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應(yīng)用解決方案

USB

當(dāng)前位置：首頁 / 應(yīng)用解決方案 / 高速串行接口測試 / USB

USB 4 電氣一致性測試

總覽

當(dāng)通過USBType-C?連接器接口進(jìn)行配置時(shí)，USB4在功能上取代USB3.2，同時(shí)保留USB2.0總線并行運(yùn)行。在USB3.2中定義的增強(qiáng)型超高速USB，仍然是USB4結(jié)構(gòu)上的USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕炯軜?gòu)。 USB4與USB3.2的不同之處在于，USB4是一種面向連接的隧道架構(gòu)，旨在將多個(gè)協(xié)議結(jié)合到一個(gè)物理接口上，從而可以動(dòng)態(tài)地共享USB4Fabric的總速度和性能。USB4允許USB數(shù)據(jù)傳輸與其他特定于顯示、加載/存儲(chǔ)和主機(jī)和主機(jī)接口的獨(dú)立協(xié)議并行操作。此外，USB4通過相同的雙lane、雙單工體系結(jié)構(gòu)，將性能從USB3.2的20Gbps(Gen2x2)擴(kuò)展到40Gbps(Gen3x2)。

為了兼容上大量的協(xié)議，需要使用路由器進(jìn)行分發(fā)。路由器是USB4架構(gòu)的基本構(gòu)件。一個(gè)路由器將隧道化的協(xié)議通信映射到USB4數(shù)據(jù)包，并通過USB4結(jié)構(gòu)路由數(shù)據(jù)包。路由器還通過其時(shí)間管理單元(TMU)在整個(gè)USB4結(jié)構(gòu)中分配和同步時(shí)間。


WaveMaster 8 Zi-B Oscilloscopes

LabMaster 10 Zi-A Oscilloscopes

測試設(shè)備要求

測試點(diǎn)接入板

為了獲得所需的信號，需要各種測試點(diǎn)接入板。測試點(diǎn)接入板為USB4 typeC連接器上的針腳提供了測試點(diǎn)，以及一種控制DUT的簡單方法。

實(shí)時(shí)示波器

  • 帶寬：≥21GHz
  • 采樣速率：80GSample/s，至少同時(shí)采集2通道
  • 存儲(chǔ)深度：大于50MSample每通道
  • 第一和第二順序時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)功能
  • CTLE和DFE的均衡功能
  • 抖動(dòng)測量功能
  • 加嵌/去嵌功能
  • 配套高阻探頭

碼型發(fā)生器

生成USB4信號，具有多種模式，抖動(dòng)注入能力。
  • 數(shù)據(jù)速率：≥20Gbps
  • 數(shù)據(jù)碼型：PRBS15, PRBS31, 方波
  • 差分振幅范圍：0-2Vpp，10mV步進(jìn)
  • 20%-80%上升時(shí)間：≥10ps
  • 內(nèi)在抖動(dòng)：≤400fs RMS
  • 隨機(jī)抖動(dòng)輪廓不小于500MHz
  • 均衡模式
  • 能夠創(chuàng)建符合USB4基本要求的RX CLK開關(guān)SSC配置文件
  • 內(nèi)置一個(gè)SJ抖動(dòng)源


Wilder USB4 Plug and receptacle Test fixtures



MP1900A BERT

測試設(shè)備要求

網(wǎng)絡(luò)分析儀

  • 用于校準(zhǔn)信道特性
  • 雙端口
  • 頻率范圍：1MHz-20GHz
  • 動(dòng)態(tài)范圍：＞50dB
  • 配備時(shí)域掃描選件功能
  • 校準(zhǔn)去嵌文件達(dá)到20GHz

