確保相容性與訊號品質　USB 3.0量測規範面面俱到

由此可以看出，USB 2.0與USB 3.0在整個訊號架構上有幾個重大的改變。最明顯的是，訊號傳輸率由480Mbit/s提升到5Gbit/s。訊號傳輸架構也由原本的NRZI架構修改成8b/10b的架構，強調直流平衡(DC Balance)，藉此降低接收端訊號判斷出錯。

圖1　USB 3.0接口

而且，由半雙工改成全雙工的傳輸模式，因此USB 3.0的傳輸訊號會將Tx及Rx訊號分成SSTX+、SSTX-、SSRX+、SSRX-四組訊號(SS:Super Speed)，而不像原本USB 2.0的訊號只有Dn、Dp兩個Tx及Rx共用的訊號線，因此，可以發現USB 3.0接口為了向下相容，除了原本USB 2.0使用的四組訊號線外，再額外加上USB 3.0的四組訊號線(圖1)。

此外，USB 3.0也進一步提升主控端(Host)輸出電流的能力，由500毫安培(mA)提升到900毫安培，能提供更廣泛產品的應用。USB 3.0並採用PCI-E架構中的展頻時脈(Spread Spectrum Clock, SSC)來降低電磁干擾(EMI)。

也由於訊號速度提升到5GHz，USB 3.0為了保持訊號完整，因此會在發射端Tx加入解加強(De-emphasis)預先對訊號做處理，接收端Rx須要增加連續時間線性等化器(CTLE)對接收訊號再做一次補償。

表2為USB 2.0及USB 3.0的比較表。由於考量到USB 3.0必須相下相容USB 2.0、USB 1.0，在連接器(Connector)的部分會在原有USB 2.0訊號的架構上，再額外加入Super Speed的四組訊號，如圖1所示。

USB 2.0物理層測試規範

圖2　USB系統類型

在USB 2.0的物理層測試規範中，USB-IF分別制訂針對低速(Low Speed)、全速(Full Speed)、高速(High Speed)的三種測試規範。此外，由於USB將系統定義成Host、集線器(Hub)、裝置(Device)，如圖2所示，因此在三種速度的測試規範中，會另外再分成Host、Hub、Device的測試。

物理層測試中，所需要的儀器為示波器；表3列出各種速度所需的示波器頻寬。此外，針對一般作業系統的待測物，可以利用USB應用者論壇所提供的USB High-Speed Electrical Test Tool來控制待測物打出特定測試波形，並搭配儀器廠商所提供的自動化測試軟體來進行測試。

在USB 2.0相容性測試規範(CTS)中，可以看到USB 2.0所需要測試規範有下列五大項：

‧	Full/Low Speed Signal Quality
	考慮USB 2.0向下相容的特性，必須對Full/Low Speed進行訊號品質的量測，如眼圖、訊號工作電壓大小等等，以確保訊號符合一致性。
‧	Droop/Drop
	Drop測試是在測量當Host所有下行埠(Downstream Port)全部接上100毫安培或500毫安培負載時，Vbus電壓還能保持在4.75伏特與5.25伏特之間。其測試概念是希望在全負載的狀況下，所有下行埠還能夠提供足夠的Vbus給所有連接裝置，並正常工作。而Droop測試則是模擬動態插拔其中一個負載的狀態，其他下行埠的壓降不會超過330毫伏特(mV)，其目的是避免動態插拔的時候會造成其他下行埠無法正常工作。
‧	Hi-Speed USB 2.0 Test
	包含High Speed眼圖測試，Packet Parameter Timing測試，交握(Handshake)訊號CHIRP Timing、Suspend/Resume/Reset Command Timing測試，以及J/K、SE0_NAK Voltage測試。
‧	Inrush Current Test
	Inrush Current Test主要是透過電流探棒針對熱插拔瞬間所產生的瞬時電流進行量測，其目的在於避免瞬時電流過大，造成USB Port毀損。
‧	Device Receiver Sensitivity Test
	圖3　Host High-Speed Signal Quality 利用樣式產生器(Pattern Generator)來模擬Host，並對預測試的Device發出In Token封包，且觀測待測物回應靈敏度。

Host的測試規範會要求測試一、二、三項，項目一、三會利用眼圖Mask測試來驗證訊號品質，如圖3為Hi-Speed眼圖測試結果。眼圖Mask判定通過(Pass)的條件為訊號不能碰觸到中間六角形的部分。此外，電壓上下限也有規定，不能過高或過低。

圖4　USB 2.0 Test Point

此外，在Packet Parameter Timing測試中，會要求研發人員針對Sync、EOP及Packet Gap等訊號進行時序的量測。J/K、SE0_NAK Voltage測試的部分，則會測試J、K、SE0_NAK等訊號的電壓大小。

