【技術文章】USB 3.2 Electrical Compliance Test

Granite River Labs, GRL
Wing Tseng 曾威華 

 

          本篇文章我們將介紹 USB 3.2 的物理層(Physical Layer)測試。在物理層測試當中,分為傳送測試(Transmitter)以及接收測試(Receiver)兩大部分;傳送測試可比喻成驗證 USB 產品的說話能力,接收測試則比喻為 USB 產品的聽力,通過測試認證的 USB 產品就應當有著穩定的訊號傳送及接收能力。USB 3.2 在開始傳輸資訊之前,會先使用 LFPS 訊號先行溝通,這種低頻週期訊號可節省產品功耗,所以在物理層的訊號測試也會對 LFPS 訊號進行測試。

 

» USB 3.2 傳送測試(Tx Test)

-LFPS 發送測試

          在 USB 3.2 物理層 CTS(Compliance Test Specification)中,規定使用待測物(DUT)前五個發送的 LFPS Bursts 來做測試,下圖為 SCD1 在示波器上的波型:

GRL, GRL test lab, USB test lab, compliance test, certification test, USB-IF, USB test, USB compliance test, USB4, USB 3.2, USB 3.0, host, device, Compound Device, High Speed, Full Speed, Peripheral, Compound Device, Embedded Host, OTG, On The Go, Plug, Receptacle, USB Legacy, Physical Layer, Transmitter, Receiver, LFPS, USB 3.2 Gen1, USB 3.2 Gen2

圖 1

 

接著將利用擷取到的 LFPS 波型來分析測試,分析項目和規範如下表:

GRL, GRL test lab, USB test lab, compliance test, certification test, USB-IF, USB test, USB compliance test, USB4, USB 3.2, USB 3.0, host, device, Compound Device, High Speed, Full Speed, Peripheral, Compound Device, Embedded Host, OTG, On The Go, Plug, Receptacle, USB Legacy, Physical Layer, Transmitter, Receiver, LFPS, USB 3.2 Gen1, USB 3.2 Gen2

表 1

 

          由規範可發現測試對 LFPS 的 Burst 相關時間長度及上升、下降時間和占空比(Duty Cycle)有所要求,另外在 AC Common Mode Voltage 和 Peak-Peak Differential Output Voltage 對於差分訊號相加或相減之後的規範,代表兩個差分訊號的相位差及電壓大小不可相差太多。

 

» USB 3.2 Gen1 及 Gen2 傳送測試

在此測試中需要將待測物進入 Compliance Mode,此模式共有 17 種 Pattern,整理介紹如表二:

GRL, GRL test lab, USB test lab, compliance test, certification test, USB-IF, USB test, USB compliance test, USB4, USB 3.2, USB 3.0, host, device, Compound Device, High Speed, Full Speed, Peripheral, Compound Device, Embedded Host, OTG, On The Go, Plug, Receptacle, USB Legacy, Physical Layer, Transmitter, Receiver, LFPS, USB 3.2 Gen1, USB 3.2 Gen2

表 2

 

接著我也將測試項目還有其對應的測試波型整理如表三:

GRL, GRL test lab, USB test lab, compliance test, certification test, USB-IF, USB test, USB compliance test, USB4, USB 3.2, USB 3.0, host, device, Compound Device, High Speed, Full Speed, Peripheral, Compound Device, Embedded Host, OTG, On The Go, Plug, Receptacle, USB Legacy, Physical Layer, Transmitter, Receiver, LFPS, USB 3.2 Gen1, USB 3.2 Gen2

表 3

 

眼圖測試代表訊號的基本品質,每一個 Unit Interval 都不壓到 Eye mask 表示發送的訊號能準確的區分邏輯 0 和邏輯 1,電壓大小及抖動量也都有在一定的規範內。眼圖的規範範圍如表四:

測試項目 規範眼高  規範眼寬
Gen1 眼圖 100 mV 無定義
Gen2 眼圖 70 mV 48 ps

表 4

 

附上 USB 3.2 Gen2 的 Long Channel 眼圖如下圖供大家參考:

GRL, GRL test lab, USB test lab, compliance test, certification test, USB-IF, USB test, USB compliance test, USB4, USB 3.2, USB 3.0, host, device, Compound Device, High Speed, Full Speed, Peripheral, Compound Device, Embedded Host, OTG, On The Go, Plug, Receptacle, USB Legacy, Physical Layer, Transmitter, Receiver, LFPS, USB 3.2 Gen1, USB 3.2 Gen2

圖 2

 