附件

信號源

  • 用于提供共模干擾信號
  • 頻率范圍10MHz-400MHz
  • 輸出功率±15dBm

低插損相位匹配線纜

  • 相位損耗±5°@40GHz
  • 線損＜1.5dB@10GHz

ISI通道

  • 在5GHz和10GHz時(shí)，不同的插入損耗為2-10dB。

Pickoff Tee（偏置器）

  • 帶寬至少40GHz

功率分配器

  • 帶寬大于1GHz

隔直器

  • 帶寬至少33GHz
  • 1dB插損40GHz
  • 電容值推薦220nF

USB4有源或無源線

  • 無源線：0.8m(Gen3)、2m(Gen2)
  • 有源線：有e-marked標(biāo)記

負(fù)載終端

  • 50Ω
  • 頻率范圍：DC-20GHz

WavePulser 40iX High-speed Interconnect Analyzer



路由器組件發(fā)送端測試

路由器組件發(fā)送端一致性測試定義在TP2參考點(diǎn)的“金色”插頭夾具的輸出處和TP3參考點(diǎn)的“金色”插座夾具的輸出處。
TP2-位于連接到路由器組件TX輸出的USBc型插頭上的參考測量點(diǎn)。用作定義路由器組件TX的參考點(diǎn)。
TP3-位于無源電纜遠(yuǎn)端USBC型插座輸出端的參考測量點(diǎn)。用作被動(dòng)安裝的參考點(diǎn)。此時(shí)的所有測量均應(yīng)在應(yīng)用參考均衡化時(shí)進(jìn)行。
如果不能進(jìn)行直接測量，則需要進(jìn)行校準(zhǔn)
所有抖動(dòng)測量都參考平均頻率。
所有的后處理都使用USB4SigTest完成。

USB4 TX一致性測試點(diǎn)定義


USB4 測試連接
測試前，示波器需要進(jìn)行預(yù)熱和校準(zhǔn)，使用的四端口線纜必須進(jìn)行去嵌。

發(fā)送端路由器組件使用默認(rèn)預(yù)設(shè)進(jìn)行測試。建議默認(rèn)預(yù)設(shè)是使傳輸信號達(dá)到最小DDJ的預(yù)設(shè)。因此需要查找并燒錄該平臺(tái)的優(yōu)化預(yù)設(shè)。

路由器組件發(fā)送端測試

傳輸預(yù)設(shè)校準(zhǔn)

由于高速信號在傳輸過程中容易出現(xiàn)傳輸眼圖閉合情況。USB4 要求使用傳輸均衡裝置。該均衡器衡器的結(jié)構(gòu)是基于一個(gè)3個(gè)碼型的UI延時(shí)器的有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器。通過該結(jié)構(gòu)，可根據(jù)碼型的前后調(diào)整實(shí)際發(fā)送的波形，即Pre-shoot和去加重。USB4在傳輸過程中設(shè)置了PRESET 0 – PRESET 15，共16組PRESET值。PRESET值規(guī)定了不同的Preshoot和去加重結(jié)果，以及達(dá)到相應(yīng)的pre-shoot和去加重效果應(yīng)該如何設(shè)置三個(gè)FIR濾波的值。

路由器組件發(fā)送端測試

擴(kuò)頻時(shí)鐘（SSC）測試

下擴(kuò)范圍測試、下擴(kuò)速率測試、相位偏移測試、轉(zhuǎn)換速率測試
       針對擴(kuò)頻時(shí)鐘的測試，USB4與USB3.2類似，均為了保證擴(kuò)頻時(shí)鐘的穩(wěn)定性。
       擴(kuò)頻時(shí)鐘通過調(diào)制，降低時(shí)鐘信號在同一個(gè)頻率上的頻譜振幅，也進(jìn)而減少了電磁干擾。SSC的原理類似我們的頻率調(diào)制，對傳輸訊號做一個(gè)三角波周期的頻率調(diào)制。目前USB的SSC均采用下擴(kuò)頻方式進(jìn)行調(diào)制。好處是不會(huì)產(chǎn)生高出預(yù)定頻率的時(shí)鐘信號。