Device的測試規範會要求測試一、三、四、五項，與Host不同的是，眼圖的量測會區分成Near-end(TP2)及Far-end(TP3)的測試，其差異是在於待測物本身有沒有包含纜線(Cable)，可以從圖4的部分了解其測試點位置定義與Mask規格的差異。

圖5　Device Receiver Sensitivity

此外，除了上述Host測試中所介紹Droop/Drop測試不用量測外，還要進行湧入電流測試(Inrush Current Test)及裝置接收器靈敏度(Device Receiver Sensitivity)。Inrush Current Test主要是透過電流探棒針對熱插拔瞬間所產生的瞬時電流進行量測，其目的在於避免瞬時電流過大，造成USB埠毀損。

Receiver Sensitivity則是利用Pattern Generator來模擬Host並對待測的Device發出In Token封包，且觀測待測物回應的最小電壓以及不回應的最大電壓，量測待測物回應的最小電壓是為了規範Device接收端的靈敏度。另外，量測不回應的最大電壓，則是為了確保待測物不會對太大的Noise產生回應(圖5)。

USB 3.0物理層測試規範

圖6　USB 3.0互容性模式

相對於USB 2.0繁複的測試規範與測試方式，USB 3.0大量簡化測試規範及測試方式。Host、Device、Hub不像以往USB 2.0一樣有獨立的規範，而是統一所有USB 3.0產品的規範。

在測試方式上，USB 3.0簡化控制待測物發送測試樣式(Pattern)的方式，預先在IC內建立測試模式。如圖6所示，當USB 3.0待測物透過測試治具接上示波器時，由於並不是接上其他USB 3.0產品，所以不會有交握的動作，IC在等待一段時間沒有回應後，就會直接進入互容性模式(Compliance Mode)，待測物本身會開始送出測試Pattern。

圖7　USB 3.0 Ping LFPS

在Compliance Mode模式下，USB 3.0的待測物會開始發送CP0測試Pattern，CP0主要是一個隨機樣式(Random Pattern)，用來進行傳輸端眼圖的測試。須要用CP1 Pattern來測試SSC展頻時脈的參數，CP1為一個時脈(Clock)訊號，可以透過Ping LFPS這個訊號來控制待測物切換下一個Pattern，Ping LFPS這個訊號可以利用Pattern Generator產生(圖7)，或者利用示波器內建的Pattern來取代。

圖8　Physical Layer測試解決方案

在USB 3.0物理層測試中，針對發送端Tx測試及接收端Rx測試，所需要的測試儀器如圖8所示。Tx的測試主要針對的是透過高頻寬示波器(頻寬至少12GHz)來驗證待測物傳輸訊號的能力，包含傳輸訊號De-emphasis的層級(Level)、抖動(Jitter)的大小、眼圖Mask的測試、SSC的測試，以及交握訊號LFPS的電氣特性測試。

Rx的測試則有別於上述USB 2.0只針對Device進行Receiver Sensitivity的測試，改用抖動誤碼分析儀(JBERT)來進行Low Frequency Periodic Signaling RX Test及抖動的容許度(Jitter Tolerance)的測試。此外，相容性測試規範要求所有USB 3.0產品包含Host、Hub、Device都須針對Rx做Low Frequency Periodic Signaling RX Test及Jitter Tolerance測試。下面的內容將會對協會測試項目及概念進行說明。

圖9　USB 3.0 TX Far End Test point

不同於USB 2.0測試點在Connector的概念，USB 3.0要求的是遠端(Far-end)測試點，其測試點位置如圖9所示。其中Reference Cable代表的是USB 3公尺纜線；Reference Test Channel模擬的是印刷電路板Trace線，分別模擬Host 11吋Trace線或Device 5吋Trace線。

換言之，Host的測試需要額外加上USB 3公尺纜線及Device 5吋Trace線的Channel效應；Device的測試須要額外加上USB 3公尺纜線及Host 11吋Trace線的Channel效應。此外，訊號還須經過示波器模擬CTLE處理後再正式進行TX測試。

在TX測試中主要有五項測試要求，包括TD.1.1(Low Frequency Periodic Signaling TX Test)、TD.1.2(Low Frequency Periodic Signaling RX Test)、TD.1.3(Transmitted Eye Test)、TD.1.4(Transmitted SSC Profile Test)、TD.1.5(Receiver Jitter Tolerance Test)。其中TD.1.1、1.3、1.4項為Tx測試，TD.1.2、1.5為Rx測試。

圖10　Low Frequency Periodic Signaling TX Test

TD.1.1 Low Frequency Periodic Signaling TX Test主要是針對USB 3.0一開始傳送的交握訊號進行量測，其訊號是一個低頻的突波(Burst)訊號，USB 3.0 Compliance Test Specification會要求利用示波器抓取前五個突波訊號來進行電氣訊號的測試，例如Differential Output Voltage的測試、Period、Rise/Fall Time及Duty Cycle等常見測試參數(圖10)。

