啟動USB、SATA、PCIe 3.0認證測試之新紀元

安捷倫資深專案經理 劉宗琪

在高頻信號傳輸技術像是USB 3.0、SATA 3.0，以至於2010年底規格定案的PCI Express 3.0的8Gbps，時脈訊號越來越高，對於訊號傳遞的精準時間與訊號品質也相形嚴苛，因此在高速傳輸介面產品的開發過程中，越來越高頻的訊號量測驗證成為相當大的挑戰。安捷倫資深專案經理劉宗琪先生，從USB 3.0 5Gbps開始到SATA3(6Gbps)以及最高頻PCIe 3.0(8Gbps)，分段作相關認證測試的技術探討...

安捷倫(Agilent)專注於高頻傳輸的物理層(Physical layer)測試，在USB 3.0、SATA、HDMI、PCI Express、Thunderbolt等高速傳輸協會內，都有安捷倫派駐的專家參與其中，藉以追蹤規格制定、協調、溝通與測試驗證。

高頻訊號的量測

劉經理認為，高頻訊號量測可分發送端(TX)、連接線端(Cable)與接收端(RX)三個面向。一般問題多在發送端，當高頻訊號發送出去會有失真的問題，可藉由看訊號的品質、看訊號眼窗(eye window)、訊號抖動量(Jitter)來判讀與修正；Cable端的量測在於阻抗(impendance)的控制、Crosstalk串音效應、Skew訊號歪斜與S訊號參數的修正。

接受端的量測需借助等化器(Equalizer)把失真發散的訊號還原回來，並藉由可控制Jitter抖動量的訊號打入，以Test Mode或BIST Mode來測試對失真訊號的容忍度，接收端再將訊號Loopback出來到外面的量測儀器，由儀器顯示出收發端內部真實接收的情況。

由於量測USB 3.0、SATA、PCIe 3.0等高頻訊號，收發端的測試夾具的連接頭，經常會因為反覆多次的插拔而容易造成故障；現今量測儀器需具備將連接線的S修正參數帶入，使得在任何不同點位量測訊號時都能適度修正，如同以測試夾具夾在該點的情況。

USB 3.0認證測試

USB 3.0規格主要在於SuperSpeed模式下5Gbps的串列傳輸速率。英特爾的USB 3.0平台驗證實驗室(PIL)設立於奧瑞崗州的Hillsboro鎮(Hillsboro，Oregon)，而安捷倫在英特爾的PIL建置TX傳輸端與RX接收端測試設備－DSA91304A與N4903B JBertB。安捷倫對USB 3.0的SuperSpeed傳輸通訊的實體層(PHY)驗證方案，可在TX端裝上安捷倫9000系列示波器、U7243A USB 3.0測試軟體與U7242A測試夾具，連接線端接上E5071C網路分析儀，收發端搭接N4903B J-BERT與N4916A解加強信號轉換器(De-emphasis Signal Converter)，81250A ParBERT與N5990A自動整合測試系統軟體。

USB 3.0的訊號量測，主要站在接收端，以USB 3.0裝置的角度思考。測試儀器要能模擬晶片組發出來的訊號Pattern模式，需要一段長度的FR4 PCB板來模擬Host主控端電路板的長度，主控端晶片線距限制在11英吋內，USB 3.0裝置內PCB板線距則限制在5英吋，並接上3米USB 3.0連接線後再連接到接收端。

量測儀器可以打入最多8組不同的Jitter抖動訊號，來測試接收端對失真訊號的容忍度；接收端再將訊號Loopback出來到外面的量測儀器，由儀器顯示出接收端內部真實接收的情況，訊號Pattern是否跟協會定義的相同。

SATA/SAS的認證測試

SATA的量測設置跟USB 3.0同樣有發送端、連接端與接收端，注意因素也類似。SATA遵循的最新測試規範為UTD(Unified Test Document) v1.4，而全球目前提供SATA相容性驗證機構有美國與台灣皆設有機構的百佳泰(ALLION)、美國Granite Rivers Labs、UNH-IOL(互連實驗室)等。安捷倫提供81134A/N4903B儀器組，搭配N5411B SATA自動整合測試軟體供業界進行SATA訊號量測驗證。

由於SAS訊號達到12Gbps，每一個UI需要83.33ps(pico second；兆分之一秒)，訊號揚升時間最短僅21ps，因此需要頻譜達到28GHz的超高頻量測儀器。安捷倫推薦由頻譜達30GHz的Infiniium 90000X系列示波器，搭配SAS 12G物理層UDA量測定義程式進行。

PCI Express 3.0的認證測試

PCI Express 3.0雖然用到高達8Gbp的超高頻時脈訊號，對於PCIe 3.0這類超高頻訊號量測，目前僅建議用12GHz示波器即可。但是要量測發送端訊號，則還必須借助外接純淨的訊號產生器，例如像安捷倫的81134A/81150A訊號產生器，或E8663D PSG正弦波訊號產生器、N5181A MXG混合訊號產生器。

劉經理解釋PCI Express量測的方式，是連接測試置具PCB板的TP1量測點，以及跟主控晶片發送端到TP1相同距離的TP2、TP3量測點，藉由計算S參數轉換，計算並還原發送端真實的訊號輸出。

至於更艱難的PCIe 3.0接收端(TX)量測，其技術挑戰在於8GT/s已超越一般傳統FR4 PCB的訊號傳輸極限，同時PCIe 3.0採用新的128/130bit編碼機制，迥異於PCIe 1.0/2.0的8/10bit編碼機制，解讀方式也大不相同。

安捷倫提供J-BERT N4903B高效能串列訊號產生器，可產生最高達到14.2Gbps的串列訊號，同時搭配N4916B解加強信號轉換器，經過兩組等化器設備串接與軟體上的修正，把打入接收端之後loopback到儀器而造成衰減失真的訊號完全還原回來，就能完成艱鉅的接收端訊號量測作業。