測(cè)試了接收機(jī)對(duì)最壞信號(hào)情況的容忍能力，還測(cè)試了時(shí)鐘恢復(fù)的能力,。最后,，根據(jù)分析結(jié)果就可以知道，是否需要執(zhí)行進(jìn)一步的調(diào)試,，以滿足一致性測(cè)試要求,。

　　壓力眼圖校準(zhǔn)首先要使用標(biāo)準(zhǔn)夾具、線纜和通道設(shè)置測(cè)試設(shè)備（圖5）,。然后要反復(fù)測(cè)量和調(diào)節(jié)應(yīng)用的各類壓力,，如抖動(dòng),。然后使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試夾具和通道及測(cè)試設(shè)備生成的特定數(shù)據(jù)碼型，在沒有DUT的情況下執(zhí)行校準(zhǔn),。測(cè)試儀器應(yīng)能夠執(zhí)行兩種功能：碼型生成,，能夠增加各種壓力；信號(hào)分析,，如抖動(dòng)和眼圖測(cè)量,。

　　圖5. 主機(jī)（頂部）和設(shè)備（底部）壓力眼圖校準(zhǔn)，首先設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)夾具,、線纜和通道,，然后反復(fù)測(cè)量和調(diào)節(jié)各種應(yīng)用的壓力，如抖動(dòng),。然后在使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試夾具和通道及使用測(cè)試設(shè)備生成的特定數(shù)據(jù)碼型,，在沒有DUT的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)。

　　必須進(jìn)行三種損傷校準(zhǔn),，以校準(zhǔn)壓力眼圖,，其分別是：RJ、SJ和眼高,。每種校準(zhǔn)都要求在碼型發(fā)生器和分析儀上進(jìn)行特定設(shè)置,。對(duì)每套線纜、適配器和儀器,，必須進(jìn)行一次壓力眼圖校準(zhǔn),。

　　由于使用不同的適配器和參考通道，主機(jī)和設(shè)備的壓力眼圖校準(zhǔn)也不同,。在校準(zhǔn)完成后,，可以重復(fù)使用校準(zhǔn)后的眼圖設(shè)置，如果設(shè)備設(shè)置中有的東西發(fā)生變化,，那么必須重新校準(zhǔn),。

　　其它碼型發(fā)生器要求

　　前面我們已經(jīng)介紹了要求校準(zhǔn)的項(xiàng)目，我們看一下碼型發(fā)生器對(duì)每步校準(zhǔn)的進(jìn)一步要求,，包括使用的數(shù)據(jù)碼型,、去加重?cái)?shù)量以及應(yīng)該不應(yīng)該啟用SSC。在壓力眼圖校準(zhǔn)方法中,，列出的兩種碼型是CP0和CP1,。表3列出了所有USB 3.0一致性測(cè)試碼型，以供參考,。

　　表3.USB 3.0 一致性測(cè)試碼型,。

　　CP0是一種經(jīng)過8b/10b編碼的PRBS-16 數(shù)據(jù)碼型（USB 3.0發(fā)射機(jī)對(duì)D0.0字符加擾和編碼的結(jié)果）。在8b/10b編碼后,，最長的連續(xù)1或連續(xù)0是5位,，較標(biāo)準(zhǔn)PRBS-16 碼型中最長16位的連續(xù)1或0明顯下降,。CP3是與8b/10b編碼的PRBS-16類似的一種碼型，類似之處在于,，它同時(shí)包含著由相同的比特組成的最短序列（孤位lone bit）和最長序列,。

　　CP1是RJ校準(zhǔn)使用的一種時(shí)鐘碼型,。許多儀器采用雙Diarc方法,，把隨機(jī)性抖動(dòng)和確定性抖動(dòng)分開，進(jìn)行RJ測(cè)量,。使用時(shí)鐘碼型是為了消除雙Dirac方法中的一個(gè)缺陷,，即其一般會(huì)把DDJ報(bào)告為RJ，特別是在長碼型上,。通過使用時(shí)鐘碼型,，可以從抖動(dòng)測(cè)量中消除ISI引起的DDJ，提高RJ測(cè)量精度,。

　　碼型發(fā)生器和分析儀之間的有損通道（即USB 3.0 參考通道和線纜）在垂直方向和水平方向?qū)е铝祟l率相關(guān)損耗,，這種損耗的表現(xiàn)是眼圖閉合（圖6）。為解決這種損耗,，可以使用發(fā)射機(jī)去加重,，提升信號(hào)的高頻成分，以便接收的眼圖在10-12（或更低）BER下足夠好,。

　　圖6. 波形和眼圖可以演示去加重的不同影響,，在本例中使用PRBS-7 數(shù)據(jù)碼型。

　　從眼圖上可以看到,，在沒有去加重時(shí),，所有比特位的幅度理論上是相同的。有了去加重,，跳變位比非跳變位的幅度要高,，有效地提高了信號(hào)的高頻成分。

　　在通過有損耗的通道和線纜后,，沒有去加重的信號(hào)的眼圖會(huì)產(chǎn)生ISI,，閉合程度會(huì)變嚴(yán)重，而有去加重的信號(hào)的眼圖是完全張開的,。我們從這里可以看到,，去加重的量影響著ISI和DDJ的值，進(jìn)而影響接收機(jī)上的眼圖張開度,。

　　SSC通常用于同步的數(shù)字系統(tǒng)（包括USB 3.0）,，以降低電磁干擾（EMI）。如果沒有SSC,，數(shù)字信號(hào)的頻譜在其載頻（即5 Gbits/s）及其諧波上將出現(xiàn)高能的尖峰值,，可能會(huì)超過法規(guī)限制（圖7）,。

