USB3.0的物理层接收端的测试方法 (完整版)

USB3.0的Receiver测试的两种方法

由于USB3.0的速率高达5Gbps，在USB3.0规范中接收机测试成为必测项目。接收机测试包括了误码率测试和接收机抖动容限测试两部分。

对于Receiver Compliance测试，需要使用误码率测试仪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发送出特定的测试码流，码流中添加了定量的抖动，通过参考测试信道后到达待测试芯片（DUT）的RX端，DUT设置为retimed loopback模式（重定时自环模式），将接收到的数据从芯片的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输出码流在各种频段的抖动值，并测试误码率，可以得到DUT的抖动容限。

对于USB3.0的接收机测试还可以使用另一种方法：即Loopback BERT Method。如下图1的右图所示：DUT的接收端工作在Loopback BERT模式，直接分析BERT发送出的已知的测试码流，对接收到的误码计数，误码数量存入误码寄存器（如下图1的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。

两种测试方法对比，前者是串行信号接收端测试通常使用的传统方法，其误码判定在BERT端，即在DUT的外部进行BER测试；后者是USB3.0芯片接收端直接测量误码率，测试仪器读取待测试芯片的误码寄存器来了解误码值，即DUT内部进行BER测量。力科的PeRT3同时支持以上两种测试方法。

力科的接收机测试方案——PeRT3

PeRT3是Protocol-enabled Receiver and Transmitter Tolerance Tester的简写（如下图2所示）。首先具备了BERT的Pattern Generator和Error Detector功能，可以对输入信号注入不同频段的随机抖动和固有抖动，而且独有的协议层分析能力可以对DUT进行初始化和遥控，控制其进入或退出环回模式，使接收机测试更加方便和快捷，还可以测量Frame Error Rate，并识别和记录协议层的错误。

对于USB3.0的接收端测试，需要配置PeRT3和实时示波器SDA813Zi，SDA813Zi用于校准PeRT3的码型发生器输出信号的幅度和抖动等指标。

在接收机测试中，码型发生器和待测试芯片的扩频时钟功能（SSC）都打开，输出信号的特征需满足下图3所示：信号的峰峰值大于750毫伏，-3dB的去加重，随机抖动的RMS值为0.0121UI（Unit Interval的简称，即1个比特的时间），即0.0121*200ps = 2.42ps，添加的正弦抖动的频率为500kHz、1MHz、2MHz、4.9MHz、50MHz，其对应的抖动峰峰值为2UI、1UI、0.5UI、0.2UI、0.2UI。要求在添加了上述数量的随机抖动和正弦抖动后误码率小于 。其中，频率低于500KHz的抖动大于2个比特，说明USB3.0芯片的接收端需具备较强的抖动过滤能力，因为多数开关电源工作在这个频段。




图3：接收机抖动容限测试的参数设置（BER=）

码型发生器输出信号的幅度、去加重和抖动参数在图3中的TP1点用示波器SDA813Zi测量并校准。校准后连接参考测试信道和电缆，通过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，一次需要大概10分钟，而规范要求测量加入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。为了加快测试与验证速度，在USB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper, Revision 0.5中提出一种快速测量接收机BER的方法，即加大各频点的固有抖动数值后，只测量到误码率= ，这样只需30秒即可完成5个频点的抖动容限测试。如图4所示为误码率= 的抖动容限测试参数。

图4：接收机抖动容限测试的参数设置（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芯片的抖动容限测试结果，横轴为频率，纵轴为该频点的抖动幅度，黑线为USB3.0规范要求的抖动容限，红点为出现误码的正弦抖动的幅度，由于红点都在黑线之上，说明该芯片接收端的抖动容限满足规范要求。

图5：某USB3.0芯片接收机测试结果

结语：本文简要介绍了力科测试USB3.0的接收端的解决方案。力科的PeRT3结合了误码率测试仪和协议分析仪两种功能，可以快速验证USB3.0芯片的接收端抖动容限和误码率，配合力科第四代示波器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。


图6：力科的USB3.0的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，用于把键盘、鼠标、打印机、扫描仪、数码相机、MP3、U盘等外围设备连接到计算机，它使计算机与周边设备的接口标准化，从2000年以后，支持USB2.0版本的计算机和设备已被广泛使用，USB2.0包括了三种