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USB4.0 Compliance 測試解析--發(fā)送端測試篇
來源:USB4.0 Compliance 測試解析--發(fā)送端測試篇
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作者:weizhi1
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發(fā)布時間: 2023-03-12
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USB全稱為通用串行總線（Universal Serial Bus），早在1994年被眾多計算機制造商采納，用以解決當(dāng)時接口不統(tǒng)一的問題。在隨后二十多年的時間里，USB技術(shù)不斷發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1到 USB3.2，直到現(xiàn)在最新的USB4.0....
USB4.0 技術(shù)簡介
USB全稱為通用串行總線（Universal Serial Bus），早在1994年被眾多計算機制造商采納，用以解決當(dāng)時接口不統(tǒng)一的問題。在隨后二十多年的時間里，USB技術(shù)不斷發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1到 USB3.2，直到現(xiàn)在最新的USB4.0，標(biāo)準(zhǔn)的演進如下圖所示
USB4.0 直接采用的是 Intel 和 Apple 自2015年在高端筆記本計算機上推出的、基于Type-C接口的「雷電」Thunderbolt 3 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率支持10 Gbps/lane 和 20 Gbps/lane 這兩種速率，選擇性地支持 TBT3-compatible 10.3125 Gbps/lane 和 20.625 Gbps/lane這兩種速率；同時，通過交替模式 (ALT mode)支持 DisplayPort、PCIE 等信號標(biāo)準(zhǔn)。為了避免混淆，Intel將未來準(zhǔn)備在高端筆記本計算機上部署的 Thunderbolt 接口，統(tǒng)一命名為 Thunderbolt 4.0。
USB 4.0 最新的規(guī)范是 2022 年 6 月份發(fā)布的「USB4 Specification Version 1.0 with Errata and ECN through Oct. 15, 2020」；測試規(guī)范是 2022 年 6 月份發(fā)布的「USB4 Electrical Compliance Test Specification V1.03。
從架構(gòu)上來看USB4.0 在端口上都放上一個Controller 以便于接口之間的溝通，因此在接下來的測試里controller 將扮演著非常重要角色。
USB4.0 電氣測試簡介
USB4.0采用Thunderbolt 3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其電氣測試也不例外。從物理層電氣信號質(zhì)量驗證角度來看，USB4.0=TBT4.0=TBT3.0。為了確保高達20G bps信號質(zhì)量測試的精度和一致性，USB4.0采用了許多自TBT 3.0開始引入的測試方法，包括：發(fā)射端預(yù)設(shè)校準(zhǔn)；等化校準(zhǔn)和發(fā)射端回波損耗等。簡單來說，USB4.0電氣測試主要包括以高性能示波器為基礎(chǔ)的發(fā)送端測試、以誤碼儀為基礎(chǔ)的接收端測試、以網(wǎng)絡(luò)分析儀為基礎(chǔ)的回波損耗測試和以通用示波器和萬用表為基礎(chǔ)的Sideband信號測試。下面我們來介紹發(fā)送端測試：
USB4.0 發(fā)送端 (Tx) 測試
下圖是USB4.0發(fā)送端測試的連接示意圖。和其他高速串行總線接口發(fā)送端一致性測試方案類似，主要由治具、低損耗相位匹配電纜、實時示波器組成。USB4.0發(fā)送端測試需要一個USB4.0 Microcontroller (Wilder USB4 controller洽詢克達科技) ，這樣在控制PC上運行USB4ETT軟件(https://www.usb.org/document-library/usb4ett)，通過控制被測設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的測試碼型RPBS15/PRBS31/SQ128等。
? Software : USB-IF USB4ETT
? Controller : Wilder USB4/TBT4 控制器
