Oszilloskope USB 3.0 auf die Bits geschaut

Fehlerdiagnose und Messtechnik am USB-3.0-Standard
Fehlerdiagnose und Messtechnik am aktuellen USB-3.0-Standard

Jede Erweiterung der USB-Spezifikationen brachte bislang immer -eine Erhöhung der Datenübertragungsrate. Bei Fehlerdiagnosen am aktuellen USB-3.0-Standard muss man deshalb auch die richtige Messtechnik einsetzen. Hier einige praktische Tipps dazu.

Ermöglichte USB 2.0 noch eine max. Datenübertragungsrate von 480 Mbit/s, so sind es mit USB 3.0, auch Super-Speed- (oder SS-) USB genannt, schon 5 Gbit/s, und es zeichnet sich ab, dass sich diese Geschwindigkeitssteigerungen auch in Zukunft fortsetzen. Viele Parameter wie die Übertragungsarten (Bulk, Control, Isochronous und Interrupt) sowie auch das Konzept des „Endpunkts“ (unterschiedliche Übertragungsstrecken-Endpunkte in einem Gerät) wurden dabei von Version zu Version übernommen. Allerdings sind die physikalische Schicht für die Schnittstelle und der Umgang mit den Daten des USB-3.0-Protokolls völlig anders als im USB-2.0-Standard. USB 3.0 ist in seiner Umsetzung eigentlich näher an PCI Express Gen 2 als an dem bekannten USB-2.0-Standard. Da USB 3.0 und PCIe Gen 2 beide 5-Gbit/s- Standards sind und in der physikalischen Übertragung viele Gemeinsamkeiten haben, ist es nicht verwunderlich, dass die Probleme beim Testen der Schnittstellen bei beiden Standards sehr ähnlich gelagert sind. Eine der größten Veränderungen ist im Vergleich zu USB-2.0-Tests, dass bei USB3.0 neben den Sender-Tests auch ein Empfänger-Test vorgeschrieben ist.

Messtechnik muss sich mit entwickeln

Zum Testen der physikalischen Schicht von USB 1.0, 1.1 und 2.0 ist ein Oszillo-skop wie der WaveRunner 6Zi von Teledyne-LeCroy (www.teledyneLecroy.com) ein geeignetes Werkzeug. Es kann neben den Messungen an der physikalischen Schicht auch auf die erfassten Signale triggern und sie decodieren. Für die höheren Datenraten des USB-3.0-Standards ist hingegen ein Oszilloskop mit mindestens 13 GHz Bandbreite erforderlich, wie z.B. ein WaveMaster 8Zi. Natürlich ist ein solches Scope auch in der Lage, die „langsameren“ Versionen des USB zu testen; wenn nötig, kann man damit sogar USB-2.0- und -3.0-Datenströme simultan erfassen und sie gleichzeitig decodieren. Sinnvoll ist es allerdings, bei Untersuchungen auf der Protokollebene einen spezialisierten USB-Protokoll-Analysator wie den Voyager M3i einzusetzen. Er verfügt über USB-3.0-Eingänge, mit denen man sowohl die USB-3.0- als auch die USB-2.0-Signale gleichzeitig erfassen und beide Protokolle parallel auswerten kann.

Herausforderungen beim Receiver-Test

Ein Empfänger-Test (Receiver Test) ist eine besondere Herausforderung bei USB 3.0, da ein Host (z.B. ein Computer) und ein Device (z.B. ein USB-Stick oder eine Kamera) mit zwei unterschiedlichen Takten unabhängig voneinander betrieben werden. Zur Synchronisation zwischen Host und Device werden in die übertragen Daten SKP-Symbole mit eingebettet.

Durch Einfügen (oder Weglassen) von SKP-Symbolen kann jede Seite die Taktrate bei Bedarf anpassen. Doch dadurch (eben die Zugabe bzw. Entfernung von SKP-Symbolen im Datenstrom) sind die gesendeten und empfangenen Daten selbst bei bitfehlerfreier Übertragung nicht identisch. Dies führt dazu, dass bei einem einfachen Datenvergleich, wie ihn ein klassischer BERT (Bit-Error-Messplatz) durchführt, zwangsweise Bitfehler registriert werden.

Für eine korrekte Bitfehlermessung ist daher die Implementation dieser USB-Protokollfunktion im Empfängermessplatz eine wichtige Voraussetzung. Dieser Vorgang ist in Bild 1 dargestellt. Das im PeRT3 (Protokoll-unterstützter Receiver-Tester) von Teledyne-LeCroy verwendete Design ist speziell auf diese Anforderungen optimiert. Der PeRT3 verfügt auch über verschiedene einstellbare Jitterquellen und ermöglicht neben der reinen Bitfehlermessung umfangreiche Jitter-Toleranztests, bei denen die Bitfehlerrate relativ zu einem beaufschlagten Jitter gemessen wird.