USB3.0/3.1信号完整性分析仿真

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一、USB3.0和USB3.1的区别

二、USB3.0/3.1传输架构

九、使用SYSTEM SI USB3.0 Compliance建立仿真通路

十、USB3.0新建工程模板

十一、如何SYSTEM SI USB3.0 Compliance建立仿真通路

十二、USB3.0 互连通路模型参数设置TX模型

十三、USB 3.0的互连通路模型参数设置RX设置

十四、USB3.0 分析项目合规检查项目设置

一、USB3.0和USB3.1的区别

• 1.USB3.0 Gen1的全称是“Generation”意为"一代"首先是速度上的区别3.0的速度是5GT/s
3.1是10GT/s可以理解为传输速度翻倍但是实际速度就不是翻倍了因为编码方式的更换实
际有效速度翻了一倍不止。
• 2.编码方式不同。3.0的编码方式是8b/10b也就是每10位数据中只有8位是有效数据剩下2位是编码时额外加入的作用是代替时钟信号线来表示时钟信号用于同步。而3.1的编码方式换成了
128b/132b也就是132位数据中只有4位是无效的这样的编码方式有助于提高效率所以3.0的有效速度是500MB/s而3.1的有效速度达到1.212GB/s而传输速率只是翻倍。
• 3.外观颜色不同。3.1母口和公头的塑料结构的颜色由3.0的蓝色换成蓝绿色这并不是强制的厂商愿意做成红的或者黑的都没什么问题只是一定要注明是3.1Gen.2
• 4.供电能力不同。官方的说法是提高到100瓦至于实际还是得看设备厂商两根细线传输20安培是不现实的提高电压的话还要看设备之间的适配。

二、USB3.0/3.1传输架构

• 1.USB3.0关键信号总共8根一对兼容USB2.0的差分信号2对超高速差分信号分别是发送差分对和接收差分对。
• 2.与USB2.0相比USB3.0协议并未规范USB3.0的线材长度只要信号符合其规范要求都是可以的。查看某知名品牌USB3.0线缆其线缆的最长长度为2m或者3m光纤传输除外。
• 3.USB3.0的线缆和连接器同样是要做差分阻抗的。线缆的差分阻抗要求是90Ω±5Ω。匹配连接器的差分对阻抗要求90Ω±10Ω。
• 4.USB3.0包含信号5VD-D+GNDSSTX+SSTX-
SSRX+SSRX-。D-D+即为USB2.0的信号线遵循USB2.0协议。
• 5.SSTX+和SSTX-为发送通道SSRX+和SSRX-为接收通道。需要注意USB3.0对接时一边的TX接另外一边的RX同UART串口一样。即SSTX+接到SSRX+SSTX接到SSRX-。
• 6.协议规定USB3.0接口理论速度是5Gb/s算上8b/10b的编码方式即只有80%是有效数据另外20%是协议开销换算成Byte那么理论传输速度是500MB/s。再考虑到USB传输的几种方式控制传输中断传输批量传输同步传输。

三、USB3.0等效时钟速率

• 1.USB3.0的数据速率为5G/s其编码方式为NRZ编码等效为一个时钟周期传输2个Bit因此其
SSTX/SSRX通道等效时钟速率为2.5G/s。
• 2.眼图如下可以看出一个bit的周期是200ps 。

四、USB3.0高速耦合电容

• 1.经常我们会看到USB3.0的接口电路中是有串联电容的。这个电容容值在协议中也是有规定的。
• 2.发送端电容是必须要接的容值范围为75nF-265nF之间通常选用100nF电容。
• 3.接收端电容可以选择是否接入如果接入的话电容范围为297nF-363nF通常选用330nF电容。

五、USB3.0眼图测试

• 1.在USB3.0的TX的眼图和抖动测试中测量的是待测试点的眼图和抖动。
• 2.Reference test channel即为参考测试信道在规范中定义了long channel、short channel和3米电缆三种参考测试信道。如果使用long channel或者较长电缆信号到达接收端时衰减比较大眼图已经闭合USB3.0芯片接收端使用了CTLE均衡器对信号进行均衡后信号眼图的质量将大大改善所以要求测试仪器分析出CTLE均衡器处理后信号的眼图和抖动。目前业界常用的是Intel的11英寸背板和3米USB电缆作为参考信道。
• 3.测试眼图需要测试靠近TX近端测量到的眼图通过兼容性信道参考测试信道后测量的眼图可见眼图的张开程度较小抖动较大仿真CTLE均衡后的眼图可见眼高和抖动都得到改善。
• 4.眼图和抖动测试中信号源需要发出特别的测试码型对于眼图测试需要CP0码型扰码的D0.0对于抖动测试需要CP0码流或者CP1码流D10.2前者用于确定性抖动Dj的测量后者用于随机抖动Rj的测量。
• 5.眼高必须从连续的1百万个比特叠加的眼图中测量力科SDA813Zi示波器完成1百万比特的眼图仅需2秒速度是同类示波器的10-50倍以上。抖动为10e-12误码率时抖动的峰峰值即总体抖动Tj