路由器組件發(fā)送端測試

TX頻率變化訓(xùn)練測量

該測試只有DUT含有re-timer的情況下才需要進(jìn)行測量。一個(gè)USB4鏈路最多可以包含6個(gè)re-timer，它們將數(shù)據(jù)從鏈路的一端轉(zhuǎn)發(fā)到另一端。



路由器組件發(fā)送端測試

抖動(dòng)測試

針對USB4，抖動(dòng)測試成為USB4電氣一致性測試過程中的一個(gè)關(guān)鍵部分。其中針對抖動(dòng)，USB-IF還對其中不同的抖動(dòng)分量進(jìn)行了區(qū)分和測量要求。這要求示波器具有抖動(dòng)測量功能。過大的抖動(dòng)將會(huì)造成眼圖閉合，無法滿足區(qū)分信號的要求



路由器組件發(fā)送端測試

眼圖測試

USB4的眼圖要求比USB3.2進(jìn)行了放寬。但相對高速度的傳輸對信號質(zhì)量仍然提出了很高的要求。因此進(jìn)行眼圖測試是必須的。
眼圖測試要求示波器具有80GSample/s的采樣率，并通過插值的方式，將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行x16插值，達(dá)到1280GSample/s 的插值。



上升/下降時(shí)間測量

在USB4中，信號電平的上升和下降時(shí)間也做了一定的要求。過高的上升速率會(huì)引入更大的諧波分量，容易產(chǎn)生干擾。因此USB4中規(guī)定20%-80%的上升/下降時(shí)間不小于10ps。

空閑電壓測試

空閑電壓測試主要針對的是USB通信信道在工作過程中避免產(chǎn)生過大的電壓波動(dòng)，進(jìn)而被誤讀為產(chǎn)生的信號。測試時(shí)通過捕捉差分信號線的波形VTX-P - VTX-N?？臻e電壓的數(shù)值應(yīng)小于20mV

共模電壓測試

由于USB的信息傳輸是基于差分信號線進(jìn)行傳輸，具有一定的抗共模電壓能力。但是過大的共模電壓會(huì)造成端口承受過大的直流電壓而損壞。因此USB4中要求共模電壓測試值＜100mVp-p。測試時(shí)計(jì)算共模電壓公式為：VAC-CM = (VTX-P + VTX-N )/2




回波損耗測試

隨著高速串行信號的速率不斷提高，信號更像是微波信號。為了保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，時(shí)域信號已經(jīng)不能很好地滿足測試要求。因此需要利用網(wǎng)絡(luò)分析儀對發(fā)射端和接收端的回波損耗進(jìn)行測試。USB4中，定義了發(fā)送端和接收端需要均需進(jìn)行回波損耗測試，每次測試中都會(huì)針對差分回波損耗以及共?；夭〒p耗進(jìn)行測試。
  


接收端路由器誤碼率測試校準(zhǔn)

接收端測試的測試點(diǎn)都定義在TP3‘ 和 TP3處，即USB連接線處和接收端觸點(diǎn)處。假如不能直接進(jìn)行測量，則需要進(jìn)行校準(zhǔn)。
校準(zhǔn)過程中需要使用誤碼儀發(fā)生發(fā)送碼型、產(chǎn)生抖動(dòng)，并外接上射頻信號源用于提供共模騷擾。最后通過不同的信道方式連接到示波器上對輸出波形進(jìn)行校準(zhǔn)。在這步里，需要針對數(shù)據(jù)依賴性抖動(dòng)、共模電壓輸出、隨機(jī)抖動(dòng)、周期性抖動(dòng)、總抖動(dòng)以及輸入眼圖進(jìn)行校準(zhǔn)。將TP3’的結(jié)果記錄為case1、TP3結(jié)果記錄為case2



