USB 3.2のコンプライアンステストについて、十分な知識をお持ちですか？クイズに答えて、あなたがコンプライアンス・テストにどれだけ詳しいかを確認してください！
なぜUSB 3.2コンプライアンスは難しい？
(Universal Serial Bus) USBタイプCコネクターは最新のIPhoneが充電のために使うケーブルです。便利さを用いるUSBケーブルではあるが、USBケーブルやUSBを対応する商品をデザインするにあたって製造者が多くの壁に当たります。
この壁を乗り越えるためにEMEAラボラトリー・ディレクターのパスカル・ベルテンが10月4日にローデ・シュワルツのミュンヘンオフィスでオシロスコープ担当シニア・アプリケーション・エンジニアのヨハネス・ガンザートにインタビューしました。 USB3.2トランスミッタ（Tx）とレシーバー（Rx）のデバッグに関する会話や、ローデ・シュワルツ独自のオシロスコープを使ったUSBインタフェースのデバッグ・デモは、何百人もの視聴者に生中継されました。
USB 3.2は多くの課題があります。 そのマルチレーン動作仕様は、新世代のPC、家電製品、ディスプレイ、モバイル・アーキテクチャが要求する、より高いレベルの帯域幅に対応するように設計されているが、10Gbpsの2つのレーン間で前例のないレベルのデータが転送されるため、USBシステム内でクロストークの問題も発生する。
以前のUSBではレシーバーかトランスミッターをテストすれば十分であっただろう。ですが、USB 3.2のテスト仕様ではクロストークの影響の全体像を把握するために製造者が4つ全部のデータレーンをキャプチャする必要があります。これを実現するためにBERTのデュアルレーンは同時に信号を送信する必要があります。4組の信号すべてで性能をバランスさせることは、複数の変数が関係する実世界の条件下で、メーカーがデバイスの性能を正確に把握する唯一の方法である。
テクニカルウェビナーの録画を視聴しましょう: USB 3.2コンプライアンス・テスト
USB 3.0と3.2の違いは?
USB 3.0は2008年に発表され、 USB 3.2は2022に初めて公開されました。今ではUSBコンプライアンスという専門用語は3.0の仕様ではなく、新しい3.2の仕様を示しています。
この二つの仕様に多くのアップデートが導入されました。 特筆すべきは、Gen 1からGen 2へのアップデートにより、データ転送速度が5Gb/秒から10Gb/秒へと倍増したことです。さらに、特にコネクタ部分において、多くの電磁両立性（EMC）の改善が行われました。最も重要なのは、Type-Cのデータ転送速度が10Gb/秒から20Gb/秒に向上したことです。
USB 2.0と3.0の違いは?
USB 3.0の5Gb/秒に対し、USB 2.0は約480Mb/秒の転送速度で動作します。2000年ではUSB 3.0のデータ転送機能は容量が大きいハードドライブやバックアップデータの転送を可能にしたので、すごく効率的でした。USB 2.0から3.0のアップデートによって、コネクターのワイアーの数も4本から9本に増えました。これで速度、帯域幅、出力を向上しました。
USB 3.0ポートの完全な後方互換性は、2.0を含む他のUSBバージョンと動作することを意味します。これは、USB 2.0ドライブを3.0ポートに接続できることを意味するが、ドライブの動作速度はUSB 2.0のものに制限される。デザイン面では、USB 2.0ポートの内部は黒色で、USB 3.0ポートは青色でした。
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USB 3.2 Gen 2はUSB Gen 1と適合してないといけない?