上图靠近TX近端测试的眼图

上图通过兼容性信道后远端眼图

上图通过CTLE均衡后接收端的眼图

六、USB3.0/3.1传输线的常见指标

• 1.为了把5Gbps速率的数据传送较远的距离USB3.0的发送端使用了去加重技术这项测试可
以测量PUT的去加重程度是否满足规范要求要求在-3dB到-4dB之间。测试时DUT发送出CP7
码流CP7码型由50-250个连续的1和50-250个连续的0重复交替组成而且是添加了去加重的信号波形。
• 2.误码与抖动容限测试由于USB3.0的速率高达5Gbps在USB3.0规范中接收机测试成为必测项目。
• 3.差分电压摆幅测试的目的是验证信号峰峰值是否在0.8-1.2V之间。测试中PUT需要发送出测试码型CP8CP8由50-250个连续的1和50-250个连续的0重复交替组成而且消除了去加重其波形相当于50-250分频的时钟。
• 4.在USB3.0 Specification Rev1.0中有要求前者Vtx-ac-cm-pp <=0.1V后者Vtx-dc-cm在0-2.2V之间

七、USB3.0/3.1眼图的仿真方法

• 1.了解USB3.0通路的互连关系解读原理图接口电路和PCB的互连电路。对USB布线的通路及阻抗进行检查和分析。
• 2.使用USB3.0实例文件提取互连线的S参数选择SSRX+,SSRX-,SSTX+,SSTX-,D+,D-组的互连线使用PowerSI,Clarity,3DFEM等工具提起关键网络的S参数。提取S参数以后需要分析S参数的互连特征对S参数的结果开展评价。
• 3.使用SYSTEM SI USB3 Compliance工程向导模型建立USB仿真实例框架在框架BOLCK中带入S参数SPICE模型构建USB3.0互连通路设置仿真参数进行USB3.0的仿真。仿真完成以后利用框架的眼图模板对仿真的USB3.0通路开展仿真的评价及结果评估。
• 4.使用SYSTEM SI USB3 Compliance工程有Gen1和Gen2两个工程向导模板文件。工程模板中有RX_Device&RX_Host,TX_Device&TX_Host共计4个向导模板可以使用向导完成设置。

八、提取USB3.0互连线的S参数

• 1.PowerSI,Clarity,3DFEM中导入需要分析的实例文件导入之后对层叠进行设置铜皮过孔的参数层叠的参数进行设置。材料库的导入和导出文件的参数设置自定义的材料库参数设置。材料库参数的带入和建立损耗和介质材料的设置。
• 2.使能需要分析的USB3.0网络分析信号互连的通路对信号的阻抗参数进行读取。读取分析P/G网络。P/G网络分类只选择使能需要分析的网络。
• 3.设置信号S参数的提取的端口设置MCU的接口电路设置TX和RX信号的PORT生成S参数提取的端口电路DM和DP网络的设置。
• 4.设置仿真提取的参数扫描的频率的范围。USB3.0的速度为5Gbit/s。按照这个速度来设置S参数的提取的范围。
• 5.执行S参数评价提取完成的S参数并且对S参数的文件结果进行保存包括SNP,BNP,CKT都文件等可以生成BBS的模型

九、使用SYSTEM SI USB3.0 Compliance建立仿真通路

• 1.打开System SI软件选择USB3 Compliance工程向导模型建立USB3 仿真实例框架启动新建立工程的设置窗口。填写好工程的名称和选择好位置可以新建好需要设置的内容。
• 2.搭建USB3 的信号仿真模型建立起USB3 信号互连通路模型。使用S参数SPCIE,TXRX模型建立起USB3 的信号互连分析模型。
• 3.带入USB3 信号互连TX发送芯片的激励模型带入RX信号的激励模型带入S参数或者电路
SPCIE的电路模型。
• 4.设置编辑端口。形成信号的互连通路设置。

