SuperSpeed USB Competitive Update

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彬皇绵赵
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1 高速信号完整性工程师培训课程 USB 3.0 物理层一致性测试验证

2 日程简介 USB 3.0 SuperSpeed 发送端接收端线缆协议 Disclaimer: The material and content that describes specific details of the USB 3.0 specification (and SuperSpeed logo) belong to the USB 3.0 Promoters. Tektronix is not speaking or presenting on behalf of the USB 3.0 Promoters /1/21

3 USB 行业领导地位 Tektronix 是第一家推出 USB 2.0 测试方案的公司唯一对 Wimedia USB 物理层测试提供测试步骤方法 (MOI) 数百万被 Tektronix 测试方案认证过的 USB 设备 Tektronix 是唯一参与 USB 3.0 规范制定的测试测量仪器公司! /1/21

4 SuperSpeed USB 出现的原因? USB 2.0 对于大多数产品来说是适合的新出现的应用将会受益于高性能. 大量的数字多媒体文件传输需要更快的性能 Source: USB-IF /1/21

5 USB 3.0 时间表 & Tektronix 参与状况今天 Test Vendor Compliance Group Participation April Test Spec Intel PIL USB-IF Plugfests 规范制定芯片阶段 Spec Release 整合阶段产品发展 USB-IF 工具发展发展阶段 Tektronix 测试方案更新 Chapter 5 线缆 Chapter 6 发射端接收端信道 Chapter 7 协议 ( 合作伙伴方案 ) /1/21

6 Super Speed USB 和 High Speed USB 电气层比较 High-Speed 480MT/s 没有 SSC 2 个走线做信号传输发射和接收用同一个走线 1 双向链接半双工非屏蔽双绞线 DC 耦合总线 NRZ 编码 SuperSpeed 5.0GT/s (10X 速度递增 ) 有 SSC 4 个走线做信号传输 2 个发射 2 个接收单向链接全双工屏蔽双绞线 AC 耦合总线 8b/10b 编码 Source: USB-IF /1/21

7 USB3.0 物理层架构 Dual Bus Architecture( 双总线架构 ) USB 线缆结构 /1/21

8 USB3.0 与 2.0 比较 /1/21

9 USB 3.0 关键考虑事项需要接收端段测试抖动容限 SSC, 异步参考时钟会导致协调性问题信道关键考虑事项需要考虑传输线缆影响早起设计需要对信道做软件仿真一些新挑战 12 英寸长走线接收端眼图闭合均衡发射端去加重接收端连续时间线性均衡器 (CTLE) 测试策略高性价比的工具灵活的方案 Source: USB 3.0 Rev 1.0 Specification /1/21

10 USB3.0 一致性测试 TX- 发送端测试

11 USB3.0 TX 测试眼图抖动 UI 差分峰值输出电压预加重差分输出电压比 Delta DC 共模电压 AC 共模电压最小脉宽最大斜率 SSC 调制率 SSC deviation /1/21

12 USB3.0 TX 测试码型 CP0 码型 :D0.0 的加扰序列, 用于测试确定性抖动 CP1 码型 : 无加扰的 D10.2, 适合测试随机性抖动 /1/21

13 标准发射端测试在 TP1 点测量需要硬件参考线缆和测试通道或者在 TP1 有发射路径通道仿真 At Far End of Channel CTLE Transmit Channel TP /1/21

14 发射端测量的一些有用信息 At Transmitter Pads 发射端测量需要通道反嵌 Source: USB 3.0 Rev 1.0 Specification /1/21

测试用户据此可以模拟参考测试通道的行为, 测试点也可以改为 TP1 泰克提供了完整的滤波器供用户来对参考测试通道建立模型

15 参考测试通道及其仿真模型测试环境需要有参考线缆, 参考测试通道等实物, 这对于测试者来说是一个比较麻烦的问题, 因为它们不容易获取在 USB 官方网站上有有关参考测试通道模型的 touchstone 文件, 测试用户据此可以模拟参考测试通道的行为, 测试点也可以改为 TP1 泰克提供了完整的滤波器供用户来对参考测试通道建立模型参考测试通道仿真模型后背板通道模型 ( 通道损耗影响较大 ) 前面板通道模型 ( 通道反射影响较大 ) 线缆模型 (3 米 ) /1/21

