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Nuevos retos para el diseño y las pruebas de USB 3.1 SuperSpeedPlus

Con la revisión 3.x, el diseño y las pruebas de USB han pasado de lo puramente digital a necesitar una combinación de técnicas de diseño digital y de RF. Además del diseño fí­sico de los cables y los conectores, los diseñadores deben tratar de minimizar tanto las emisiones radiadas que pue­den interferir con otros dispositivos como la sensibilidad de sus propios dispositivos ante las señales externas. Las pruebas no se limitan a medir diagramas de ojo tradicionales,  sino que también abarcan el análisis de RF mediante analizadores de espectros, reflectometría en el dominio del tiem­po, caracterización de transmisiones mediante parámetros S y el nuevo requisito de pruebas de receptores en bucle de retorno.

Introducción

La interfaz USB nació para sustituir las interfaces serie de baja velocidad utilizadas en terminales de ordenador y módems de datos. Puesto que sus velocidades eran de decenas o cen­tenas de kilobits por segundo, en su diseño, pruebas e implementación se utilizaban funciones puramente digi­tales. Con la revisión 3.0, y ahora con la 3.1, conocidas como “SuperSpeed” y “SuperSpeedPlus” respectivamen­te, la interfaz USB responde a la de­manda de los usuarios de servicios de transmisión de vídeo de alta definición y transferencia casi instantánea de grandes archivos de datos. El alma­cenamiento masivo externo constituye un ejemplo ilustrativo: el desarrollo de ordenadores portátiles y tabletas tiende hacia el uso de unidades de estado sólido (SSD) en lugar de dis­cos duros mecánicos (HDD), aunque la capacidad de almacenamiento de las SSD es mucho menor que la de los actuales HDD. Si bien los usuarios profesionales no tendrán problemas con esta limitación, los usuarios per­sonales guardan fotografías y vídeos familiares con resoluciones cada vez mayores, lo que se traduce en terab­ytes de datos. Es fundamental realizar copias de seguridad periódicas, lo que resulta mucho más rápido, sencillo y barato con un HDD externo que me­diante almacenamiento en la nube.

La especificación USB 3.1 1.0, pu­blicada en julio de 2013, presentaba una nueva velocidad de señalización de 10 Gbps además de la velocidad de señalización de 5 Gbps definida en la especificación USB 3.0 de noviem­bre de 2008. Aunque la velocidad de señalización se ha duplicado, la velocidad teórica es casi 2,5 veces mayor debido a su nuevo esquema de codificación de datos, del que se espera una velocidad real (teniendo en cuenta la sobrecarga) cercana a 1 gigabyte por segundo: un incremento significativo desde los 400 Mbps de los sistemas USB 3.0.

Las velocidades de señalización altas pueden generar interferencias con otros periféricos de PC, como adaptadores LAN inalámbricos, dispo­sitivos Bluetooth o teclados y ratones inalámbricos. El estándar USB 3.1 pre­ senta nuevos conectores con zonas de contacto EMI mejoradas, diseñadas para minimizar las fugas de RF. Se han mejorado tanto las interferencias radiadas desde la interfaz USB como la sensibilidad a otras fuentes de RF. La Figura 1 muestra las zonas de con­tacto mejoradas.

Los nuevos conectores coinciden físicamente con el diseño anterior para permitir la compatibilidad con versiones existentes. Sin embargo, con el tiempo,  la longitud máxima de cable admitida se ha visto redu­cida. Aunque la especificación USB 2.0 definía cables de hasta 5 metros, la USB 3.0 contempla que, diseña­dos correctamente, los cables de 2-3 metros funcionarán sin problemas mientras que en la especificación USB 3.1 se considera que lo adecuado son cables de 1 metro.

Consideraciones para el diseño y las pruebas

La principal medida utilizada para evaluar la calidad de una interfaz USB es el diagrama de ojo. Los oscilosco­pios en tiempo real, como el Infiniium de la Serie 90000 X de Keysight, pre­sentan especificaciones de amplio ancho de banda y tiempos de subida de picosegundos que facilitan enor­memente las medidas si se utilizan las fijaciones apropiadas. La Figura 2 muestra los requisitos de trans­misor especificados tanto para USB 3.0 como para USB 3.1, que deben medirse en una carga unipolar de 50 ohmios. A medida que aumenta la ve­locidad de señalización, cobran mayor importancia los efectos activos (como el jitter de temporización, el ruido de fase del oscilador y la linealidad del amplificador) y los efectos pasivos (como las reflexiones y las variaciones de retardo en los conectores de traza y los cables de la placa). Todos estos efectos estarán presentes en mayor o menor medida, haciendo que el ojo se cierre y provocando mayor incer­tidumbre en la demodulación y, en consecuencia, errores de transmisión.