Gen2 的 Tx EQ 測試代表了 USB 晶片發送訊號的 EQ 調整量要在規範範圍表五之內:

測試項目 規範
De-Emphasis -4.1 dB 〜 -2.1 dB
Pre-shoot 1.2 dB 〜 3.2 dB

表 5

 

          最後是 SSC 測試,在目前越來越高速傳輸的介面會產生電磁干擾(EMI),USB-IF 協會使用了展頻時脈 SSC(Spread Spectrum Clock)的方式來降低傳輸訊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變(Frequency Modulation),對傳輸訊號做一個三角波週期的頻率調變。圖三為 Normal Mode SSC 三角波週期調變範圍。

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圖 3

 

表六為 SSC 測試項目及其規範:

表 6

 

» USB 3.2 接收測試(Rx Test)

-LFPS 接收測試

          此測試只針對 USB 3.2 Gen1 的訊號做測試,測試目的是希望待測物能夠正確的接收到 Link Partner 的 LFPS。測試原理儀器端會發送四種較差的 LFPS 給待測物,若待測物接收到這四種 LFPS 還能夠順利溝通並回傳 TSEQ 則代表通過此測試。下表為測試使用的四種 LFPS:

GRL, GRL test lab, USB test lab, compliance test, certification test, USB-IF, USB test, USB compliance test, USB4, USB 3.2, USB 3.0, host, device, Compound Device, High Speed, Full Speed, Peripheral, Compound Device, Embedded Host, OTG, On The Go, Plug, Receptacle, USB Legacy, Physical Layer, Transmitter, Receiver, LFPS, USB 3.2 Gen1, USB 3.2 Gen2

表 7

 

» USB 3.2 Gen1 及 Gen2 接收測試

          在接收測試中,要使待測物進入 Loopback Mode。在此模式時,USB 產品會回傳收到的訊號,測試目的為 USB 產品在接收訊號上能夠準確判斷 Link Partner 在傳送的訊號,所以測試上儀器會先與待測物溝通進入 Loopback Mode,接著開始發送測試訊號,當中測試訊號會加上一定的抖動頻率及其對應的抖動量給待測物,待測物接收到測試訊號後回傳給誤碼儀(Error Detector),只要小於等於 1 個 Bit Error,表示待測物通過 Rx 測試。

USB 3.2 Gen1 共有 8 個 Sj 測試點,每點測試 3×1010 個 Bits,每點測試時間約為 6 秒鐘,測試點如表八:

GRL, GRL test lab, USB test lab, compliance test, certification test, USB-IF, USB test, USB compliance test, USB4, USB 3.2, USB 3.0, host, device, Compound Device, High Speed, Full Speed, Peripheral, Compound Device, Embedded Host, OTG, On The Go, Plug, Receptacle, USB Legacy, Physical Layer, Transmitter, Receiver, LFPS, USB 3.2 Gen1, USB 3.2 Gen2

表 8

 

USB 3.2 Gen2 共有 9 個 Sj 測試點,每點測試約 1.2×1012個 Bits,每點測試時間約為 2 分鐘,測試點如表九:

GRL, GRL test lab, USB test lab, compliance test, certification test, USB-IF, USB test, USB compliance test, USB4, USB 3.2, USB 3.0, host, device, Compound Device, High Speed, Full Speed, Peripheral, Compound Device, Embedded Host, OTG, On The Go, Plug, Receptacle, USB Legacy, Physical Layer, Transmitter, Receiver, LFPS, USB 3.2 Gen1, USB 3.2 Gen2

表 9

 

最後附上 USB 3.2 Gen2 接收測試的結果如下圖:

GRL, GRL test lab, USB test lab, compliance test, certification test, USB-IF, USB test, USB compliance test, USB4, USB 3.2, USB 3.0, host, device, Compound Device, High Speed, Full Speed, Peripheral, Compound Device, Embedded Host, OTG, On The Go, Plug, Receptacle, USB Legacy, Physical Layer, Transmitter, Receiver, LFPS, USB 3.2 Gen1, USB 3.2 Gen2

圖 4

 

 

參考文獻

  • Universal Serial Bus 3.2 Specification, September 22, 2017
  • Electrical Compliance Test Specification Enhanced SuperSpeed Universal Serial Bus, February 14, 2017

 

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作者
GRL 台灣技術工程師 曾威華 Wing Tseng

擅長 USB、PCIe、SATA 介面測試。GRL 技術文章作者及講師。希望幫助大家順利測試拿到介面 Logo,彼此互相交流共同成長飛翔。

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                         發佈日期 2019/05/20 AN-190503-TW