結合數位與射頻技術　USB 3.1裝置量測效率大增

USB最早是用來取代電腦終端機與數據機使用標準低速串列介面。在資料速率只有每秒幾10到幾100KB的年代，裝置設計、測試與實作，都只須用到數位技術。隨著USB標準逐漸演進到3.0版甚至最新出現的3.1版，分別支援SuperSpeed和SuperSpeedPlus的速率，USB可充分滿足使用者對高畫質串流視訊服務和大型檔案即時傳輸的要求。

外接大容量儲存裝置是很好的例子：筆記型電腦與平板電腦已逐漸捨棄機械式硬碟(HDD)，並開始改用固態硬碟(SSD)，但固態硬碟的儲存容量遠遠不及現有的機械式硬碟；企業用戶可接受此一限制，但個人使用者通常須儲存家庭影音檔、解析度愈來愈高的相片，兆位元級(Terabyte)的資料量。定期備份資料不失為一個好方法，但使用外接機械式硬碟進行本機備份與資料儲存，則更快、更簡單，而且成本也比雲端儲存低。

頻寬限制影響處理速度

USB3.1 1.0規格在2013年7月發表，除了2008年11月推出USB3.0規格時所定義的5Gbps傳輸速率外，更導入10Gbps傳輸速率。雖然傳輸速率提高一倍，但由於採用新的資料編碼方式，理論上可達幾乎高出二.五倍的傳輸速率，將頻寬限制納入考量後，實際處理速度預期可達每秒1Gigabyte，相較於USB3.0系統的400Mbps，這無疑是一大躍進。

令人頭痛的是，高速傳輸速率會對其他PC周邊連接裝置產生干擾，例如，無線區域網路(WLAN)轉接器、藍牙(Bluetooth)裝置、無線鍵盤與滑鼠。USB3.1採用新式接頭，具備可將RF洩漏降到最低的增強型電磁干擾(EMI)接觸區，以減少來自USB介面的輻射干擾，並改善對其他RF信號源干擾的耐受性。圖1顯示經過強化的接觸區。

圖1 配備新式EMI接觸區的標準接頭

新式接頭可向後相容於舊款接頭。隨時間推演，所支援的最大連接線長度已經縮短。USB2.0標準定義的連接線最長可達5公尺，USB3.0規格則假設在設計得宜情況下，2~3公尺長的連接線便已足夠，而USB3.1規格則假設1公尺長的連接線已經夠用。

資料傳輸速度攸關眼圖結果

眼圖為評估USB介面品質的主要量測方法。現今的即時示波器，如Keysight Infiniium 90000X系列，具備高頻寬與Picosecond(微微秒)上升時間規格，如使用合適的測試夾具，可立即獲得正確的量測結果。圖2顯示USB3.0和3.1標準所規範的發射器測試要求，亦即須量測至50歐姆單端負載。隨著資料傳輸速率提高，包含時間抖動、振盪器相位雜訊及放大器線性度等主動效應，或是電路板走線(Trace)接頭與連接線內的反射與延遲變異等被動效應，其重要性也隨之節節升高。每一種效應某種程度上都會導致眼圖閉合，使得解調變出現更多不確定性，進而產生傳輸錯誤。

圖2 USB 3.0與3.1的眼圖規格

因此，眼圖是確認裝置是否可正確運作的「健康檢查」指標，但還需其他工具才能夠排除故障並找出問題所在。除了內部產生的效應外，設計工程師還必須檢查裝置對外部輻射的耐受性，並量測可能影響系統其他要件的輻射值。誤碼率(BER)測試可找出傳輸錯誤，並確認USB發射器時脈電路的抖動量。信號源可用來模擬連續波及調變干擾。

另外，還可使用頻譜分析儀及合適的指向型天線來量測輻射干擾。完整的測試可能需將待測裝置放在無回聲的試驗室，以消除其他本地信號源，以筆記型電腦的實體構造為例，其元件與元件間的間距非常短，因此USB介面非常容易遭受來自其他發射器的干擾。使用其他連接埠進行重新配置是方法之一，但最好的方法還是要仰賴完善的設計實作。

為獲致最佳設計，可將USB3.0和3.1的實體層視為RF發射路徑，並使用傳統向量網路分析儀和適當的測試夾具，執行S參數量測，以便掌握接頭與連接線傳輸特性。S參數提供前向與反向傳輸插入損耗，以及前向與反向反射係數(圖3)。

圖3 2埠網路S參數特性

時域反射法可評估PC電路板配置

分析儀可透過標準移除設備效應，產生待測裝置之實際量測值，以達校驗目的。另一種由相符性測試機構用於評估個人電腦(PC)電路板配置、接頭與連接線品質所採用的量測方法，則是使用時域反射法。

Keysight E5071C網路分析儀配備時域反射計(TDR)選項、校驗套件以及狀態檔，已獲准用於裝置相符性測試，並廣受許多測試機構採用，圖4為典型測試結果。在最小眼圖開口下的穩定運作能力，是評估優質接收器的關鍵。為測試早期的接收器實作，將實體層(PHY)強行置入類比回路，其中資料不會經過核心的數位工作階段，而是直接從類比輸入循環至類比輸出。如此一來，受壓的眼圖碼型可在不需要數位核心實作的狀況下回路，正式的相符性要求為協商回路，其中接收器會驅動至全數位回路，誤碼率測試儀(BERT)的受壓眼圖碼型則會傳送至待測裝置(DUT)接收器，經過接收器的所有邏輯區塊，通過核心然後回到發射器，發射器則饋送至錯誤偵測器，在移SKP OS後進行已接收碼型逐位元比較，然後量測誤碼率。相符性測試包含非同步回路要求，亦即接收器必須將其時脈自資料串流中復原，而不是直接從誤碼率測試儀饋送入時脈。

圖4 使用Keysight E5071C ENA Option TDR執行之典型型時域反射法與S參數相符性測試結果。

接收器測試須使用專用的BERT，像是Keysight BERT M8020A，以建立將接收器驅動至回路的順序，並提供執行應力測試所需的校驗後抖動和自動化抖動量測(圖5)。

圖5 使用Keysight J-BERT M8020A執行自動抖動特性分析。

是德科技為各個國際標準組織主要成員，並積極參與數位介面標準制定，包括通用序列匯流排開發者論壇(USB-IF)、插拔測試大會(Plugfest)測試活動、研習營及研討會，因此所開發的產品及解決方案均符合各項新標準的要求，並可滿足市場需求。針對USB標準，是德科技活躍於CabCon、測試規格工作小組和相符性委員會(Compliance Committee)，擁有USB2和USB3測試工具與測試程序說明文件，可為負責審核標準相符性的測試機構提供相關培訓與設備。

(本文作者任職於是德科技)