USB3.0/3.1信号完整性分析仿真

一、USB3.0和USB3.1的区别

二、USB3.0/3.1传输架构

三、USB3.0等效时钟速率

四、USB3.0高速耦合电容

五、USB3.0眼图测试

六、USB3.0/3.1传输线的常见指标

七、USB3.0/3.1眼图的仿真方法

八、提取USB3.0互连线的S参数

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：5V，D-，D+，GND，SSTX+，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CP8，CP8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,TX，RX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,TX，RX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TX，RX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NRZ，DataRate为5Gpbs这个就是数据速度。DataPattern设置成Random，datacoding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100ppm，PPM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TX，RX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