すべてのGen 2 (Super Speed plus)商品はGen 1 (Super Speed)と適合していないといけません。さらに、すべてのUSB 4商品はUSB 3.2 電気テストを通らないといけません。
USB-IFのコンプライアンスを達成するには、電気コンプライアンス以上のものが必要です。メーカーが正式に認定を受けるには、ワークショップに参加するか、GRLの認定テストラボ（ATL）でテストを実施する必要があります。
USB-IF基準に従うUSB 3.2コンプライアンステストの準備
テスト設備の基準
正確にUSB-IFコンプライアンステストを実施するために高性能オシロスコープ (e.g. RTP164) が必要です。USBのオートメーション・ソフトウェアでスムーズに試験を実施することができます。
さらに、パターンジェネレーターが可能で、製品をUSBループバックに強制的に戻すことができる高性能ビットエラーレートテスター（BERT）もレシーバーテストに必要です。
最後に、テストで使われるSMAケーブルがあってるか確認するのも大事です。
設備
以前はUSB-IFからテストに必要な設備が販売されていたが、現在は販売されておりません。 今は製造者はFixture SolutionからGen 1 レガシーコネクターとWilder TechnologiesからGen 1/2 タイプCコネクターを購入しないといけないです。 Fixture solutionは2023年の末Gen 2レガシーコネクターを提供するようになります。
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USB 3.2 Gen 1/2のTxおよびRxのセットアップ構成
USB-IFの仕様は、USB 3.2仕様とECN（Engineering Change Notice）から誕生したものです。この仕様では、TxおよびRx測定とその他の電気パラメータをどのように実行する必要があるかを記載しています。
新しいコンプライアンステストモードのおかげで、USB 3.2のコンプライアンステストがより簡単になったと考える人もいます。テストモードCP0からCP8はGen 1用に定義され、CP9からCP16はGen 2用に定義されています。
最も低い番号のテストモードは、デバイスがテスターに接続された瞬間からアクティブになり、Ping.LFPSが送信されるとインクリメンタルに切り替わります。
テストモードCP0からCP8はGen1用に定義されており、CP9からCP16はGen2用に定義されている。
USB 3.2 Gen 1/2 アップストリーム・セットアップ Tx
USB 3.2 Gen 1/2 upstream setup Tx.
アップストリームポートとは、PC側にも接続可能なデバイスやハブポートのことです。典型的なUSB 3.2 Gen 1/2アップストリームTxテストのセットアップは、測定治具（別名スコープ）とトグル治具で構成されます。後者はDUTにping.LFPS.pingを送信し、システムが次のテストパターンにトグルできるようにするために使用されます。トグルフィクスチャは、DUT がその ping を受信できる限り、特定の要件を満たす必要はありません。しかし、適切な測定フィクスチャを使用することが重要です。
USB 3.2 Gen 1アップストリーム・ロング・チャネルTx測定フィクスチャの全リストを入手する
USB 3.2 Gen 1/2 ダウンストリーム・セットアップ Tx
デバイスはダウンストリームポートに接続され、ダウンストリームポートはAポートまたはCポートのみです。ほとんどの場合、USB 3.2 Gen 1/2 Txテストのセットアップはアップストリームセットアップとまったく同じです。唯一の違いは、DUTに接続された追加のxHCI HSETTツールで、ダウンストリームポートを強制的にTx-Compliance_Modeにし、CPx間の切り替えを可能にします。HSETTは無料のツールで、USB-IFの公式ウェブサイトから入手できます。
USB 3.2 Gen 1/2 downstream setup Tx
フィクスチャーを接続する前に、ダウンストリームポートをテストモードに設定することが重要です。ホストOSがWindowsでない場合、追加のステップが必要になるかもしれません。今日の市場では、ほとんどのホストがテストモードをサポートしていますが、メーカーがテストのこの段階で障害に遭遇することは珍しいことではありません。
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USB 3.2電気的コンプライアンス基準
低周波周期信号パラメータ
テストシステムが適切に設定されていれば、接続されたデバイスは、電源が入ると直ちにPolling.LFPSを送信します。最新のテスト自動化ソフトウェアでは、これらの結果を即座に取得し、デバイスがコンプライアンステストパラメータに合格するか不合格かを判断することができます。