16 CTLE 均衡测试 DUT 的信号发出后经过 3 米的参考线缆和参考测试通道的损耗, 可能导致在接收端的眼图会完全闭合 USB3.0 规范允许在接收端使用均衡技术来获得眼图以对系统进行时间和幅值相关的测试连续时间线性均衡器进行仿真, 简称 CTLE(Continuous time linear equaliztion) 均衡器 /1/21

17 CTLE 均衡 CTLE: 系统传输函数简单, 实现方便, 带宽容易设定, 不会加大抖动使用泰克的 SDLA 软件可以非常方便的实现特定的均衡要求 Far End Eye After CTLE /1/21

18 泰克完整的一致性通道模型及 CTLE 均衡滤波器测试选择 /1/21

在软件里应用 CTLE DSA70000B Tx Channel CTLE Rj- Dj- Tj Eye Height 进行一致性测试 :Eye Height ;Dj-DD;

19 Tektronix 发射端 MOI ( 测量操作方法 ) 测试夹具探测应该尽量靠近芯片或者链接器 Host 测试 : A Plug or B Receptacle + Short USB3 Cable Device 测试 : A Receptacle + Short USB3 Cable 在 TP1 探测信号用 FIR 滤波器仿真发射端到 TP1 的通道在软件里应用 CTLE DSA70000B Tx Channel CTLE Rj- Dj- Tj Eye Height 进行一致性测试 :Eye Height ;Dj-DD; Rj-DD;Tj TP1 +5V/Gnd USB3 RX DUT Type A A Plug USB3 TX VBUS USB3_Tx TP1 USB2.0 A and B Tx Channel /1/21

20 USB3.0 抖动, 眼图测试要求抖动和眼图测试需要在连续的 1 百万个 UI 中进行, 需要使用均衡处理时钟恢复参数设置 ( 二阶 PLL, 带宽 10MHz,damping 系数 0.707) 最终的抖动 (TJ) 的测试结果是在误码率为条件下, 快速的提取得到例如, RJ ( 峰峰值 ) 的推算是 RJ 的测量结果 (RMS 值 ) 乘以得到的 /1/21

21 JTF and CDR /1/21

22 USB3.0 抖动, 眼图手工测试方法测试码型 :CP0 测试点 : TP1 1M UI PLL 设置 : 自定义带宽,2 阶, 阻尼系数 : 0.707,LoopBW:10MHz;Bitrate:5Gbps 调用带有通道模型和 CTLE 均衡的滤波器及示波器设置文件 : 如 USB3_Front_Cable_Device_CTLE.flt 运行 DPOJET, 生成测试结果报告 /1/21

23 USB3.0TX 其它参数手动测试 /1/21

0 发送端必测项和选测项测试时间快, 执行所有的 USB 发送端测试, 不超过 5 分钟对分析参数的完全控制使执行一致性测试和调试无缝整合提供按照 USB3.

24 USB 3.0 TX 自动测试解决方案 USB 3.0 TekExpress Automation Software Opt. USB-TX 一键自动测试完成 USB3.0 发送端必测项和选测项测试时间快, 执行所有的 USB 发送端测试, 不超过 5 分钟对分析参数的完全控制使执行一致性测试和调试无缝整合提供按照 USB3.0 规范预定义的 CTLE 滤波器, 可以使用 SDLA 软件来自定义 CTLE 滤波器软件通道仿真模型覆盖主通道后背板, 前面板, 线缆和设备通道使用综合报告详细记录测试的容限和 pass/fail 结果, 快速验证测试状态 DPOJET 验证 / 调试 TekExpress TM 自动测试 /1/21

Cable Testing A Receptacle B Receptacle USB 2.

