USB 3.1 Gen 2的綜合發(fā)射器表征

當(dāng)今消費(fèi)電子產(chǎn)品中大多數(shù)有線設(shè)備間通信的基礎(chǔ)是通用串行總線或 USB。但重大變化正在進(jìn)行中：增強(qiáng)型 SuperSpeed-Plus USB3.1 Gen 2 將 SuperSpeed Gen 1 比特率從 5 Gb/s 提高到 10 Gb/s。使用 Gen 2 的 128/132 位編碼，與 Gen 1 的 8/10 位編碼相比，Gen 2 的有效吞吐量是 Gen 1 的 2.5 倍。

結(jié)合 USB 3.1 的頒布，一種新的連接器——USB Type-C——被引入。其 ALT 模式功能使其不僅可以通過同一連接器傳輸 USB 信號，還可以傳輸 Thunderbolt、DP 和 MHL 信號。

本文重點(diǎn)介紹如何為下一代 USB 執(zhí)行發(fā)射器表征，舉例說明了 Gen 2 所需的仔細(xì)測試類型。但請記住，USB 3.1 鏈路的任何完整表征都需要其他測試系統(tǒng)，包括 EDA 設(shè)計(jì)仿真工具、BERT 自定義鏈路訓(xùn)練和接收器測試解決方案，以及用于表征電纜和連接器的網(wǎng)絡(luò)分析儀。

全鏈路測試視角

綜合發(fā)射機(jī)表征的第一步不是簡單地查看發(fā)射機(jī)的輸出，還要了解在鏈路末端、接收機(jī)內(nèi)部如何看到信號。這需要了解并整合信號在鏈路中穿過的所有組件：

? 鏈路協(xié)議? 發(fā)射機(jī)均衡? 擴(kuò)頻時鐘? 兼容通道? 參考接收機(jī)

了解和測試這些單獨(dú)的鏈路組件的規(guī)格有助于深入了解全面的發(fā)射機(jī)特性。

鏈接協(xié)議

除了支持 USB 3.1 Gen 2 速度外，Type-C 連接器還必須支持 USB 2.0、3.0 和 USB 3.1 Gen 1 速度。USB 2.0 信號通過 D+/D- 線傳輸，USB 3.0 和 3.1 信號通過 TX 差分對傳輸(圖 1)。

圖 1：在 USB 3.1 中，Type-C 連接器的引腳分配了如上所示的信號。

這需要鏈路合作伙伴聲明和協(xié)商他們的適當(dāng)能力。為了實(shí)現(xiàn) 10-Gb/s 信令，LTSSM(鏈路訓(xùn)練狀態(tài)狀態(tài)機(jī))必須正確傳輸和識別 LFPS(低頻周期信令)、SCD1/SCD2(超高速能力聲明)和 LBPM(基于 LFPS 的 PWM信息)。

在測試期間，BERT 用作鏈路伙伴，它將 LTSSM 信號發(fā)送到被測設(shè)備 (DUT) 的接收器輸入。來自 DUT TX 的響應(yīng)隨后由發(fā)射機(jī)合規(guī)性分析軟件進(jìn)行分析。對精確的突發(fā)時序、間隔和信號質(zhì)量指標(biāo)(如上升/下降時間)進(jìn)行了測試，以確保符合規(guī)范要求(表 1)。

表 1：LTSSM 合規(guī)性分析軟件的典型測試結(jié)果。

發(fā)射機(jī)均衡

隨著比特率的提高，需要額外的發(fā)射機(jī)均衡來抵消信道中的損耗。USB 3.1 Gen 2 指定 3 抽頭 FIR 均衡器，具有規(guī)范(必需)2.2 ± 1.0 的預(yù)沖和 -3.1 ± 1.0 的去加重。為了表征發(fā)射機(jī)均衡，使用了一致性模式 CP13 到 CP16(表 2)。BERT 或模式發(fā)生器用于生成切換 DUT 以輸出各種合規(guī)模式所需的 ping.LFPS 信號。

表 2：發(fā)射器均衡的一致性模式(來自 USB-IF)。

需要對發(fā)送器預(yù)沖和去加重進(jìn)行精確實(shí)施和表征，以正確補(bǔ)償 USB 電纜或連接器中的損耗，如表 3所示。

表 3：對符合 DUT 的發(fā)射機(jī)特性進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)沖和去加重。

擴(kuò)頻時鐘

為了降低 EMI，USB 3.1 DUT 始終在啟用擴(kuò)頻時鐘 (SSC) 的情況下運(yùn)行。結(jié)合鏈路伙伴之間的獨(dú)立時鐘架構(gòu)，異步時鐘域顯著降低了接收器的余量。接收器中的 CDR 在跟蹤和抑制低頻抖動方面受壓擺率限制。因此，必須仔細(xì)表征 TX SSC df/dt、調(diào)制頻率和調(diào)制速率，如圖 2 所示。

圖 2：SSC 調(diào)制曲線圖。

合規(guī)渠道

要測試帶有 USB Type-C 到 Type-C 連接器的 10 G 主機(jī)，通道一致性必須等于 14.5 dB 的損耗。這種損耗來自主機(jī)/Tx Type-C 連接器的輸出 (8.5 dB)，包括任何電纜、連接器、適配器和測試夾具 (6 dB)。

傳統(tǒng)方法是使用測試夾具、電纜、連接器和可變 ISI 通道的組合來構(gòu)建完整的硬件兼容通道，以實(shí)現(xiàn)所需的損耗。另一種方法是使用具有最高信號完整性和軟件嵌入兼容通道的測試夾具。即使 USB Std A 型連接器用于主機(jī)，并且主機(jī)與設(shè)備端的 Std B 或 Micro B 連接器通信，同樣的要求也適用。

信號質(zhì)量測試

一些 TX 測試是在發(fā)射機(jī)的輸出端執(zhí)行的。然而，許多 TX 測試是在鏈路末端執(zhí)行的，并且還包含接收器特性，例如接收器均衡和接收器時鐘恢復(fù)。

隨機(jī)抖動 (RJ)、總抖動(TJ，隨機(jī)加確定性抖動)、眼圖寬度和眼圖高度等信號質(zhì)量測量可提供有關(guān)鏈路物理層性能的定量數(shù)據(jù)。此外，它們通過隔離和分解各種抖動分量，深入了解眼圖閉合的根本原因。

與上述發(fā)射機(jī)均衡測量類似，信號質(zhì)量測試需要特定的合規(guī)模式。通常，進(jìn)行 RJ 分析需要時鐘模式，而 TJ、眼寬和眼高需要 PRBS 模式。

要將兼容的接收器添加到鏈路，在分析之前將參考 CTLE 和 DFE 應(yīng)用于波形。類似地，參考時鐘恢復(fù)也應(yīng)用于分析之前的波形，以消除 SSC 和其他低頻抖動分量。相比之下，在前面討論的 SSC 分析中，沒有執(zhí)行時鐘恢復(fù)，我們專注于表征發(fā)射機(jī)的完整抖動頻譜。在信號質(zhì)量測試中，我們測試了參考接收機(jī)恢復(fù)時鐘、消除低頻抖動、均衡和恢復(fù)符合最壞情況的信號的能力。期望的結(jié)果與表 4中的結(jié)果類似，眼圖如圖 3 所示。

表 4：來自合規(guī) DUT 的信號質(zhì)量結(jié)果。