Por consiguiente, el diagrama de ojo constituye una forma general de controlar el buen funcionamiento, aunque para identificar y aislar la causa de un mal resultado se necesi­tarán otras herramientas. Además de los efectos generados internamente, los diseñadores deben comprobar la sensibilidad a la radiación externa y medir la radiación susceptible de afec­tar a otros elementos del sistema. La prueba de la tasa de error de bit per­mite detectar errores de transmisión y determinar la cantidad de jitter en la circuitería de reloj del transmisor USB. Pueden utilizarse fuentes de señales para simular interferencias modula­das y de ondas continuas (CW),  y las interferencias radiadas se pueden me­dir con un analizador de espectros y antenas direccionales adecuadas. Para realizar comprobaciones completas, es posible que el dispositivo sometido a prueba tenga que colocarse en una cámara anecoica con el fin de eliminar otras fuentes locales. Dada la estruc­tura física de los ordenadores portá­tiles, hay muy poca distancia entre los componentes, por lo que es bastante probable que una interfaz USB se vea sometida a las interferencias de otros transmisores. Quizá se pueda retocar la configuración utilizando otro puer­to, pero la mejor defensa siempre será un buen diseño.

Y para conseguir el mejor diseño, la capa física de USB 3.0 y USB 3.1 debe considerarse como una ruta de transmisión de RF. Las características de transmisión de los conectores y cables pueden medirse en parámetros S usando analizadores vectoriales de redes tradicionales con las fijaciones apropiadas.

Los parámetros S indican las pér­didas de inserción de transmisión de avance y retroceso, así como los co­eficientes de reflexión de avance y retroceso. Observe la Figura 3 y, para obtener más información, consulte la nota de aplicación 154 de Keysight, “S-parameter Design” (Diseño de parámetros S), con referencia 5952- 1087.

El analizador puede calibrarse usando estándares para eliminar los efectos de la fijación y obtener una medida fiable del dispositivo sometido a prueba. Otro método de medida adoptado por los centros de pruebas de cumplimiento de especificaciones para comprobar el diseño de las pla­cas de PC, así como la calidad de los conectores y los cables, es la reflec­tometría en el dominio del tiempo. El analizador de redes E5071C de Keysight,  con su opción TDR, su kit de calibración y sus archivos de estado ha sido aprobado para la realización de pruebas de cumplimiento de especi­ficaciones de dispositivos, y se utiliza en numerosos centros de pruebas. La Figura 4 muestra un conjunto típico de resultados.

La clave de un buen receptor es su capacidad para funcionar de forma fiable con la mínima apertura de ojo posible. Para comprobar implementa­ciones de receptor tempranas, forzar la capa física (PHY) en un bucle de retorno analógico (en el que los datos no pasarán por la sección digital del núcleo sino que irá directamente de las entradas analógicas a las salidas analógicas) permite realizar un bucle de retorno del patrón de ojo resalta­do sin necesidad de implementar el núcleo digital.

El requisito para la homologación formal será un bucle de retorno ne­gociado, donde el receptor entra en un bucle de retorno digital completo, se envía un patrón de ojo resaltado desde un dispositivo de prueba de la tasa de error de bit (BERT) hasta el receptor del dispositivo sometido a prueba (DUT), pasa por todos los bloques lógicos del receptor a través del núcleo y sale de regreso por el transmisor,  que lo llevará al detector de errores para realizar allí una com­paración bit a bit del patrón recibido (una vez eliminado el conjunto orde­nado skip) y medir la tasa de error. Para la homologación se precisa de un bucle de retorno asíncrono, por lo que el receptor debe recuperar su reloj del flujo de datos, en lugar de recibir un reloj directamente del dis­positivo de prueba de la tasa de error de bit. Para las pruebas de receptores se necesita un BERT especializado, como el BERT de alto rendimiento M8020A de Keysight, que permite crear secuencias para llevar el receptor al bucle de retorno, y ofrece medidas de jitter calibrado y automatizado para pruebas de esfuerzo.

Resumen

Keysight envía representantes y participa en las reuniones, pruebas de interoperabilidad de dispositivos, talleres y seminarios de normaliza­ción que establecen los estándares para interfaces digitales, incluyendo el USB Implementers Forum (USB-IF), por lo que sus productos y solucio­nes estarán disponibles siempre que los necesite. La compañía también participa de forma activa en CabCon, los Grupos de trabajo de especifica­ciones de pruebas y el Comité de ho­mologación,  posee las herramientas USB2 y 3 y la documentación de los procedimientos de prueba, y ofrece formación y equipamiento para los centros de pruebas de conformidad. Keysight le ofrece las herramientas necesarias para que su empresa apli­que las especificaciones USB 3.1 a los productos.




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