十、USB3.0新建工程模板

• 1.在弹出的NewWorkspace向导中可以选择USB3工程模板共计有4个工程模板可以选择。
• 2.SuperSpeed_RX_Device是设备接收端RX测试和分析项目框架可以完成USB3.0接口5Gpbs的误码和抖动容限的测试分析该流程模板分析是RX接收为Device设备的时候的信号互连分析结果。
• 3.SuperSpeed_RX_Host是以Host端口接收的测试和对比框架项目分析流程SuperSpeed_TX_Device是以设备为发送端口的对比框架项目分析流程SuperSpeed_TX_Host是以发送端口为Host的发送框架项目分析流程。
• 4.可以按照项目的实际情况在4种模板文件种选择一种符号实际的情况做为分析的框架模板。选择模板文件执行仿真流程。

十一、如何SYSTEM SI USB3.0 Compliance建立仿真通路

• 1.打开System SI软件选择USB 3.0 Compliance工程向导模型建立USB 3.0 仿真实例框架启动新建立工程的设置窗口。填写好工程的名称和选择好位置可以新建好需要设置的内容。
• 2.搭建USB 3.0 的信号仿真模型建立起USB 3.0 信号互连通路模型。使用S参数SPCIE,TXRX模型建立起USB3.0的信号互连分析模型。
• 3.带入USB 3.0 信号互连TX发送芯片的激励模型带入RX信号的激励模型带入S参数或者电路
SPCIE的电路模型。
• 4.设置编辑端口。形成信号的互连通路设置。

十二、USB3.0 互连通路模型参数设置TX模型

• 1.检查USB3.0的互连通路模型参数检查S参数文件或者SPCIE的参数检查S参数的互连完整性检查模型的参数。检查TXRX信号互连的通路是否存在错误。
• 2.双击Spec_TX图标设置发送的IBIS模型。注意IBIS模型是否存在错误检查Pin Mapping中的
Pulldown,Pullup,GND_Clamp确保IBIS文件中有完整的信号和电源的互连回流。
• 3.DiffPin选项卡检查USB3.0的引脚因为USB3.0的激励需要AMI算法模型支持因此在该窗口中需要设置AMI模型对应的amiffe_usb3.dll文件和amiffe_usb3.ami文件。
• 4.USB3.0需要有AMI的模型支持需要在仿真开始之前准备好AMI模型。

• 5.在Connection中设置互连的Block端接互连参数。在弹出的Propery找到Stimulus选型卡中设置时钟的信号激励参数。设置激励源为NRZDataRate为5Gpbs这个就是数据速度。DataPattern设置成Randomdatacoding采用8b10b无延迟时间。不做上升下降时间的设置。
• 6.PRBS是Pseudo Random Binary Sequence的缩写即“伪随机二进制序列”的意思。PRBS码具有“随机”特性是因为在PRBS码流中二进制数“0”和“1”是随机出现的但是它又和真正意义上的随机码不同这种“随机”特性只是局部的即在周期内部“0”和“1”是随机出现的(码流生成函数与初始码确定后码流的顺序也是固定的)但各个周期中的码流却是完全相同的所以我们称其为伪随机码。PRBS码的周期长度与其阶数有关常用的阶数有7、9、11、15、20、23、31也就是我们常说的PRBS7、PRBS9、PRBS11、PRBS15、PRBS20、PRBS23、PRBS31。
• 7.random随机sawtooth三角波USB3.0设置可以采用随机数或者PRBS7做为编码数据队列。
• 8.jitter&Noise抖动和噪声设置sinusoidal用来建立正弦曲线参数Frequency设置抖动的频率Amplitude设置抖动的振幅一般为0.1个UI的时间。Frequency offset设置抖动允许便宜量默认100ppmPPM是百万分之几的意思,百万分之一百就是100/1000000=0.0001=0.01% 。

十三、USB 3.0的互连通路模型参数设置RX设置

• 1.检查USB的互连通路模型参数检查S参数文件或者SPCIE的参数检查S参数的互连完整性检查模型的参数。检查TXRX信号互连的通路是否存在错误。
• 2.双击Device图标设置数据的参数。在Connection中设置互连的Block端接互连参数。jitter&Noise抖动和噪声设置jitter Random Rj用来设置设置随机抖动的接收RMS默认情况下随机抖动在UI的范围内确定性抖动 deterministic jitter (DJ)
• 3.Noise Random Rn 随机噪声