USB 3.2仕様に準拠するデバイスは、以下のUSB 3.2低周波周期信号パラメータを満たす必要があります：
- Vpp >=800mV <= 1.2V
- tPeriod >= 20ns <= 100ns
- tBurst >= 600ns <= 1.4 µs
- tRepeat >= 6µs <= 14 µs
- Rise/Fall time <= 4ns
- Duty cycle >= 40% <= 60%
- AC Common Mode Voltage <= 100mV
スペクトラム拡散クロッキング
スペクトラム拡散クロッキングはUSBコンプライアンスにおいて必須な検査です。 製造者はこの検査をCP1にいくことで得ることができます。ただし、スペクトラム拡散クロッキングは必須のテスト要件であるにもかかわらず、無効にするベンダーもあるため、適切なベンダーを選ぶことが重要です。
Gen 1 アイ・ダイアグラムとジッター測定
他のすべてのテストモードと同様に、トグリングは Rx ペアで Ping.LFPS を送信することによって行われる。アイ・ダイアグラムとジッター・テスト・モードに到達したら、CP0 と CP1 で測定が可能です。このテストは通常、コンプライアンス手順の終盤に行われることに注意してください。準拠デバイスに期待される結果は以下の通りです：
ロング・チャンネルのトランジション・アイ トランジション・アイ
生成されたアイ・ダイアグラムがトップ・レイヤーとボトム・レイヤーが触らない場合はコンプライアンステストに合格したとデバイスは認識します。
ショート・チャンネルのトランジション・アイ トランジション・アイ
ショートチャンネルのアイ・ダイアグラムは通常、長チャンネルに比べてアイの幅が広い。
Gen 1ジッターとアイの合格条件は以下の通り：
- CTLE done in the making of the EYE diagram
- Tj at BER-12 <= 132 ps with CP0 at TP1
- Dj <= 86 ps with CP- at TP1
- Rj <= 3.27 ps with CP1 at TP1 (these days, Rj is no longer a passing requirement, but simply an informative metric)
ロングチャネルの測定では、RTP スコープを通じて USB-IF から適切な S-Parameter が提供されます。さらに、ロングチャネル損失は、使用する USB コネクタのタイプ、アップストリームポートまたはダウンストリームポートによって変わります。
第2世代アイ・ダイアグラムとジッター測定
第 2 世代のアイ・ダイアグラムとジッター測定は、テスト・パターン CP9 と CP10 が配置されただけで、実際には第 1 世代と非常によく似ています。テストモード間の切り替えは、Rx ペアで Ping.LFPS を送信することで行います。
GRLのアドバイス: 正確なアイ・ダイアグラムのために各測定のマージンを見るようにお願いします。
第2世代ジッターとアイの合格：
- Unlike Gen 1, Gen 2 requires both CTLE and DFE equalization to be done during the making of the EYE diagram.
- Tj at BER-12 <= 67.1 ps with CP0 at TP1
- Dj <= 53 ps with CP0 at TP1
- Rj <= 1 ps with CP1 at TP1 (as with Gen 1, Rj is no longer a passing requirement, but simply an informative metric)
ロングチャンネルの測定は、ショートチャンネルのエンドセットアップ測定と同じであることに注意してください。唯一の違いは、RTPスコープがUSB-IFのSパラメータを信号に埋め込むことです。また、キャプティブケーブルやテザーケーブルを持つデバイスを除けば、Gen 1のロングチャンネルには常に同じSパラメータが使用されます。
プリシュートとディエンファシス*（Gen 2のみ）
USB Gen 2 コンプライアンスには、プリシュートとディエンファシスのテスト基準が 1 つ追加されています。これはGen 2にのみ適用され、テストパターンCP13、CP14、CP15を実行する必要があります。テストの結果を見ただけで診断するのは難しいかもしれません。代わりに、テストパターンを切り替えて、差動電圧がどのように変化するかを観察することが推奨されます。
USB Gen 2 pre-shoot and de-emphasis graph.
