USB3.0的Receiver两种测试方法
由于USB3.0的速率高达5Gbps，在USB3.在0规范中，接收机测试已成为必要的项目。接收机测试包括误码率测试和接收机抖动容限测试。
对于Receiver Compliance需要使用误码率测试仪进行测试BERT(Bit Error Ratio Tester，简称BERT)，比如力科的PeRT3。BERT由Pattern Generator和Error Detector组成。如下图1左图所示为传统的BER测试和抖动容限测试的示意图。BERT的Pattern Generator发送特定的测试码流，在码流中添加定量抖动，通过参考测试信道到达待测试芯片(DUT)的RX端，DUT设置为retimed loopback模式(重定时自环模式)从芯片中接收到的数据TX端发送到BERT的Error Detector，BERT分析收到的码流和发送的码流，对错误的比特计数，得到误码率。调节Pattern Generator输出代码流在各频段的抖动值，并测试误码率DUT抖动容限。
对于USB3.另一种方法可用于0的接收机测试：Loopback BERT Method。如下图1右图所示：DUT在接收端工作Loopback BERT直接分析模式BERT发送的已知测试码流，将接收到的误码计数和误码数存储在误码寄存器中(如下图1所示)Error Register)，LeCroy PeRT3直接读取误码寄存器，得到误码率和抖动容限测试结果。
对比两种测试方法，前者是串行信号接收端测试中常用的传统方法，误码判断为BERT端，即在DUT的外部进行BER后者是USB3.0芯片接收端直接测量误码率，测试仪读取待测试芯片的误码寄存器，即DUT内部进行BER测量PeRT同时支持上述两种测试方法。
力科接收机测试方案——PeRT3
PeRT3是Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester简写(如下图2所示)。首先具备了BERT的Pattern Generator和Error Detector功能可以随机抖动和固有抖动注入不同频段的输入信号，以及独特的协议层分析能力DUT进行初始化和遥控，控制其进出环回模式，使接收器测试更加方便快捷，也可以测量Frame Error Rate，并识别和记录协议层的错误。
对于USB3.0接收端测试需要配置PeRT三、实时示波器SDA813Zi，SDA813Zi用于校准PeRT代码发生器输出信号的范围和抖动。
在接收生器和待测芯片的扩频时钟功能(SSC)全部打开，输出信号的特征如下图3所示：信号峰值大于750m伏-3dB加重，随机抖动RMS值为0.0121UI(Unit Interval简称，即1个比特时间)，即0.0121*200ps = 2.42ps，添加的正弦抖动的频率为500kHz、1MHz、2MHz、4.9MHz、50MHz，相应的抖动峰值为2UI、1UI、0.5UI、0.2UI、0.2UI。添加上述随机抖动和正弦抖动后，误码率小于 。添加上述随机抖动和正弦抖动后，误码率小于 。其中，频率低于500KHz超过2个比特的抖动表明USB3.由于大多数开关电源在此频段工作，0芯片的接收端需要具有较强的抖动过滤能力。
图3：设置接收机抖动容限试验的参数(BER=
)
图3中的代码发生器输出信号的范围、加重和抖动参数TP1点用示波器SDA813Zi测量和校准。校准后连接参考测试信道和电缆USB3.0夹具连接到DUT的RX，DUT的TX连接到PeRT3的Error Detector。
推荐的测试码流是扰码后的D0.0，对于USB3.0的误码率为 测试一次大约需要10分钟，规范要求测量5个频率正弦抖动时的误码，所以完成5个频点的测试需要50分钟，非常耗时。在USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5中提出了一种快速测量接收机BER方法是在增加每个频点的固有抖动值后，只测量误码率= ，5个频点的抖动容限测试只需30秒即可完成。如图4所示，误码率= 抖动容限测试参数。
图4：设置接收机抖动容限试验的参数(BER=
)