25 Tektronix USB 3.0 Matched Fixture Kit For Host Tx/Rx Testing A Plug B Receptacle + Short USB3 Cable For Device Tx/Rx Testing A Receptacle + Short USB3 Cable For Cable Testing A Receptacle B Receptacle USB 2.0 for X-Talk For De-Embed A Receptacle mated with A Plug Manufactured on single flat /1/21

26 完整的 USB 3.0 发射端测试方案 DPO/DSA70000B 系列示波器 Tektronix Super Speed USB 夹具 12.5 GHz 带宽实时示波器覆盖 5 次谐波分析软件用来做验证和调试 DPOJET 带 USB3 选件自动化测试软件用来做特征描述和一致性测试 TekExpress 带 USB-TX 选件 +5V/Gnd Type A +5V/Gnd Receptacle Type A Plug +5V/Gnd USB2.0 A and B Type B Receptacle USB2.0 A and B USB2.0 A and B USB3 RX USB3 TX /1/21

27 USB3.0 一致性测试 RX - 接收端测试

28 接收端测试项目误帧检测 RX-01 Built in BERT Loopback Error Detection Test RX-02 External Error Detection Receiver Jitter Test( 不支持 BERT Loopback Error detection) 抖动容限测试 /1/21

29 测试设备信号源 :AWG7122B 实时示波器 :DPO/DSA71254B ( 或者更高带宽 ) USB 夹具线缆 Ellisys 280 USB3.0 分析仪 ( 含软件 ) 软件 AWG7KB USB3.0 接收端测试码型库文件 SerialXpress ( 带 ISI,SSC) PTD DPOJET TEKEXPRESS OPT.USB-TX USB3.0 ATE SW /1/21

30 误帧检测原理及挑战测试思路 : 传送已知的码型到接收端, 然后数据会在接收端比较器后进行验证数据通过接收端的环回模式 (Loopback) 输出到外部设备中进行检查挑战如何产生测试的码型并且将 DUT 初始化到测试模式 /1/21

31 Loop Back Bert /1/21

32 使用 AWG7122B 设定测试模式任意波形发生器 (AWG7122B) 按照协议的序列发送链路训练信号, 使接收端进入环回模式, 并发起误码率测试命令 AWG7122B 向主机端发送初始化命令, 并发起错误侦测使用 DSA70000B 实时示波器捕获并解码接收端发出的错码计数 AWG 产生的链路训练码型 BERT 有序集和抖动码型 /1/21

33 测试流程 1. 将 DUT 设置在 Loopback 模式 1. Ping.LFPS: 低频周期性码型用以链路训练 2. TSEQ: 接收端均衡器训练,CDR 锁定, 训练链路极性反转 3. TS1/TS2: 链路配置为回环和加扰模式 2. 为验证硬件误码计数器是否工作正常, 先注入 1 个错帧, 观察误码计数器值是否会逐次增加 3. 如工作正常, 误码计数器清零注入无抖动的干净波形, 观察 1 分钟, 误码计数器应该无错误计数 4. 注入包含含抖动并且 Pj 分别为 500KHZ,1MHZ,2MHZ,4.9MHZ,50MHZ 的受损波形, 在特定的时间内观察错误计数器是否有数值变化如果在相邻三次测试阶段累计超过 1000 错误计数, 测试 fail, 如果在各阶段规定时间内无错误计数, 判定为 pass 注 : 使用 BERT 命令 : 发起 BRST( 测试复位 ),BDTA( 开始测试 ) 和 BERC( 误码查询 ) 命令, 用以确保误码计数器的操作 /1/21

34 USB3.0 接收端测试 ( 使用内部 BERT 测试 ) 接收端使用 built-in BERT 功能处理 BERT 有序集 TP1 的损伤需要硬件参考线缆和测试通道或者在 TP2 有接收路径通道仿真 Receive Channel TP2 Source: USB 3.0 Specification /1/21

35 USB3.0 发送端 / 接收端设备连接 ( 软件通道仿真 ) 支持内部 BERT /1/21

36 USB3.0 TX/RX 测试设备连接 ( 硬件通道仿真 ) 支持内部 BERT /1/21

37 使用 ATE 进行 USB3.0 RX 测试 ( 支持内部 BERT) 泰克 USB 3.0 接收端 Automatic Test for Excel (ATE) 用来自动化接收端测试并提供一致性测试 Pass/Fail 报告首先将 DUT 设置成测试模式, 然后调用 ATE 进行自动测试, 打开 PTD, 并调用配置文件在运行 ATE 时, 可以使用 PTD 来确认帧关键字 /1/21