TD.1.2 Low Frequency Periodic Signaling RX Test則是利用抖動誤碼分析儀送出下面四個條件的LFPS訊號，測試待測物是否有無回應，包括「tPeriod 50ns, VTX-DIFF-PP-LFPS 800mV, Duty Cycle 50%」、「tPeriod 50ns, VTX-DIFF-PP-LFPS 1200mV, Duty Cycle 50%」、「tPeriod 50ns, VTX-DIFF-PP-LFPS 1000mV, Duty Cycle 40%」、「tPeriod 50ns, VTX-DIFF-PP-LFPS 1000mV, Duty Cycle 60%」。

圖11　Rx Eye等化與未等化比較

TD.1.3 Transmitted Eye Test的部分，則是利用治具將USB 3.0待測物訊號接到示波器上，利用Embedded S參數的方式得到Far-end的訊號，再經過CTLE補償高頻損失後進行眼圖的量測。如圖11所示，可以看到由於經過Compliance Cable及Reference Cable後，訊號衰減為綠色訊號，在Rx量測的眼圖完全張不開，無法正確判斷0、1位準。但是經過CTLE後，可以發現高頻衰減的部分被補償回來，Rx量測的眼圖又重新張開，能夠正確判斷0、1位準。

圖12　USB 3.0 TX Eye Mask and Jitter Specification

此外，除了Eye Open的量測須符合規範外，還必須量測出待測物經過規範後的Jitter Transfer Function後所殘留的完全抖動(Total Jitter)、隨機性抖動(Random Jitter)、定量性抖動(Deterministic Jitter)有沒有符合圖12的要求。由圖12可以了解規範要求眼高至少需要大於100毫伏特、眼寬至少需大於0.34個UI；而Jitter的部分則是錯誤率定義在10～12的條件下，Total Jitter不超過0.66個UI，且Random Jitter不超過0.23個UI；Deterministic Jitter不超過0.43個UI。相關公式內容為Tj=Dj+Rj。

表4　Spread Spectrum Clock Parameters

TD.1.4 Transmitted SSC Profile Test則是透過控制待測物發送出CP1的連續方波，抓取1,000,000個UI並還原出調變三角波，對三角波進行SSC Modulation Rate與SSC Modulation Frequency的量測，參數規範如表4所示。 利用示波器抓取完1,000,000個UI，可透過軟體還原出調變三角波並進行SSC參數量測(圖13)。

圖13　SSC調變波形及規格說明

TD.1.5 Receiver Jitter Tolerance Test則有別於USB 2.0只針對Device測試Receiver Sensitivity，改採用抖動容許度(Jitter Tolerance)來驗證所有產品包含Host、Hub、Device的接收能力。Jitter Tolerance測試概念是透過抖動誤碼分析儀JBERT Pattern Generator功能編輯出一連串的訓練序列(Training Sequence)讓待測物進入回送模式(Loopback Mode)。進入Loopback Mode的待測物會將Rx接收到的訊號送到IC判讀後，再從發射端Tx送回誤碼分析JBERT Error Detector進行錯誤率比對，USB規範要求的錯誤率需達到10-10。

接下來，利用誤碼分析儀Pattern Generator功能編輯協會規範的Receiver Test Pattern送至接收端Rx。以USB 3.0規範來說，會要求Host Receiver Test Pattern Eye High在經過CTLE等化(Equalization)後為180毫伏特，Device Receiver Test Pattern Eye High在經過CTLE等化後為145毫伏特。

除此之外，在Receiver Test Pattern還須要測試八個不同頻率、大小的週期性抖動(表5)來測試接收端對於抖動的容忍度。可以把SJ Level想成抖動的大小，SJ Frequency部分則是想成抖動的頻率，其概念可以把它想成一個縱向的弦波，會比較容易理解。

在實際進行Receiver Jitter Tolerance量測時，操作的步驟如下：首先確保抖動誤碼分析儀送進待測物Rx的Pattern符合規範，接著令待測物進入Loopback Mode，最後再進行錯誤率對比。

一般來說，會先利用示波器來確保抖動誤碼分析儀輸出的訊號有符合規範，藉由儀器廠商所提供的自動化控制軟體，可以快速進行訊號的校正、Loopback Training Sequence編輯以及最後的錯誤率對比。

圖14 USB 3.0 Rx互容性測試報告

圖14為測試結果，橫軸和縱軸表示SJ的大小與頻率，綠色代表通過測試結果。 此外，軟體還另外提供Jitter Tolerance，在測試過程中，會逐漸加大抖動的大小及加快抖動的頻率，來測試待測物對於抖動的容許極限。其測試報告如圖15所示，黑線的部分為規範所要求的八個抖動點，綠色線為儀器產生抖動上限，紅色部分為待測物承受抖動的極限量測值。

(本文作者任職於浩網)