必要なUSB 3.2トランスミッター・テスト
USB 3.2トランスミッタ自動ソリューションには、CPx間をトグルするためのRTPジェネレータがあります。RTPはセットアップとテストパターンをユーザーにガイドし、最後にレポートを作成します。
タイプCの場合、レシーバーを両方の向きでテストし、製品がDRD（ホスト＆デバイス）の場合は両方のモードをテストすることが重要です。USB 3.2 Gen 1/2X2の場合、すべてのデータレーンをテストする必要があります。最後に正式なUSBフィクスチャー、ケーブルとSMAケーブルを使うようにお願いします。
USB 3.2レシーバー・テスト
USB 3.2レシーバーテストは、ショートチャンネルとロングチャンネルで行われます。ロングチャンネルはスピードとコネクターの種類によって変わります。パターンジェネレーター（PG）は、コンプライアンステストパターンを被試験製品のRxに送信します。
- ジッターの最大レベル
- Rj & Dj (Sj)
- SSC（33KHzダウンスプレッド5000ppm）
- 最低電圧
最初に商品（被試験製品）をループバック状態にします（これはPGが行うことができます）。BERTは、被試験製品がTxで送り返すエラーを読み取ります。USB 3.2 仕様によると、BERT は 10 から 12 の間にあるべきです。DUT が Type-C の場合、すべてのテストは代替 Rx パスで繰り返されます。
USB 3.2 Rxテスト
キャリブレーション
USB 3.2 Rx calibration setup.
USB 3.2レシーバーテストを実行する前に、 DUTに送信されるパターンを校正する必要があります。 これはこれらのパラメーターでショートチャンネルとロングチャンネルどっちも行わないといけないです。
- 電圧スイングおよびディエンファシス（短チャネル用および長チャネル用）
- Rj、SjとTj
計算はSigTestを使ってバックグラウンドで行われるが、長いプロセスなので、自動化が強く推奨されます。自動化された場合でも、校正のリードタイムは4時間です。手作業では数日かかり、多くの校正値を追跡する必要があるため、エラーが発生します。USBケーブルやSMAケーブルを変更するたびに、セットアップを再度校正する必要があることに注意してください。
テスト
Setup for USB 3.2 Rx Testing.
キャリブレーションが終わった後、BERT 内に保存されている値が試験に使用されます。適合試験は、最大許容 Sj で実施されます。
キャリブレーションでは自動化されたテストプロセスが推奨されています。自動化されたプロセスは、被試験対象機をループバックモードに入れます。これを手動で実行するには困難を極め、エラーの増加を招くきます。
コンプライアンスには特に必要ないですが、 製品の振幅とジッター・マージンを特定するための許容範囲テストの実行もやることもおすすめします。 キャリブレーションには約4時間かかるので、やり直しを避けるために、最初から適切なUSBフィクスチャー、ケーブル、SMAケーブルを使用してください。
製品がDRD（ホストとデバイス）の場合、両方のモードをテストし、USB 3.2 Gen 1/2x2の場合はすべてのデータ・レーンをテストすることを忘れないでください。
USB3.2レシーバーのテスト中に発生する一般的な問題
ループバックの失敗
ループバックに失敗した場合、 テストする人はまず、リファレンス製品でセットアップを確認する必要があります。セットアップが間違っていないと確認した場合、 ジッターを無効にするか、ループバック・トレーニング中の振幅を大きくすることで、さらなるトラブルシューティングを行うことができる。 タイプCケーブルが間違ったレーンが選択されたからループバックに入らない場合も少なくありません。ケーブルを裏返したり、 テスター・フィクスチャーのジャンパーでCCラインを適切に設定することによって治ることがほとんどです。
レシーバー耐性テストの失敗 商品がレシーバー耐性テストを失敗してる場合、PHY のイコライザ設定をインプリメンテーション中にRe-Timers または Re-Drivers で調整できます。Txの振幅が大きいと、Rxパスでクロストークが発生する可能性があり、Rxテストが失敗する可能性があります。
レシーバー耐性テストの失敗
商品がレシーバー耐性テストを失敗してる場合、PHY のイコライザ設定をインプリメンテーション中にRe-Timers または Re-Drivers で調整できます。Txの振幅が大きいと、Rxパスでクロストークが発生する可能性があり、Rxテストが失敗する可能性があります。
悪いPCBデザイン
悪いPCBデザインはテストエラーにつながります。多くの場合、トレースが長すぎたり、マッチしないことで起きます。 これが問題が起きないように製造者にとってPCBデザインのルールを守ることが大事です。
USB 3.2レシーバーのテストに関する間違いのリストをご覧ください。
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筆者について
USBテストのエキスパートとして世界的に知られるパスカル・ベルテンは、USB-IFやMIPIアライアンスなどの標準化団体と密接に協力し、新しい仕様の開発に20年以上携わってきました。
