USB 3.1 Gen 2的综合发射器表征

当今消费电子产品中大多数有线设备间通信的基础是通用串行总线或 USB。但重大变化正在进行中：增强型 SuperSpeed-Plus USB3.1 Gen 2 将 SuperSpeed Gen 1 比特率从 5 Gb/s 提高到 10 Gb/s。使用 Gen 2 的 128/132 位编码，与 Gen 1 的 8/10 位编码相比，Gen 2 的有效吞吐量是 Gen 1 的 2.5 倍。

结合 USB 3.1 的颁布，一种新的连接器——USB Type-C——被引入。其 ALT 模式功能使其不仅可以通过同一连接器传输 USB 信号，还可以传输 Thunderbolt、DP 和 MHL 信号。

本文重点介绍如何为下一代 USB 执行发射器表征，举例说明了 Gen 2 所需的仔细测试类型。但请记住，USB 3.1 链路的任何完整表征都需要其他测试系统，包括 EDA 设计仿真工具、BERT 自定义链路训练和接收器测试解决方案，以及用于表征电缆和连接器的网络分析仪。

全链路测试视角

综合发射机表征的第一步不是简单地查看发射机的输出，还要了解在链路末端、接收机内部如何看到信号。这需要了解并整合信号在链路中穿过的所有组件：

• 链路协议• 发射机均衡• 扩频时钟• 兼容通道• 参考接收机

了解和测试这些单独的链路组件的规格有助于深入了解全面的发射机特性。

链接协议

除了支持 USB 3.1 Gen 2 速度外，Type-C 连接器还必须支持 USB 2.0、3.0 和 USB 3.1 Gen 1 速度。USB 2.0 信号通过 D+/D- 线传输，USB 3.0 和 3.1 信号通过 TX 差分对传输(图 1)。

图 1：在 USB 3.1 中，Type-C 连接器的引脚分配了如上所示的信号。

这需要链路合作伙伴声明和协商他们的适当能力。为了实现 10-Gb/s 信令，LTSSM(链路训练状态状态机)必须正确传输和识别 LFPS(低频周期信令)、SCD1/SCD2(超高速能力声明)和 LBPM(基于 LFPS 的 PWM信息)。

在测试期间，BERT 用作链路伙伴，它将 LTSSM 信号发送到被测设备 (DUT) 的接收器输入。来自 DUT TX 的响应随后由发射机合规性分析软件进行分析。对精确的突发时序、间隔和信号质量指标(如上升/下降时间)进行了测试，以确保符合规范要求(表 1)。

表 1：LTSSM 合规性分析软件的典型测试结果。

发射机均衡

随着比特率的提高，需要额外的发射机均衡来抵消信道中的损耗。USB 3.1 Gen 2 指定 3 抽头 FIR 均衡器，具有规范(必需)2.2 ± 1.0 的预冲和 -3.1 ± 1.0 的去加重。为了表征发射机均衡，使用了一致性模式 CP13 到 CP16(表 2)。BERT 或模式发生器用于生成切换 DUT 以输出各种合规模式所需的 ping.LFPS 信号。

表 2：发射器均衡的一致性模式(来自 USB-IF)。

需要对发送器预冲和去加重进行精确实施和表征，以正确补偿 USB 电缆或连接器中的损耗，如表 3所示。

表 3：对符合 DUT 的发射机特性进行适当的预冲和去加重。

扩频时钟

为了降低 EMI，USB 3.1 DUT 始终在启用扩频时钟 (SSC) 的情况下运行。结合链路伙伴之间的独立时钟架构，异步时钟域显着降低了接收器的余量。接收器中的 CDR 在跟踪和抑制低频抖动方面受压摆率限制。因此，必须仔细表征 TX SSC df/dt、调制频率和调制速率，如图 2 所示。

图 2：SSC 调制曲线图。

合规渠道

要测试带有 USB Type-C 到 Type-C 连接器的 10 G 主机，通道一致性必须等于 14.5 dB 的损耗。这种损耗来自主机/Tx Type-C 连接器的输出 (8.5 dB)，包括任何电缆、连接器、适配器和测试夹具 (6 dB)。

传统方法是使用测试夹具、电缆、连接器和可变 ISI 通道的组合来构建完整的硬件兼容通道，以实现所需的损耗。另一种方法是使用具有最高信号完整性和软件嵌入兼容通道的测试夹具。即使 USB Std A 型连接器用于主机，并且主机与设备端的 Std B 或 Micro B 连接器通信，同样的要求也适用。

信号质量测试

一些 TX 测试是在发射机的输出端执行的。然而，许多 TX 测试是在链路末端执行的，并且还包含接收器特性，例如接收器均衡和接收器时钟恢复。

随机抖动 (RJ)、总抖动(TJ，随机加确定性抖动)、眼图宽度和眼图高度等信号质量测量可提供有关链路物理层性能的定量数据。此外，它们通过隔离和分解各种抖动分量，深入了解眼图闭合的根本原因。

与上述发射机均衡测量类似，信号质量测试需要特定的合规模式。通常，进行 RJ 分析需要时钟模式，而 TJ、眼宽和眼高需要 PRBS 模式。

要将兼容的接收器添加到链路，在分析之前将参考 CTLE 和 DFE 应用于波形。类似地，参考时钟恢复也应用于分析之前的波形，以消除 SSC 和其他低频抖动分量。相比之下，在前面讨论的 SSC 分析中，没有执行时钟恢复，我们专注于表征发射机的完整抖动频谱。在信号质量测试中，我们测试了参考接收机恢复时钟、消除低频抖动、均衡和恢复符合最坏情况的信号的能力。期望的结果与表 4中的结果类似，眼图如图 3 所示。

表 4：来自合规 DUT 的信号质量结果。

图 3：最坏情况兼容信号的眼图。

审核编辑：汤梓红