接收機(jī)誤碼率測試程序

誤碼率測試完成之后，根據(jù)測試的連接，選擇case1或者case2進(jìn)行預(yù)設(shè)，并按照要求進(jìn)行測試。
測試過程中會(huì)不斷調(diào)整周期性抖動(dòng)的值進(jìn)行測試，誤碼儀會(huì)輸出指定的波形進(jìn)行測試。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則要求不斷增加延長時(shí)間，最長測試時(shí)間會(huì)要求長達(dá)700秒內(nèi)沒有發(fā)生錯(cuò)誤的情況。


在TP3處的接收器誤碼率測試設(shè)置

在TP3‘處的接收器誤碼率測試設(shè)置

接收機(jī)信號頻率變化訓(xùn)練測試

頻率變化調(diào)整針對的是多個(gè)re-timer的training效果。為了保證傳輸信號調(diào)整的可靠性，因此需要進(jìn)行接收機(jī)頻率變化訓(xùn)練測試。
在測試前，需要針對TP3和TP3’兩個(gè)點(diǎn)位上的SSC進(jìn)行校準(zhǔn)，通過對提取的頻率變化波形進(jìn)行平均來過濾掉低頻抖動(dòng)變化。保存下來設(shè)置作為時(shí)鐘選擇的調(diào)整。
之后通過三次調(diào)整PRESET值之后，運(yùn)行BER測試，使用之前校準(zhǔn)的SSC，測試10s。假如BER ≤ 1E-6 則測試通過。



SSC設(shè)置

接收機(jī)多錯(cuò)誤突發(fā)測試

當(dāng)接收機(jī)使用多個(gè)位置的DFE（決策反饋均衡器）時(shí)，應(yīng)采取步驟限制在接收到一個(gè)或多個(gè)正確位后立即重新啟動(dòng)錯(cuò)誤突發(fā)的概率。由于需要較大的測量窗口，直接測量編碼的誤碼率是不可行的，因此采用了另一種間接方法來驗(yàn)證預(yù)期的性能。因此，為隨機(jī)誤差概率和誤差突發(fā)重新啟動(dòng)概率指定目標(biāo)，以確保編碼的誤碼率假設(shè)得到滿足。
該測試僅適用于與USB類型-C連接器最近的接收器re-timer設(shè)備。
使用類似BER測試的校準(zhǔn)方式，然后連接。
獲得包含一個(gè)或多個(gè)正確位然后進(jìn)行錯(cuò)誤突發(fā)重啟的捕獲的概率不應(yīng)超過5E-7（即平均每200萬錯(cuò)誤捕獲一次錯(cuò)誤突發(fā)重啟）。

Sideband信號測試

Sideband信號在提供初始通信和設(shè)置功能的兩個(gè)互聯(lián)路由器的USB4端口之間的連接，通過Sideband信道（SBTX/SBRX）進(jìn)行傳輸。
在與USB4備用模式進(jìn)行協(xié)商后，SBTX/SBRX線路已連接到USBType-C連接器上的SBU1/SBU2。SBTX和SBRX是一個(gè)以1MHz波特率工作的UART接口。當(dāng)存在高速USB4流量時(shí)，路由器組件與電纜端或設(shè)備附近和電纜端附近之間的本地UART總線應(yīng)正常工作，使調(diào)試和鏈路訓(xùn)練能夠正常工作。

測試時(shí)，使用測試夾具引出SBU1和SBU2以及參考地信號，并使用TF controller進(jìn)行控制，并使用示波器和萬用表觀察信號并判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求




Sideband RX 探測電壓測試

使用測試夾具引出SBU1和SBU2以及參考地信號，并使用TF controller進(jìn)行控制。并使用直流電源作為sideband發(fā)送信號。

測試時(shí)，使用3.3V建立起連接，然后將電壓調(diào)節(jié)至相應(yīng)的高電平最小值或低電平最大值，觀察是否能保持連接或者連接是否斷開，確認(rèn)是否滿足范圍

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