力科PeRT3可以自动测量多个频点下的抖动容限和误码率，如下图5所示为某USB3.0芯片抖动容限试验结果，横轴为频率，纵轴为频点抖动幅度，黑线为USB3.0规范要求的抖动容量限制为误码正弦抖动范围。由于红点高于黑线，芯片接收端的抖动容量限制满足规范要求。
图5：某USB3.0芯片接收机测试结果
结论：本文简要介绍了力科测试USB3.0接收端解决方案。PeRT3结合误码率测试仪和协议分析仪，可快速验证USB3.0芯片科第四代示波器，0芯片接收端抖动容量和误码率SDA813Zi眼图和抖动分析能力强，能快速调试分析USB3.0设计中遇到的各种问题。
图6：力科的USB3.0发送端和接收端测试系统
参考文献
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简介
USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线，用于键盘、鼠标、打印机、扫描仪、数码相机MP3、U从2000年开始，盘等外围设备连接到计算机，使计算机与周围设备的接口标准化，支持USB2.已广泛使用0版计算机和设备，USB2.0包括高速480三种速率：Mbps、全速12Mbps、低速1.5Mbps。目前，除键盘和鼠标为低速设备外，大多数设备的速度为480M高速设备。
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尽管USB2.0的速度已经相当快了，对于目前的高清视频和频繁GByte2008年11月，数据传输仍然有点慢，HP、Intel、微软、NEC、ST-NXP、TI联合起来正式发布USB3.0的V1.0规范。USB3.0又称为Super Speed USB，比特率高达5Gbps，相比目前USB2.0的480Mbps引用率提高了10倍以上Intel专家Jeff Ravencraft的话：“以25GB以文件传输为例，USB2.0需要13.9分钟，而3.只需70秒左右。”25GB，正好是单面单层蓝光盘的容量。USB3.预计2010年计算机和消费电子产品将逐步使用。
力科于2009年4月发布USB3.物理层测试解决方案可以提供端到端的互操作测试和兼容性测试，包括Transmitter测试、Receiver测试、TDR测试。此外，力科还提供了行业领先的服务USB3.0协议层测试方案。
USB3.0的Transmitter测试
对于USB3.0的Transmitter为了测量5次谐波，需要带宽12次.5GHz力科的上述示波器SDA813Zi带宽13GHz，采样率40GSamples/s(最高可达80GS/s)，配合USB3.0一致性测试软件QualiPHY、眼图医生软件和测试夹具，可快速完成USB3.0的发送端Compliance测试和调试分析。
QualiPHY软件可以使USB3.0发送端的测试自动化，并生成各种格式的测试报告。在QualiPHY的USB3.0测试软件包括差分电压摆幅测试和加重比值测试(De-emphasis ratio test)、眼图和抖动测试，扩频时钟测试(Spread Spectrum Test)，图1显示了报告中测试项目的总体概述，列出了测试项目对应的概述Spec测试项目的名称，当前测试结果、测试判断条件等。
通常需要消除发送端测试USB3.0测试夹具引入的损耗和反射。如下图1所示USB3.0发送端测试示意图：夹具插入待测试芯片USB口，夹具通过PCB的传输线USB口引出到4个SMA连接头(USB3的TX和RX两个)，然后用SMA与示波器连接的同轴电缆。由于夹具上的连接器、过孔和传输线会衰减、分散或反射信号，导致示波器测量的信号恶化。力科眼图医生软件包括夹具嵌入功能，只需输入夹具的S参数模型文件(可由VNA或者TDR测量)，计算出没有夹具时测量的信号的波形和眼图。
示波器测量如图2左下部分所示USB3.0信号嵌入后测量的眼图。图1右下部为示波器直接测量的眼图（即未嵌入夹具的眼图）。与后者相比，前者的上下边缘更陡峭，眼睛轮廓清晰，眼睛张开。从这个比较图可以看出，力科的去嵌技术可以消除测试夹具的负面影响。使用夹具去嵌功能后，可以更加准确的测量电压摆幅和去加重的比值。
图1: 力科一致性测试软件QualiPHY部分报告
差分电压摆幅试验
