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USB (Universal Serial Bus)

規格／技術の概要

USBは、USB Implementers Forum（www.usb.org）によって規格管理されているPCと周辺機器を接続するための今日最も普及しているインタフェースの1つです。1台のホスト・コントローラにハブ経由で最大127のUSBデバイスを接続することができます。
USB 2.0の最大データ・レートは480Mbpsですが、飛躍的な大容量化されたフラッシュ・デバイスおよびコンテンツのために必要となった高速転送を実現するために、約10倍高速化した5GbpsのUSB3.0を2008年11月にUSB-IFが制定しました。高速化のために追加された物理層は従来のUSB2.0とはまったく異なり、1本のケーブル内に共存することで、後方互換性を実現しています。USB2.0はNRZIフォーマットにエンコーディングされ、ツイスト・ペア・ケーブルで双方向に伝送されましたが、SATAやPCI Expressと同等のUSB3.0の物理層は、デュアル・シンプレックス（双対単方向伝送）で、SSC（周波数拡散クロッキング）が必須であるなどの違いがあります。AC結合で8B/10B符号化とともにデータ・スクランブルを併用します。5Gbpsを最長3mのシールド・ツイスト・ペア・ケーブルで伝送することでレシーバ端では信号は減衰するためにレシーバ・イコライザを使用します。

課題／要求：設計フェーズ

USB3.0とUSB2.0では物理層が異なることから、まったく違うテストが要求されます。

USB3.0

USB3.0でのユニークな点は、リファレンス・チャンネル（最長伝送路）に接続した状態でのテストが求められ、トランスミッタ・テストではリファレンス・レシーバ・イコライザを併用する必要があることです。レシーバに対しても最長伝送路に接続した状態でのテストが求められます。エラーの検出はチップが内蔵している場合にはLoopback BERTにて、非内蔵の場合には外部のプロトコル・アナライザ等で検出します。前者の場合はオシロスコープにてエラーをデコード表示可能で、信号の接続も簡単です。

トランスミッタ

  • アイ・ダイアグラム・テスト（アイの高さ）
  • BER10-12でのトータル・ジッタ
  • デュアル－ディラック・モデルにおけるランダム・ジッタとデターミニスティック・ジッタ

レシーバ

  • ジッタ耐性テスト

ケーブル

  • 差動挿入損失
  • 差動近端SuperSpeedペア間クロストーク
  • 差動D＋/－SuperSpeedペア間クロストーク（近端、遠端）
  • 差動－コモン・モード変換ジッタ耐性テスト

USB2.0

信号品質テスト（Signal Quality）は、USBテストで最も重要なテストです。このテストにパスすると、その他のほとんどのテストでもパスする可能性が高くなります。信号品質テストの中でも、アイ・ダイアグラム・テストが最も重要となります。パスするということは、しっかりした設計であることを意味します。信号品質には、以下の項目が含まれます。

トランスミッタ

  • アイ・ダイアグラム・テスト
  • 信号レート
  • エンド・オブ・パケット幅
  • クロスオーバ電圧レンジ
  • ジッタ
  • モノトニシティ
  • 立上りおよび立下

レシーバ

  • 感度

ケーブル

  • 差動インピーダンス
  • 伝搬遅延時間
  • スキュー
  • 損失
  • 電圧降下

USBのコンプライアンス・テストは、次の3つのカテゴリに分類されます。

  • 物理レイヤ
  • プロトコル・レイヤ
  • インターオペラビリティ・テスト： プラグフェストまたは第三者機関によるテストが必要。USB3.0に対してのテストは2009年内中はUSB-IFのPlatform Integration Lab （PIL:http://www.usb.org/developers/ssusb/ssusb_pil)にて実施

当社ソリューションの利点

USB2.0

  • 設計マージンを最大にするためには、正確なテスト機器を使用する必要があります。当社のDSA70000Bシリーズ・デジタル・シリアル・アナライザは、高周波数に対してもA-Dコンバータは高い有効ビットを保持し、低ノイズ性、低ジッタ・ノイズ・フロアの優れた信号忠実度を実現しています。
  • DPOJETジッタ／アイ・ダイアグラム解析ソフトウェア用のopt.USB3ではホスト、デバイスのトランスミッタに対するノーマティブおよびインフォマーティブなパス／フェイル測定を実現します。
  • DSA70000Bシリーズ標準搭載のFIRフィルタを使用したチャンネル・エミュレーション機能によりハードウェア・リファレンス・チャンネルを併用する必要がありません。
  • TekExpressによるワンボタン自動測定ソリューションでは設定の読み出しからレポートまでのトランスミッタに対する一連の動作・測定が自動的に実行されます。記憶や勘に頼ったり、また、テストに精通している必要がありません。
  • AWG7122B型任意波形ジェネレータでは、ジッタ、チャンネルおよびSSCのダイレクト・シンセシスにより、他のジェネレータやハードウェア・リファレンス・チャンネルを使用する必要がありません。またLFPSやエレクトリック・アイドル状態もそのまま生成できます。そのため、他の方式に比較して圧倒的にシンプルなシステム構成でレシーバ・テストを実現できます。
  • SerialXpressジッタ生成ソフトウェアでは、複雑なSSCプロファイルによるレシーバのストレス・テストが可能なので、インターオペラビリティでのSSC問題を特定化できます。さらにコンプライアンス・テスト要求以外のジッタ・マージン・テストにも対応します。
  • DSA8200型には業界トップ・クラスの低ノイズTDR測定機能があり、正確で信頼性の高いケーブル・テストが行えます。
  • DSA70000Bシリーズ・オプションの5Gbps シリアル・パターン・トリガ機能はハードウェア・ベースなので、物理層上の間欠的な問題を取りこぼしなく捕捉できます。

レシーバのテスト・ベンチ例（デバイス）
トランスミッタ・レシーバのテスト・ベンチ例（デバイス）
レシーバのテスト・ベンチ（ホスト）
レシーバのテスト・ベンチ例（デバイス）



USB2.0

  • 当社は、USB-IFで規定されているジッタ、アイ・ダイアグラム、モノトニック・エッジ、ドループ・テストなどの信号品質ソリューションとしてTDSUSB2ツールセットを提供しています。また、当社のリアルタイム・オシロスコープ（2.5GHz以上）には、USB信号トラフィックのための十分な周波数帯域とレコード長が装備されています。さらに、このツールセットは波形を表示することができます。トラブルシューティングでは、この波形表示からビット・ポジショニングとタイミングが観測でき、違反ビットを特定することができます。
  • レシーバ・テストでは、AWG5002型またはAWG7102型により、ワーストケースのジッタやノイズを含んだ信号を出力でき、USBレシーバのストレス・テストが行えます。AWGプラットフォームとDTG5000シリーズ・データ・ジェネレータは、共にレシーバのテスト・パターンのための十分に高速なビット・レートと、ストレス・テストのための振幅調整機能を持っています。
  • DSA8200型は業界トップクラスの低ノイズTDR測定システムであり、優れた精度でケーブル・テストが行えるため、USBケーブル／コネクタはトラフィック伝送時にシグナル・インテグリティが低下しません。
チャープ・タイミング・テストのテスト・ベンチ例
高速信号品質のテスト・ベンチ例


レシーバ感度のテスト・ベンチ