　　圖7. SSC可能會(huì)影響頻譜（圖中所示的單個(gè)頻點(diǎn)）。在本例中,，使用SSC擴(kuò)展頻譜的能量,，規(guī)避超出法規(guī)限制的可能。

　　為防止這個(gè)問題,，SSC用來擴(kuò)散頻譜的能量,。載頻被調(diào)制，在本例中被三角波調(diào)制,。接收機(jī)測(cè)試中使用的頻率擴(kuò)展的幅度是5000 ppm,，頻率調(diào)制以33 kHz或每隔30 μs循環(huán)，表現(xiàn)為三角波的一個(gè)周期,。在SSC后,，頻譜中的能量被擴(kuò)散，沒有一個(gè)頻率違反政策限制,。

　　如前所述,，USB 3.0中接收機(jī)一側(cè)的均衡技術(shù)改善了ISI破壞的信號(hào)，ISI來自于參考通道和線纜中的頻率相關(guān)損耗,。去加重同理,，其通過信號(hào)處理方法提升信號(hào)的高頻成分。

　　盡管設(shè)備或主機(jī)中的接收機(jī)均衡電路與實(shí)現(xiàn)方案有關(guān),，但USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)為一致性測(cè)試規(guī)定了CTLE （圖8）,。參考接收機(jī)必須實(shí)現(xiàn)這個(gè)CTLE，如誤碼率測(cè)試儀（BERT）或示波器,，然后才能進(jìn)行一致性測(cè)試測(cè)量（同時(shí)用于發(fā)射機(jī)測(cè)試及本例的接收機(jī)壓力眼圖校準(zhǔn)）,，其通常采用軟件仿真的形式。

　　圖8. 參考接收機(jī)（如誤碼率測(cè)試儀或示波器）必須實(shí)現(xiàn)USB 3.0規(guī)范中規(guī)定的CTLE功能,。

　　在抖動(dòng)測(cè)量中使用CTLE仿真主要會(huì)改善受信號(hào)處理方法影響的抖動(dòng),，即ISI。CTLE仿真不影響與數(shù)據(jù)碼型無關(guān)的抖動(dòng)成分,，如RJ和SJ,，盡管根據(jù)一致性測(cè)試規(guī)范（CTS），這兩種測(cè)量都要求使用CTLE,。另一方面,，眼高會(huì)直接受到影響，因?yàn)镮SI會(huì)影響其測(cè)量,。

　　必須使用符合標(biāo)準(zhǔn)抖動(dòng)傳遞函數(shù)（JTF）的時(shí)鐘恢復(fù)“黃金鎖相環(huán)”進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量,，如圖9中藍(lán)色曲線所示。JTF決定著有多少抖動(dòng)從輸入信號(hào)傳遞到分析儀。在本例中,，–3-dB截止頻率是4.9 MHz,。

　　圖9. 藍(lán)色曲線說明了“標(biāo)準(zhǔn)PLL”的抖動(dòng)傳遞函數(shù)，其來自USB 3.0標(biāo)準(zhǔn)圖6到圖9,。

　　在最低的SJ頻率上（JTF的斜坡部分,，或PLL環(huán)路響應(yīng)的平坦部分），恢復(fù)的時(shí)鐘可以跟蹤數(shù)據(jù)信號(hào)上的抖動(dòng),。因此,，數(shù)據(jù)中相對(duì)于時(shí)鐘的抖動(dòng)根據(jù)JTF被衰減。在JTF平坦,、PLL響應(yīng)向下傾斜的更高SJ頻率上,，信號(hào)中存在的SJ被轉(zhuǎn)移到下行分析儀。除壓力眼圖校準(zhǔn)過程中的SJ以外,，規(guī)定所有測(cè)量都要使用標(biāo)準(zhǔn)JTF。

　　一旦校準(zhǔn)了壓力眼圖,，可以開始接收機(jī)測(cè)試,。USB 3.0要求進(jìn)行BER 測(cè)試，這不同于其上一代技術(shù)USB 2.0,。接收機(jī)測(cè)試要求的唯一測(cè)試是采用抖動(dòng)容限方式的BER 測(cè)試,。抖動(dòng)容限測(cè)試使用最壞情況下的輸入信號(hào)來執(zhí)行接收機(jī)測(cè)試（上一節(jié)中提到的校準(zhǔn)的壓力眼圖）。在壓力眼圖的基礎(chǔ)上,， JTF曲線的-3dB截止頻率附近的一系列SJ頻率（滿足相應(yīng)幅度要求）會(huì)被注入到測(cè)試信號(hào)中,，同時(shí)誤碼檢測(cè)器監(jiān)測(cè)接收機(jī)中的錯(cuò)誤或誤碼，計(jì)算BER,。

　　結(jié)論

　　隨著USB 3.0開始轉(zhuǎn)入主流,，成功的發(fā)射機(jī)一致性和認(rèn)證測(cè)試對(duì)新產(chǎn)品上市至關(guān)重要。這些產(chǎn)品不僅能與其它USB 3.0設(shè)備很好地一起工作,，還滿足了消費(fèi)者在各種條件下的性能和可靠性預(yù)期,。

　　除大幅度提高性能外，USB 3.0還提出了一系列新的測(cè)試要求,，與上一代標(biāo)準(zhǔn)相比,，帶來了更多的設(shè)計(jì)和認(rèn)證挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是,，市場上提供了一套完整的測(cè)試工具和資源,，可以幫助您實(shí)現(xiàn)SuperSpeed USB徽標(biāo)認(rèn)證。