W niniejszym artykule została szczegółowo omówiona procedura testów z maską, opisana w dokumencie Universal Bus Specification System. Badanie przeprowadzono z użyciem oscyloskopu cyfrowego R&S RTO. Testy z maską, znane również jako testy wykresów oczkowych, są w wymienionym dokumencie zdefiniowane jako część testów elektrycznych w trybie szybkim (HS – high speed) przy częstotliwości 480 Mbit/s. Do analizy wykresów oczkowych otrzymanych z użyciem oscyloskopu RTO użyto oficjalnego narzędzia Electrical Test Tool zalecanego przez USB Implementers Forum (USB-IF).

1. Wprowadzenie

Informacja:

Firma Rohde & Schwarz ma w ofercie również narzędzie do automatycznego testowania zgodności USB 2.0 w postaci rozszerzenia RTO-K21. W połączeniu z dedykowaną płytką testową RT-ZF1 stanowi ono szybkie i proste w konfiguracji narzędzie do testowania zgodności według wytycznych programu zgodności USB-IF.

1.1. Omówienie testów jakości sygnału (SQ) USB 2.0

Specyfikacja łącza USB w wersji 2.0 opisuje trzy różne prędkości transferu danych:

• Niska prędkość (Low Speed – LS) 1,5 Mbit/s (USB 1.0)
• Pełna prędkość (Full Speed – FS) 12 Mbit/s (USB 1.1)
• Wysoka prędkość (High Speed – HS) 480 Mbit/s (USB 2.0)

Dla każdej z prędkości istnieją osobne testy. Warunki testów dla wysokiej prędkości są wymienione w dokumencie USB-IF USB 2.0 Electrical Test Specification, a oto skrócony opis:

• Testy nadajników
• Szybkość transferu 480 Mbit/s z tolerancją 0,05%
• Zgodność z różnymi szablonami testów z maską
• Czasy narastania i opadania większe, niż 500 ps
• Monotoniczna zmiana stanu podczas braku transmisji
• Napięcie wyjściowe 400 mV z tolerancją ±10%, gdy D+ lud D– jest wysterowane stanem wysokim
• Napięcie wyjściowe 0 V ±10 mV, gdy D+ lub D– nie jest wysterowane
• Impedancja wyjścia różnicowego równa 90 Ω z tolerancją ±10%

Testy nadajnika należy przeprowadzić przy użyciu szybkiego oscyloskopu o paśmie przynajmniej 2 GHz.

• Testy odbiornika
• Szybkość transferu 480 Mbit/s z  tolerancją 0,05%
• Zgodność z różnymi szablonami testów z maską
• Niezawodny odbiór danych w obecności składowej wspólnej napięcia w zakresie od 0,50 mV do 500 mV
• Implementacja detektora obwiedni, który nie przyjmuje pakietów (squelch), gdy napięcie różnicowe na odbiorniku spadnie poniżej 100 mV
• Implementacja detektora obwiedni, który gwarantuje poprawne odbieranie pakietów, gdy napięcie różnicowe na odbiorniku jest większe, niż 150 mV
• Detektor obwiedni transmisji musi być wystarczająco szybki, aby odbiornik HS wykrył transmisję danych, ustabilizował pętlę opóźniającą (DLL) i wykrył koniec pola SYNC w czasie trwania 12 bitów

Podczas testu generatora należy zagwarantować, aby generator dostarczał określonych sygnałów testowych o odpowiedniej amplitudzie do badanego urządzenia USB.

Testy z maską są wymagane jedynie w trybie wysokiej szybkości. W punkcie 7.1.2.2 specyfikacji USB 2.0 znajdują się definicje kilku masek przeznaczonych dla trybu HS. Pokazano tam również, jak można zrealizować te testy z użyciem RTO.

1.2. Podstawy wykresów oczkowych i testów z maską

Wykresy oczkowe służą do oceny jakości sygnału w dziedzinie czasu. W tym celu strumień danych jest próbkowany i dzielony na fragmenty odpowiadające pojedynczym bitom lub symbolom, jak pokazano na rysunku 1. Przebiegi poszczególnych bitów są nakładane na jeden wykres, tworząc tzw. wykres oczkowy. W ten sposób można łatwo ocenić takie parametry, jak rozwartość oczka – amplituda pomniejszona o poziom szumów i spadek napięcia (droop) czy szerokość oczka – czas otwarcia oczka pomniejszony o jitter.

Rys. 1. Przykład podziału sygnału na bity. Badany sygnał (żółty) został podzielony na fragmenty pionowymi czerwonymi liniami. Odstęp między dwiema liniami odpowiada odstępowi jednostkowemu (jednemu bitowi). Wszystkie fragmenty zostały następnie nałożone na siebie, tworząc wykres oczkowy pokazany na rysunku 2

Rys. 2. Przykład wykresu oczkowego z zaznaczoną szerokością oczka i rozwartością oczka (aperture). Niebieski obszar to szablon wymagany przez standard interfejsu

Test polega na porównaniu prześwitu wykresu oczkowego z maską zdefiniowaną przez standard. Żaden z sygnałów nie powinien naruszyć powierzchni maski. W ten sposób łatwo wykryć niespełnienie wymagań.

1.3. Testy z maską nadajnika USB 2.0

W transmisji USB między hostem a urządzeniem USB wyróżnia się dwa typy nadajników, przedstawione na schemacie z rysunku 3:

• Transmisja do urządzenia (downstream mode) – host USB, na przykład komputer PC, wysyła za pośrednictwem portu dane do urządzenia. W tym przypadku testowany jest port USB hosta, a test ten nosi nazwę testu jakości sygnału hosta (HS SQ Test)
• Transmisja do hosta (upstream mode) – urządzenie USB, na przykład pamięć przenośna, wysyła dane do hosta. W tym przypadku testowany jest port USB urządzenia. Test ten jest określany jako test jakości sygnału urządzenia

Rys. 3. Test w kierunku do urządzenia i do hosta

Hub USB to urządzenie, które łączy funkcje hosta i urządzenia docelowego. W takim wypadku należy przetestować porty obu nadajników, co przedstawia schemat z rysunku 4. Test huba z transmisją w kierunku urządzenia jest identyczny w stosunku do testu transmisji w kierunku urządzenia, a test w kierunku hosta taki sam, jak test transmisji urządzenia w kierunku hosta.

Rys. 4. Testy huba USB z transmisją w kierunku do hosta lub do urządzenia