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(dá)5Gbps，在USB3.0規(guī)范中接收機(jī)測試成為必測項目。接收機(jī)測試包括了誤碼率測試和接收機(jī)抖動容限測試兩部分。

對于Receiver Compliance測試，需要使用誤碼率測試儀BERT（Bit Error Ratio Tester，簡稱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(tǒng)的BER測試和抖動容限測試的示意圖。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，通過參考測試信道后到達(dá)待測試芯片（DUT）的RX端，DUT設(shè)置為retimed loopback模式（重定時自環(huán)模式），將接收到的數(shù)據(jù)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(shù)，得到誤碼率。調(diào)節(jié)Pattern Generator輸出碼流在各種頻段的抖動值，并測試誤碼率，可以得到DUT的抖動容限。

對于USB3.0的接收機(jī)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(shù)，誤碼數(shù)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，得到誤碼率和抖動容限測試結(jié)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(tǒng)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了解誤碼值，即DUT內(nèi)部進(jìn)行BER測量。力科的PeRT3同時支持以上兩種測試方法。

力科的接收機(jī)測試方案——PeRT3

PeRT3是Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester的簡寫（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(jī)抖動和固有抖動，而且獨(dú)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(jī)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和實時示波器SDA813Zi，SDA813Zi用于校準(zhǔn)PeRT3的碼型發(fā)生器輸出信號的幅度和抖動等指標(biāo)。

在接收機(jī)測試中，碼型發(fā)生器和待測試芯片的擴(kuò)頻時鐘功能（SSC）都打開，輸出信號的特征需滿足下圖3所示：信號的峰峰值大于750毫伏，-3dB的去加重，隨機(jī)抖動的RMS值為0.0121UI（Unit Interval的簡稱，即1個比特的時間），即0.0121*200ps = 2.42ps，添加的正弦抖動的頻率為500kHz、1MHz、2MHz、4.9MHz、50MHz，其對應(yīng)的抖動峰峰值為2UI、1UI、0.5UI、0.2UI、0.2UI。要求在添加了上述數(shù)量的隨機(jī)抖動和正弦抖動后誤碼率小于 。其中，頻率低于500KHz的抖動大于2個比特，說明USB3.0芯片的接收端需具備較強(qiáng)的抖動過濾能力，因為多數(shù)開關(guān)電源工作在這個頻段。




圖3：接收機(jī)抖動容限測試的參數(shù)設(shè)置（BER=）

碼型發(fā)生器輸出信號的幅度、去加重和抖動參數(shù)在圖3中的TP1點(diǎn)用示波器SDA813Zi測量并校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后連接參考測試信道和電纜，通過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(guī)范要求測量加入5個頻率正弦抖動時的誤碼，所以完成5個頻點(diǎn)的測試需要50分鐘，非常耗時。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(jī)BER的方法，即加大各頻點(diǎn)的固有抖動數(shù)值后，只測量到誤碼率= ，這樣只需30秒即可完成5個頻點(diǎn)的抖動容限測試。如圖4所示為誤碼率= 的抖動容限測試參數(shù)。

圖4：接收機(jī)抖動容限測試的參數(shù)設(shè)置（BER=）

力科PeRT3可以自動測量多個頻點(diǎn)下的抖動容限和誤碼率，如下圖5所示為某USB3.0芯片的抖動容限測試結(jié)果，橫軸為頻率，縱軸為該頻點(diǎn)的抖動幅度，黑線為USB3.0規(guī)范要求的抖動容限，紅點(diǎn)為出現(xiàn)誤碼的正弦抖動的幅度，由于紅點(diǎn)都在黑線之上，說明該芯片接收端的抖動容限滿足規(guī)范要求。

圖5：某USB3.0芯片接收機(jī)測試結(jié)果

結(jié)語：本文簡要介紹了力科測試USB3.0的接收端的解決方案。力科的PeRT3結(jié)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芯片的接收端抖動容限和誤碼率，配合力科第四代示波器SDA813Zi強(qiáng)大的眼圖和抖動分析能力，可以快速的調(diào)試和分析USB3.0設(shè)計中的碰到的各種問題。


圖6：力科的USB3.0的發(fā)送端和接收端測試系統(tǒng)

參考文獻(xiàn)
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簡介

USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，用于把鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、MP3、U盤等外圍設(shè)備連接到計算機(jī)，它使計算機(jī)與周邊設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)化，從2000年以后，支持USB2.0版本的計算機(jī)和設(shè)備已被廣泛使用，USB2.0包括了三種