治具 : Wilder USB4 測試治具由于 USB4.0 需要支持有源電纜和無源電纜兩種應(yīng)用場景，針對的測試點分別是 TP2 和 TP3，即通俗來說的近端測試和遠程測試。在進行遠程測試時，需要考慮無源電纜的影響。因為一根實體的無源電纜很難完整的表征所有最惡劣的場景，包括插入損耗、回波損耗、串?dāng)_等，為了保證測試的一致性和可重復(fù)性，發(fā)動端測試都是用軟件的算法，利用示波器嵌入S參數(shù)/傳遞函數(shù)的方式，實現(xiàn)參考鏈路的模擬。
同時，為了保證測試精度，USB4.0 要求示波器在進行信號擷取前，需要通過去嵌(De-embedded)的方式去除測試電纜的影響。
A. USB-IF USB4ETT 軟件
下圖是USB-IF新推出的USB4ETT（USB4.0電氣測試工具）軟件的實際界面，可透過USB4 Electrical Test Tool.exe（GUI模式；手動控制）或USB4 Electrical Test Tool CLI.exe（命令行界面；自動化程控）兩種方式，使被測設(shè)備產(chǎn)生必要的測試碼型。
B. Transmitter Preset Calibration
USB4.0信號為了補償有損鏈路帶來的損耗，定義了16種發(fā)送端均衡(Preset0~Preset15)。測試規(guī)范規(guī)定，在進行發(fā)送端測試之前，需要對每一個接口的每一對高速信號支持的每一種速率分別做Preset的校準(zhǔn)，選擇能夠提供最小DDJ值的Preset值，將其設(shè)定到被測體的固件中，作為后續(xù)驗證的基礎(chǔ)。
C. Equalization Calibration
針對無源電纜的應(yīng)用場景，USB 的發(fā)送端測試點在 TP3。示波器在進行信號質(zhì)量分析前，需要仿真真實的裝置，引入一個參考均衡算法，減輕有損電纜對信號質(zhì)量的惡化。USB4.0 定義了這種參考均衡算法可以由多種不同的連續(xù)時間線性均衡 (CTLE: Continuous-Time-Linear-Equalizer) 和判斷反饋均衡 (DFE: Decision-Feedback-Equalizer) 組成。在做 TP3 測試前，需要掃描這些組合，找到能提供最大眼圖面積（如果面積相等，參考眼高）的最優(yōu)算法，以此為基礎(chǔ)，得到 TP3 相關(guān)的測試結(jié)果。
D. USB4.0 抖動分離
為了更好表征高達20Gbps的USB4.0信號質(zhì)量，不同于USB3.2僅僅測試Tj、Rj和Dj三個抖動指標(biāo)，USB4.0定義了嚴格的TJ、UDJ、DDJ、LPUDJ、DCD等抖動指標(biāo)，并且對每個指標(biāo)如何做抖動分離、如何測量做了詳細的規(guī)定。
USB4.0標(biāo)準(zhǔn)定義了非常詳細、復(fù)雜的發(fā)送端測試要求，需要對每個Type-C口、每一條lane、每一種速率下的信號做Preset Calibration、Equalization Calibration；然后以此為基礎(chǔ)，測試所有抖動(TJ/UDJ/DDJ/LPUDJ/DCD)、眼圖、上升時間/下降時間、SSC等指標(biāo)；并且每個測試都伴隨著測試碼型的切換。如果用手動方式，做一次完整的測試，這幾乎是不可能的任務(wù)。德科技D9040USBC一致性測試軟件完美地解決了整個問題。
如下所示，可以將示波器作為控制PC，USB-IF的USB4ETT軟件安裝在示波器上，USB4.0 Microcontroller也連在示波器上。這樣D9040USBC一致性測試軟件就可以利用USB4ETT command line interface，通過USB4.0 Microcontroller在捕獲/分析完所需的信號后，控制被測體產(chǎn)生下一個測試項目所需的測試碼型。從而形成一個死循環(huán)的全自動化測試解決方案。
結(jié)語
USB4.0 傳輸端(Tx)測試相當(dāng)煩雜大部分工程師會藉由儀器商所推出的自動化測試方案來減低測試時間, USB-IF 要求使用的Wilder USB4 controller 已與各家儀器商如Keysight / Tektronix / Teledyne LeCroy 完成軟件上的整合因此無論使用哪個品牌 WIlder USB4.0 Controller 都能完美適配。Wilder Technology USB4.0 Microcontroller
USB-IF 指定使用的Wilder USB4 test fixture set 提供了USB4.0 Tx / Rx 所需的各項測試模式及夾具；并與各大儀器商Keysight / Tektronix / Teledyne LeCroy / Anritsu 完成自動化測試軟件的整合并完美適配。
Rx 測試
Return Lose :
Calibration :
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無
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