38 使用 Ellisys 280T 分析仪进行 RX 测试 ( 支持外部 BERT) /1/21

39 使用 Ellisys 软件进行 USB3.0 RX 测试 ( 支持外部 BERT) /1/21

40 抖动容限测试抖动容限测试的信号需要有三种分量来模拟预期最差的工作环境 : 来自系统固有噪声而产生的随机抖动由于耦合周期性噪声而产生的正弦抖动长传输线引入的码间干扰抖动除此之外, 接收端还必须能够容忍低频的 SSC Sj 和 Rj 的抖动校准在 TP1 处进行, 或者在参考测试通道和电缆之前进行 /1/21

41 抖动容限测试要求 /1/21

抖动生成软件 SerialXpress Digital Patterns 1111100001111100000 Clk 01101001101101001 DATA 00101101100101101 DATA 10111001010111001 DATA n TDR with IConnect Touchstone File Direct Synthesis Waveform

42 抖动生成软件 SerialXpress Digital Patterns Clk DATA DATA DATA n TDR with IConnect Touchstone File Direct Synthesis Waveform Generation Tool Binary Pattern File Over- Sampler Phase Modulation Random Jitter Periodic Jitter (multiple freq components) Amplitude Modulation Noise Parametric Filter Rise time Damping Duty Cycle Distortion ISI Pre-emph. Custom S-Parameter Filter Cable Emulation Cable/Fixture pre-comp Normalization Amplitude Offset Waveform File AWG User-specified Input Parameters /1/21

43 Serial Data Waveform Synthesis using SerialXpress Standard Base Patterns Selections USB3.0 SATA SAS HDMI DisplayPort PCIe Fiber Channel Rise time setting Graphic simulations of Compiled Data /1/21

44 Serial Data Jitter Generation using SerialXpress Up to four SJ components with freq and phase settings Two Random jitter components with specific bandpass settings /1/21

45 USB3.0 一致性测试 Cable - 线缆测试

46 线缆测试 DSA8200 采样示波器含 IConnect 软件测试夹具 A 型插口 B 型插口 USB2/USB3 做串扰测量的连接器使用采样示波器 & S 参数计算软件测量项目 : 阻抗 Intra-Pair Skew 差分插入损耗差分回波损耗差分近端串扰 USB3.0 和 USB2.0 间的差分串扰差模到共模转换 +5V/Gnd Type A Receptacle USB2.0 A and B /1/21

Tektronix 合作伙伴方案 Ellisys EX280 探测器 - USB 3.

47 Tektronix 合作伙伴方案 Ellisys EX280 探测器 - USB 3.0 分析仪分析仪应用方案 USB host & device 监测性能分析调试驱动软件链接状态分析协议错误检查发生器应用方案 USB host & device 仿真测试错误校正方法性能负荷试验一致性验证链接状态分析 Ellisys USB Explorer 280 SuperSpeed USB 3.0 Protocol Analyzer and Traffic Generator 典型的协议分析仪设置典型的用协议分析仪仿真主机设置 /1/21

48 Tektronix USB 测试方案从物理层到协议层完整的测试方案对 USB 2.0, 3.0 and 无线 USB USB 领导地位 : Tektronix 积极的参与 USB-IF 一致性组织并且参与制定 USB 3.0 对反节约开支 : 在一台仪器实现自动化测量方案连接简单 : 测量连接方法类似于发射端对于 USB 3.0 设备主机性能验证灵活性 : 用软件信道仿真实现一致性验证, 调试, 描述 /1/21

资源规范连接 Rev 1.0, http://www.usb.org/developers/docs/ Tektronix USB 电物理层测试工具 www.

49 资源规范连接 Rev 1.0, Tektronix USB 电物理层测试工具 Ellisys 协议分析工具 /1/21

SuperSpeed USB Competitive Update

SuperSpeed USB Competitive Update 熟练 USB 物理层验证测试方法介绍 - Tektronix USB 泰克创新论坛 2009 年 4 月日程简介 USB 3.0 SuperSpeed USB 3.0 出现的愿因? 时间表线缆发射端接收端协议分析 USB 2.0 简介一致性测试 Wireless USB 概览一致性验证和调试 Disclaimer: The material and content that describes