差分电压摆幅试验的目的是验证信号峰值是否为0.8-1.2V之间。测试中Device Under Test(简称DUT)测试码型需要发送CP8(CP是Compliance Pattern的简写，在USB在物理层测试中，各种测试需要不同的测试码类型，USB3.0规范中定义了各种测试码流，USB3.0芯片制造商提供软件接口来配置其发送数据的型)，CP8由50-250个连续1、50-250个连续0重复交替组成，消除去加重，波形相当于50-250分频时钟。把USB3.0测试夹具嵌测量结果更精确。
去加重比值测试
为了把5Gbps速率的数据传送较远的距离，USB3.0的发送端使用了去加重技术，这项测试可以测量DUT的去加重程度是否满足规范要求(要求在-3dB到-4dB之间)。测试时DUT发送出CP7码流，CP7码型由50-250个连续的1和50-250个连续的0重复交替组成，而且是添加了去加重的信号波形。图3为某USB3.0芯片的去加重测量结果，该芯片采用了-3.47dB的去加重。
图3：某USB3.0芯片的去加重比值测量
眼图与抖动测试
在USB3.0的TX的眼图和抖动测试中，测量的是待测试信号经过参考测试信道后TP1点的眼图和抖动。如下图4中的Reference test channel即为参考测试信道，在规范中定义了long channel、short channel和3米电缆三种参考测试信道。如果使用long channel或者较长电缆，信号到达接收端时衰减比较大，眼图已经闭合，USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器对信号进行均衡后(CTLE均衡器介绍见本文最后一部分)，信号眼图的质量将大大改善，所以要求测试仪器分析出CTLE均衡器处理后信号的眼图和抖动。
图4：USB3.0的TX的眼图测试点(来自USB3.0规范)
如下图5所示，左边的眼图是靠近TX近端测量到的眼图；中间的眼图是通过兼容性信道(参考测试信道)后测量的眼图，可见眼图的张开程度较小，抖动较大；右边的眼图是仿真CTLE均衡后的眼图，可见眼高和抖动都得到改善。
图5：USB3.0的Transmitter测试在近端、远端和均衡后的眼图对比
眼图和抖动测试中信号源需要发出特别的测试码型，对于眼图测试，需要CP0码型(扰码的D0.0)，对于抖动测试，需要CP0码流或者CP1码流(D10.2)，前者用于确定性抖动Dj的测量，后者用于随机抖动Rj的测量。眼高必须从连续的1百万个比特叠加的眼图中测量，力科SDA813Zi示波器完成1百万比特的眼图仅需2秒，速度是同类示波器的10-50倍以上。抖动为10e-12误码率时抖动的峰峰值(即总体抖动Tj)。
扩频时钟测试(Spread Spectrum Clock Test)
扩频时钟经常使用在计算机主板的电路上，用于减小电磁辐射。在USB3.0中，需要测试扩频时钟的调制频率和频偏，测试时DUT发送出CP1码型的数据流(CP1码型为D10.2，即0101连续跳变的码型，相当于频率2.5GHz的时钟)，规范要求扩频时钟的调制频率为30-33KHz之间，频偏在0ppm到-5000ppm之间。如下图6为力科示波器测量扩频时钟的结果。
USB3.0使用的CTLE均衡器
Continuous Time Linear Equalization均衡器(简称CTLE)即连续时间线性均衡器，是一种常见的线性均衡器，在USB3.0芯片的接收端中使用了CTLE均衡器。USB3.0的速度高达5Gbps，当USB电缆较长时，RX端眼图很可能已闭合，这时分析眼图与抖动是没有意义的。使用力科眼图医生的CTLE均衡仿真后，对均衡后信号测量眼图与抖动指标，可以精确的验证其性能。结合力科的信道仿真功能，直接测量USB3.0的TX，可以迅速评估不同的信道是否需要均衡或者均衡后信号的性能指标如何。
USB的官方组织规定了USB3.0使用的CTLE均衡器的参数，如下图7左上部分为均衡器的频响，右上方的表格是均衡器的参数，下方是力科示波器中集成了USB3.0的均衡器参数，可方便调用。
结语：本文简要介绍了力科测试USB3.0的发送端的解决方案。力科的眼图医生软件可以快速验证经过USB3.0电缆后远端的信号质量，以及CTLE均衡器均衡后的眼图和抖动，帮助USB3.0开发人员快速测试和验证USB3.0芯片和电路设计。力科第四代示波器SDA813Zi强大的眼图和抖动分析能力，可以快速的调试和分析USB3.0设计中的碰到的各种问题。