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USB4.0 Compliance 測(cè)試解析--發(fā)送端測(cè)試篇
來(lái)源:USB4.0 Compliance 測(cè)試解析--發(fā)送端測(cè)試篇
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作者:weizhi1
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發(fā)布時(shí)間: 2023-03-12
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USB全稱(chēng)為通用串行總線（Universal Serial Bus），早在1994年被眾多計(jì)算機(jī)制造商采納，用以解決當(dāng)時(shí)接口不統(tǒng)一的問(wèn)題。在隨后二十多年的時(shí)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(jiǎn)介
USB全稱(chēng)為通用串行總線（Universal Serial Bus），早在1994年被眾多計(jì)算機(jī)制造商采納，用以解決當(dāng)時(shí)接口不統(tǒng)一的問(wèn)題。在隨后二十多年的時(shí)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(jìn)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(jì)算機(jī)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(shí)，通過(guò)交替模式 (ALT mode)支持 DisplayPort、PCIE 等信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。為了避免混淆，Intel將未來(lái)準(zhǔn)備在高端筆記本計(jì)算機(jī)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(cè)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(lái)看USB4.0 在端口上都放上一個(gè)Controller 以便于接口之間的溝通，因此在接下來(lái)的測(cè)試?yán)颿ontroller 將扮演著非常重要角色。
USB4.0 電氣測(cè)試簡(jiǎn)介
USB4.0采用Thunderbolt 3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其電氣測(cè)試也不例外。從物理層電氣信號(hào)質(zhì)量驗(yàn)證角度來(lái)看，USB4.0=TBT4.0=TBT3.0。為了確保高達(dá)20G bps信號(hào)質(zhì)量測(cè)試的精度和一致性，USB4.0采用了許多自TBT 3.0開(kāi)始引入的測(cè)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，USB4.0電氣測(cè)試主要包括以高性能示波器為基礎(chǔ)的發(fā)送端測(cè)試、以誤碼儀為基礎(chǔ)的接收端測(cè)試、以網(wǎng)絡(luò)分析儀為基礎(chǔ)的回波損耗測(cè)試和以通用示波器和萬(wàn)用表為基礎(chǔ)的Sideband信號(hào)測(cè)試。下面我們來(lái)介紹發(fā)送端測(cè)試：
USB4.0 發(fā)送端 (Tx) 測(cè)試
下圖是USB4.0發(fā)送端測(cè)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(cè)試方案類(lèi)似，主要由治具、低損耗相位匹配電纜、實(shí)時(shí)示波器組成。USB4.0發(fā)送端測(cè)試需要一個(gè)USB4.0 Microcontroller (Wilder USB4 controller洽詢克達(dá)科技) ，這樣在控制PC上運(yùn)行USB4ETT軟件(https://www.usb.org/document-library/usb4ett)，通過(guò)控制被測(cè)設(shè)備產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)試碼型RPBS15/PRBS31/SQ128等。
? Software : USB-IF USB4ETT
? Controller : Wilder USB4/TBT4 控制器
治具 : Wilder USB4 測(cè)試治具由于 USB4.0 需要支持有源電纜和無(wú)源電纜兩種應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)的測(cè)試點(diǎn)分別是 TP2 和 TP3，即通俗來(lái)說(shuō)的近端測(cè)試和遠(yuǎn)程測(cè)試。在進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試時(shí)，需要考慮無(wú)源電纜的影響。因?yàn)橐桓鶎?shí)體的無(wú)源電纜很難完整的表征所有最?lèi)毫拥膱?chǎng)景，包括插入損耗、回波損耗、串?dāng)_等，為了保證測(cè)試的一致性和可重復(fù)性，發(fā)動(dòng)端測(cè)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(shí)現(xiàn)參考鏈路的模擬。
同時(shí)，為了保證測(cè)試精度，USB4.0 要求示波器在進(jìn)行信號(hào)擷取前，需要通過(guò)去嵌(De-embedded)的方式去除測(cè)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(cè)試工具）軟件的實(shí)際界面，可透過(guò)USB4 Electrical Test Tool.exe（GUI模式；手動(dòng)控制）或USB4 Electrical Test Tool CLI.exe（命令行界面；自動(dòng)化程控）兩種方式，使被測(cè)設(shè)備產(chǎn)生必要的測(cè)試碼型。
B. Transmitter Preset Calibration
USB4.0信號(hào)為了補(bǔ)償有損鏈路帶來(lái)的損耗，定義了16種發(fā)送端均衡(Preset0~Preset15)。測(cè)試規(guī)范規(guī)定，在進(jìn)行發(fā)送端測(cè)試之前，需要對(duì)每一個(gè)接口的每一對(duì)高速信號(hào)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(cè)體的固件中，作為后續(xù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)。
C. Equalization Calibration
針對(duì)無(wú)源電纜的應(yīng)用場(chǎng)景，USB 的發(fā)送端測(cè)試點(diǎn)在 TP3。示波器在進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量分析前，需要仿真真實(shí)的裝置，引入一個(gè)參考均衡算法，減輕有損電纜對(duì)信號(hào)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(shí)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(cè)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(cè)試結(jié)果。
D. USB4.0 抖動(dòng)分離
為了更好表征高達(dá)20Gbps的USB4.0信號(hào)質(zhì)量，不同于USB3.2僅僅測(cè)試Tj、Rj和Dj三個(gè)抖動(dòng)指標(biāo)，USB4.0定義了嚴(yán)格的TJ、UDJ、DDJ、LPUDJ、DCD等抖動(dòng)指標(biāo)，并且對(duì)每個(gè)指標(biāo)如何做抖動(dòng)分離、如何測(cè)量做了詳細(xì)的規(guī)定。
USB4.0標(biāo)準(zhǔn)定義了非常詳細(xì)、復(fù)雜的發(fā)送端測(cè)試要求，需要對(duì)每個(gè)Type-C口、每一條lane、每一種速率下的信號(hào)做Preset Calibration、Equalization Calibration；然后以此為基礎(chǔ)，測(cè)試所有抖動(dòng)(TJ/UDJ/DDJ/LPUDJ/DCD)、眼圖、上升時(shí)間/下降時(shí)間、SSC等指標(biāo)；并且每個(gè)測(cè)試都伴隨著測(cè)試碼型的切換。如果用手動(dòng)方式，做一次完整的測(cè)試，這幾乎是不可能的任務(wù)。德科技D9040USBC一致性測(cè)試軟件完美地解決了整個(gè)問(wèn)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(cè)試軟件就可以利用USB4ETT command line interface，通過(guò)USB4.0 Microcontroller在捕獲/分析完所需的信號(hào)后，控制被測(cè)體產(chǎn)生下一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目所需的測(cè)試碼型。從而形成一個(gè)死循環(huán)的全自動(dòng)化測(cè)試解決方案。
結(jié)語(yǔ)
USB4.0 傳輸端(Tx)測(cè)試相當(dāng)煩雜大部分工程師會(huì)藉由儀器商所推出的自動(dòng)化測(cè)試方案來(lái)減低測(cè)試時(shí)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(wú)論使用哪個(gè)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(xiàng)測(cè)試模式及夾具；并與各大儀器商Keysight / Tektronix / Teledyne LeCroy / Anritsu 完成自動(dòng)化測(cè)試軟件的整合并完美適配。
Rx 測(cè)試
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