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應用解決方案

USB

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USB 4 電氣一致性測試

總覽

當通過USBType-C?連接器接口進行配置時，USB4在功能上取代USB3.2，同時保留USB2.0總線并行運行。在USB3.2中定義的增強型超高速USB，仍然是USB4結構上的USB數據傳輸的基本架構。 USB4與USB3.2的不同之處在于，USB4是一種面向連接的隧道架構，旨在將多個協議結合到一個物理接口上，從而可以動態地共享USB4Fabric的總速度和性能。USB4允許USB數據傳輸與其他特定于顯示、加載/存儲和主機和主機接口的獨立協議并行操作。此外，USB4通過相同的雙lane、雙單工體系結構，將性能從USB3.2的20Gbps(Gen2x2)擴展到40Gbps(Gen3x2)。

為了兼容上大量的協議，需要使用路由器進行分發。路由器是USB4架構的基本構件。一個路由器將隧道化的協議通信映射到USB4數據包，并通過USB4結構路由數據包。路由器還通過其時間管理單元(TMU)在整個USB4結構中分配和同步時間。


WaveMaster 8 Zi-B Oscilloscopes

LabMaster 10 Zi-A Oscilloscopes

測試設備要求

測試點接入板

為了獲得所需的信號，需要各種測試點接入板。測試點接入板為USB4 typeC連接器上的針腳提供了測試點，以及一種控制DUT的簡單方法。

實時示波器

  • 帶寬：≥21GHz
  • 采樣速率：80GSample/s，至少同時采集2通道
  • 存儲深度：大于50MSample每通道
  • 第一和第二順序時鐘數據恢復功能
  • CTLE和DFE的均衡功能
  • 抖動測量功能
  • 加嵌/去嵌功能
  • 配套高阻探頭

碼型發生器

生成USB4信號，具有多種模式，抖動注入能力。
  • 數據速率：≥20Gbps
  • 數據碼型：PRBS15, PRBS31, 方波
  • 差分振幅范圍：0-2Vpp，10mV步進
  • 20%-80%上升時間：≥10ps
  • 內在抖動：≤400fs RMS
  • 隨機抖動輪廓不小于500MHz
  • 均衡模式
  • 能夠創建符合USB4基本要求的RX CLK開關SSC配置文件
  • 內置一個SJ抖動源


Wilder USB4 Plug and receptacle Test fixtures



MP1900A BERT

測試設備要求

網絡分析儀

  • 用于校準信道特性
  • 雙端口
  • 頻率范圍：1MHz-20GHz
  • 動態范圍：＞50dB
  • 配備時域掃描選件功能
  • 校準去嵌文件達到20GHz

附件

信號源

  • 用于提供共模干擾信號
  • 頻率范圍10MHz-400MHz
  • 輸出功率±15dBm

低插損相位匹配線纜

  • 相位損耗±5°@40GHz
  • 線損＜1.5dB@10GHz

ISI通道

  • 在5GHz和10GHz時，不同的插入損耗為2-10dB。

Pickoff Tee（偏置器）

  • 帶寬至少40GHz

功率分配器

  • 帶寬大于1GHz

隔直器

  • 帶寬至少33GHz
  • 1dB插損40GHz
  • 電容值推薦220nF

USB4有源或無源線

  • 無源線：0.8m(Gen3)、2m(Gen2)
  • 有源線：有e-marked標記

負載終端

  • 50Ω
  • 頻率范圍：DC-20GHz

WavePulser 40iX High-speed Interconnect Analyzer



路由器組件發送端測試

路由器組件發送端一致性測試定義在TP2參考點的“金色”插頭夾具的輸出處和TP3參考點的“金色”插座夾具的輸出處。
TP2-位于連接到路由器組件TX輸出的USBc型插頭上的參考測量點。用作定義路由器組件TX的參考點。
TP3-位于無源電纜遠端USBC型插座輸出端的參考測量點。用作被動安裝的參考點。此時的所有測量均應在應用參考均衡化時進行。
如果不能進行直接測量，則需要進行校準
所有抖動測量都參考平均頻率。
所有的后處理都使用USB4SigTest完成。

USB4 TX一致性測試點定義


USB4 測試連接
測試前，示波器需要進行預熱和校準，使用的四端口線纜必須進行去嵌。

發送端路由器組件使用默認預設進行測試。建議默認預設是使傳輸信號達到最小DDJ的預設。因此需要查找并燒錄該平臺的優化預設。

路由器組件發送端測試

傳輸預設校準

由于高速信號在傳輸過程中容易出現傳輸眼圖閉合情況。USB4 要求使用傳輸均衡裝置。該均衡器衡器的結構是基于一個3個碼型的UI延時器的有限脈沖響應(FIR)濾波器。通過該結構，可根據碼型的前后調整實際發送的波形，即Pre-shoot和去加重。USB4在傳輸過程中設置了PRESET 0 – PRESET 15，共16組PRESET值。PRESET值規定了不同的Preshoot和去加重結果，以及達到相應的pre-shoot和去加重效果應該如何設置三個FIR濾波的值。

路由器組件發送端測試

擴頻時鐘（SSC）測試

下擴范圍測試、下擴速率測試、相位偏移測試、轉換速率測試
       針對擴頻時鐘的測試，USB4與USB3.2類似，均為了保證擴頻時鐘的穩定性。
       擴頻時鐘通過調制，降低時鐘信號在同一個頻率上的頻譜振幅，也進而減少了電磁干擾。SSC的原理類似我們的頻率調制，對傳輸訊號做一個三角波周期的頻率調制。目前USB的SSC均采用下擴頻方式進行調制。好處是不會產生高出預定頻率的時鐘信號。




