隨著主流市場(chǎng)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(zhuān)家建議參考，幫助您輕松完成這一過(guò)程。
盡管市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了早期的USB 3.0產(chǎn)品，但主流市場(chǎng)轉(zhuǎn)向Super Speed USB 還有待時(shí)日。部分原因在于，USB 2.0接口無(wú)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(jiǎn)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(méi)有改變。這就給工程師們帶來(lái)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(xiàn)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(mén)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(mǎn)足了市場(chǎng)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(lái)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(xiàn)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(xiàn)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(wèn)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(mǎn)足了眼圖模板，電路就一定能在傳輸損耗滿(mǎn)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(xiàn)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)。
隨著主流市場(chǎng)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(zhuān)家建議參考，幫助您輕松完成這一過(guò)程。
盡管市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了早期的USB 3.0產(chǎn)品，但主流市場(chǎng)轉(zhuǎn)向Super Speed USB 還有待時(shí)日。部分原因在于，USB 2.0接口無(wú)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(jiǎn)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(méi)有改變。這就給工程師們帶來(lái)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(xiàn)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(mén)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(mǎn)足了市場(chǎng)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(lái)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(xiàn)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(xiàn)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(wèn)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(mǎn)足了眼圖模板，電路就一定能在傳輸損耗滿(mǎn)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(xiàn)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(guò)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(lái)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(guò)對(duì)100萬(wàn)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(chēng)為PLL，10 Mhz環(huán)路帶寬，0.707的阻尼系數(shù)）。通過(guò)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(guò)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(xiàn)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(lèi)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(wèn)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(xiàn)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(wèn)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(kāi)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(chēng)去加重比是3.5 dB，用線(xiàn)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(wú)源高頻濾波器，如線(xiàn)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：?jiǎn)便地描述了傳輸函數(shù)。CTLE通過(guò)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(jiǎn)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(guò)對(duì)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)加權(quán)一些補(bǔ)償系數(shù)來(lái)補(bǔ)償通道損耗。
CTLE和FFE是線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(zhǎng)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。