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USB4.0 Compliance 測試解析--發送端測試篇
来源:USB4.0 Compliance 測試解析--發送端測試篇 | 作者:weizhi1 | 发布时间: 2023-03-12 | 437 次浏览 | 分享到:
USB全称为通用串行总线(Universal Serial Bus),早在1994年被众多计算机制造商采纳,用以解决当时接口不统一的问题。在随后二十多年的时间里,USB技术不断发展,标准经历了USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1到 USB3.2,直到现在最新的USB4.0....

USB4.0 技术简介

USB全称为通用串行总线(Universal Serial Bus),早在1994年被众多计算机制造商采纳,用以解决当时接口不统一的问题。在随后二十多年的时间里,USB技术不断发展,标准经历了USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1到 USB3.2,直到现在最新的USB4.0,标准的演进如下图所示


USB4.0 直接采用的是 Intel 和 Apple 自2015年在高端笔记本计算机上推出的、基于Type-C接口的「雷电」Thunderbolt 3 协议标准,数据传输速率支持10 Gbps/lane 和 20 Gbps/lane 这两种速率,选择性地支持 TBT3-compatible 10.3125 Gbps/lane 和 20.625 Gbps/lane这两种速率;同时,通过交替模式 (ALT mode)支持 DisplayPort、PCIE 等信号标准。为了避免混淆,Intel将未来准备在高端笔记本计算机上部署的 Thunderbolt 接口,统一命名为 Thunderbolt 4.0。



USB 4.0 最新的规范是 2022 年 6 月份发布的「USB4 Specification Version 1.0 with Errata and ECN through Oct. 15, 2020」;测试规范是 2022 年 6 月份发布的「USB4 Electrical Compliance Test Specification V1.03。

从架构上来看USB4.0 在端口上都放上一个Controller 以便于接口之间的沟通,因此在接下来的测试里controller 将扮演着非常重要角色。

USB4.0 电气测试简介

USB4.0采用Thunderbolt 3协议标准,其电气测试也不例外。从物理层电气信号质量验证角度来看,USB4.0=TBT4.0=TBT3.0。为了确保高达20G bps信号质量测试的精度和一致性,USB4.0采用了许多自TBT 3.0开始引入的测试方法,包括:发射端预设校准;等化校准和发射端回波损耗等。

简单来说,USB4.0电气测试主要包括以高性能示波器为基础的发送端测试、以误码仪为基础的接收端测试、以网络分析仪为基础的回波损耗测试和以通用示波器和万用表为基础的Sideband信号测试。下面我们来介绍发送端测试:

USB4.0 发送端 (Tx) 测试

下图是USB4.0发送端测试的连接示意图。和其他高速串行总线接口发送端一致性测试方案类似,主要由治具、低损耗相位匹配电缆、实时示波器组成。

USB4.0发送端测试需要一个USB4.0 Microcontroller (Wilder USB4 controller洽询克达科技) ,这样在控制PC上运行USB4ETT软件(https://www.usb.org/document-library/usb4ett),通过控制被测设备产生相应的测试码型RPBS15/PRBS31/SQ128等。
   •   Software : USB-IF USB4ETT
   •   Controller : Wilder USB4/TBT4 控制器
治具 : Wilder USB4 测试治具

由于 USB4.0 需要支持有源电缆和无源电缆两种应用场景,针对的测试点分别是 TP2 和 TP3,即通俗来说的近端测试和远程测试。在进行远程测试时,需要考虑无源电缆的影响。因为一根实体的无源电缆很难完整的表征所有最恶劣的场景,包括插入损耗、回波损耗、串扰等,为了保证测试的一致性和可重复性,发动端测试都是用软件的算法,利用示波器嵌入S参数/传递函数的方式,实现参考链路的模拟。

同时,为了保证测试精度,USB4.0 要求示波器在进行信号撷取前,需要通过去嵌(De-embedded)的方式去除测试电缆的影响。

A. USB-IF USB4ETT 软件


下图是USB-IF新推出的USB4ETT(USB4.0电气测试工具)软件的实际界面,可透过USB4 Electrical Test Tool.exe(GUI模式;手动控制)或USB4 Electrical Test Tool CLI.exe(命令行界面;自动化程控)两种方式,使被测设备产生必要的测试码型。


B. Transmitter Preset Calibration


USB4.0信号为了补偿有损链路带来的损耗,定义了16种发送端均衡(Preset0~Preset15)。测试规范规定,在进行发送端测试之前,需要对每一个接口的每一对高速信号支持的每一种速率分别做Preset的校准,选择能够提供最小DDJ值的Preset值,将其设定到被测体的固件中,作为后续验证的基础。

C. Equalization Calibration

针对无源电缆的应用场景,USB 的发送端测试点在 TP3。示波器在进行信号质量分析前,需要仿真真实的装置,引入一个参考均衡算法,减轻有损电缆对信号质量的恶化。USB4.0 定义了这种参考均衡算法可以由多种不同的连续时间线性均衡 (CTLE: Continuous-Time-Linear-Equalizer) 和判断反馈均衡 (DFE: Decision-Feedback-Equalizer) 组成。在做 TP3 测试前,需要扫描这些组合,找到能提供最大眼图面积(如果面积相等,参考眼高)的最优算法,以此为基础,得到 TP3 相关的测试结果。

D. USB4.0 抖动分离

为了更好表征高达20Gbps的USB4.0信号质量,不同于USB3.2仅仅测试Tj、Rj和Dj三个抖动指标,USB4.0定义了严格的TJ、UDJ、DDJ、LPUDJ、DCD等抖动指标,并且对每个指标如何做抖动分离、如何测量做了详细的规定。


USB4.0标准定义了非常详细、复杂的发送端测试要求,需要对每个Type-C口、每一条lane、每一种速率下的信号做Preset Calibration、Equalization Calibration;然后以此为基础,测试所有抖动(TJ/UDJ/DDJ/LPUDJ/DCD)、眼图、上升时间/下降时间、SSC等指标;并且每个测试都伴随着测试码型的切换。如果用手动方式,做一次完整的测试,这几乎是不可能的任务。德科技D9040USBC一致性测试软件完美地解决了整个问题。

如下所示,可以将示波器作为控制PC,USB-IF的USB4ETT软件安装在示波器上,USB4.0 Microcontroller也连在示波器上。这样D9040USBC一致性测试软件就可以利用USB4ETT command line interface,通过USB4.0 Microcontroller在捕获/分析完所需的信号后,控制被测体产生下一个测试项目所需的测试码型。从而形成一个死循环的全自动化测试解决方案。

结语

USB4.0 传输端(Tx)测试相当烦杂大部分工程师会藉由仪器商所推出的自动化测试方案来减低测试时间, USB-IF 要求使用的Wilder USB4 controller 已与各家仪器商如Keysight / Tektronix / Teledyne LeCroy 完成软件上的整合因此无论使用哪个品牌 WIlder USB4.0 Controller 都能完美适配。

Wilder Technology USB4.0 Microcontroller

USB-IF 指定使用的Wilder USB4 test fixture set 提供了USB4.0 Tx / Rx 所需的各项测试模式及夹具;并与各大仪器商Keysight / Tektronix / Teledyne LeCroy / Anritsu 完成自动化测试软件的整合并完美适配。


Rx 测试



Return Lose :



Calibration :


2022年末USB-IF 推出新的测试方式将ISI board / Side Band 等相关测试方式进行更新并预期于2023年进行揭露。有鉴于此Wilder 正式推出新版USB4.0 测试治具来符合协会要求,治具种类将高达 13 个种类, 符合新版规格要求的 ISI 规格及 Side Band 所需的专用治具。