路由器組件發送端測試

TX頻率變化訓練測量

該測試只有DUT含有re-timer的情況下才需要進行測量。一個USB4鏈路最多可以包含6個re-timer，它們將數據從鏈路的一端轉發到另一端。



路由器組件發送端測試

抖動測試

針對USB4，抖動測試成為USB4電氣一致性測試過程中的一個關鍵部分。其中針對抖動，USB-IF還對其中不同的抖動分量進行了區分和測量要求。這要求示波器具有抖動測量功能。過大的抖動將會造成眼圖閉合，無法滿足區分信號的要求



路由器組件發送端測試

眼圖測試

USB4的眼圖要求比USB3.2進行了放寬。但相對高速度的傳輸對信號質量仍然提出了很高的要求。因此進行眼圖測試是必須的。
眼圖測試要求示波器具有80GSample/s的采樣率，并通過插值的方式，將采樣數據進行x16插值，達到1280GSample/s 的插值。



上升/下降時間測量

在USB4中，信號電平的上升和下降時間也做了一定的要求。過高的上升速率會引入更大的諧波分量，容易產生干擾。因此USB4中規定20%-80%的上升/下降時間不小于10ps。

空閑電壓測試

空閑電壓測試主要針對的是USB通信信道在工作過程中避免產生過大的電壓波動，進而被誤讀為產生的信號。測試時通過捕捉差分信號線的波形VTX-P - VTX-N。空閑電壓的數值應小于20mV

共模電壓測試

由于USB的信息傳輸是基于差分信號線進行傳輸，具有一定的抗共模電壓能力。但是過大的共模電壓會造成端口承受過大的直流電壓而損壞。因此USB4中要求共模電壓測試值＜100mVp-p。測試時計算共模電壓公式為：VAC-CM = (VTX-P + VTX-N )/2




回波損耗測試

隨著高速串行信號的速率不斷提高，信號更像是微波信號。為了保證信號傳輸的穩定性，時域信號已經不能很好地滿足測試要求。因此需要利用網絡分析儀對發射端和接收端的回波損耗進行測試。USB4中，定義了發送端和接收端需要均需進行回波損耗測試，每次測試中都會針對差分回波損耗以及共模回波損耗進行測試。
  


接收端路由器誤碼率測試校準

接收端測試的測試點都定義在TP3‘ 和 TP3處，即USB連接線處和接收端觸點處。假如不能直接進行測量，則需要進行校準。
校準過程中需要使用誤碼儀發生發送碼型、產生抖動，并外接上射頻信號源用于提供共模騷擾。最后通過不同的信道方式連接到示波器上對輸出波形進行校準。在這步里，需要針對數據依賴性抖動、共模電壓輸出、隨機抖動、周期性抖動、總抖動以及輸入眼圖進行校準。將TP3’的結果記錄為case1、TP3結果記錄為case2



接收機誤碼率測試程序

誤碼率測試完成之后，根據測試的連接，選擇case1或者case2進行預設，并按照要求進行測試。
測試過程中會不斷調整周期性抖動的值進行測試，誤碼儀會輸出指定的波形進行測試。如果出現錯誤，則要求不斷增加延長時間，最長測試時間會要求長達700秒內沒有發生錯誤的情況。


在TP3處的接收器誤碼率測試設置

在TP3‘處的接收器誤碼率測試設置

接收機信號頻率變化訓練測試

頻率變化調整針對的是多個re-timer的training效果。為了保證傳輸信號調整的可靠性，因此需要進行接收機頻率變化訓練測試。
在測試前，需要針對TP3和TP3’兩個點位上的SSC進行校準，通過對提取的頻率變化波形進行平均來過濾掉低頻抖動變化。保存下來設置作為時鐘選擇的調整。
之后通過三次調整PRESET值之后，運行BER測試，使用之前校準的SSC，測試10s。假如BER ≤ 1E-6 則測試通過。



SSC設置

接收機多錯誤突發測試

當接收機使用多個位置的DFE（決策反饋均衡器）時，應采取步驟限制在接收到一個或多個正確位后立即重新啟動錯誤突發的概率。由于需要較大的測量窗口，直接測量編碼的誤碼率是不可行的，因此采用了另一種間接方法來驗證預期的性能。因此，為隨機誤差概率和誤差突發重新啟動概率指定目標，以確保編碼的誤碼率假設得到滿足。
該測試僅適用于與USB類型-C連接器最近的接收器re-timer設備。
使用類似BER測試的校準方式，然后連接。
獲得包含一個或多個正確位然后進行錯誤突發重啟的捕獲的概率不應超過5E-7（即平均每200萬錯誤捕獲一次錯誤突發重啟）。

Sideband信號測試

Sideband信號在提供初始通信和設置功能的兩個互聯路由器的USB4端口之間的連接，通過Sideband信道（SBTX/SBRX）進行傳輸。
在與USB4備用模式進行協商后，SBTX/SBRX線路已連接到USBType-C連接器上的SBU1/SBU2。SBTX和SBRX是一個以1MHz波特率工作的UART接口。當存在高速USB4流量時，路由器組件與電纜端或設備附近和電纜端附近之間的本地UART總線應正常工作，使調試和鏈路訓練能夠正常工作。

測試時，使用測試夾具引出SBU1和SBU2以及參考地信號，并使用TF controller進行控制，并使用示波器和萬用表觀察信號并判斷是否符合標準要求




Sideband RX 探測電壓測試

使用測試夾具引出SBU1和SBU2以及參考地信號，并使用TF controller進行控制。并使用直流電源作為sideband發送信號。

測試時，使用3.3V建立起連接，然后將電壓調節至相應的高電平最小值或低電平最大值，觀察是否能保持連接或者連接是否斷開，確認是否滿足范圍

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