根據市調機構In-Stat預計
，USB 3.0的外圍應用出貨量在2011年大約為7000萬部，到了2014年將蓬勃發展並飆破10億部。同時他們也預估在2015年時，筆記本電腦將成為USB 3.0接口的最大載具
，屆時將約有50億個外圍應用可搭載不同形式的USB接口，包含電腦、手機、主機外殼、消費性電子以及影音多媒體等產品。

換(huan)言(yan)之(zhi)，隨(sui)著(zhe)消(xiao)費(fei)性(xing)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)的(de)功(gong)能(neng)特(te)性(xing)不(bu)斷(duan)升(sheng)級(ji)
，市(shi)場(chang)規(gui)模(mo)也(ye)隨(sui)之(zhi)起(qi)舞(wu)與(yu)擴(kuo)張(zhang)，越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)應(ying)用(yong)都(dou)需(xu)要(yao)高(gao)帶(dai)寬(kuan)的(de)傳(chuan)輸(shu)速(su)度(du)來(lai)滿(man)足(zu)消(xiao)費(fei)者(zhe)的(de)使(shi)用(yong)情(qing)境(jing)與(yu)體(ti)驗(yan)

，而(er)USB 3.0即是目前所提出的最佳解決方案之一。除了數據傳輸速度比USB 2.0快上10倍外，更向下兼容目前已廣泛被使用的傳統USB產品，進階後的電源管理係統不但能提高80%的供電率以提升充電效能外，更能以低功耗的狀態執行作業以延長電池的使用時間。In-Stat更指出，Intel推出的Ivy Bridge處理器將首次內建並原生支持USB 3.0功能，再搭配Microsoft新一代操作係統Windows 8的推出，將成為普及USB 3.0的一大動力，也意味著USB 3.0未來全麵滲透市場的無限可能。

圖1：In-Stat針對USB 3.0的預測

不可否認地
，USB技術已然成為鏈接個人電腦/手機與外部設備的規範標準。為了滿足不斷成長的數據帶寬傳輸速度與需求，USB-IF在2008年正式公布了USB 3.0的技術規格

，同時也帶來新的設計/測試的挑戰；在經過4年時間的市場探索與技術磨合，越來越多支持USB3.0產品上市
，大家都期許能有更高速、更節能的USBchanpin。erweiledachengzhexiangjishuguigedezhiliangwendingyuxiaonengbaozhang
，congcujinguifandebiaozhunhuarushou，jianliyitaowanzhengdeceshijiejuefanganjueduishigejiachangshangzaiyanzhenghuotuichuUSB 3.0應用產品的必經之路。因此
，百佳泰特別針對在實際驗證USB 3.0兼容性測試時，比較常遇到的問題跟分析做一些分享，希望可以提供廠商在開發產品時一個參考準則。

USB 3.0的兼容性測試主要分為兩個類別，裝置端（device）與主機端（host）。在裝置端的部分
，必須通過“互操作性測試”（xHCI Interoperability test）的檢驗
，其主要是針對所有USB 3.0的產品架構所作的裝置互操作性測試
，讓各種USB 3.0產品能與其他裝置有效地互通並協同運作，不會因為軟
、硬件版本的不同而失效。在主機端部分，除了作互操作性測試外，還得進行另一項名為“向後兼容測試”（xHCI Backwards compatibility test）的驗證，其測試標的除了整個USB產品架構外
，xHCI controller還必須與現不同的USB產品（known good device）作測試，以確保不同的USB產品在這個主機端上能夠正常的運作。我們可以發現
，USB 3.0的(de)推(tui)出(chu)除(chu)了(le)代(dai)表(biao)速(su)度(du)與(yu)效(xiao)能(neng)的(de)技(ji)術(shu)提(ti)升(sheng)外(wai)，為(wei)了(le)確(que)保(bao)與(yu)前(qian)代(dai)技(ji)術(shu)與(yu)裝(zhuang)置(zhi)的(de)兼(jian)容(rong)性(xing)，類(lei)似(si)的(de)互(hu)操(cao)作(zuo)性(xing)與(yu)向(xiang)後(hou)兼(jian)容(rong)測(ce)試(shi)勢(shi)必(bi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，才(cai)能(neng)讓(rang)原(yuan)本(ben)的(de)USB技術維持零落差的技術條件與使用情境。與USB 2.0測試不同的是，某些測試上的問題肇因是單單發生在USB 3.0測試當中，這也意味著即使USB 2.0已高普及化，但在實際驗證USB 3.0時還是會遇到許多新的難題，值得廠商與我們去一一克服和疑難解答。

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問題一：最低SSC延展幅度不符合規範（±300 PPM）

在Electrical Test的部分，由於USB 3.0的傳輸速率高於USB 2.0有十倍之多， EMI（Electromagnetic interference）的影響也相對嚴重
；因此
，在USB 3.0的規範中加入了SSC（Space Spectrum Clock）技術規範，其目的即是透過SSC來降低EMI所帶來的效應，以確保USB 3.0的訊號質量不會受到影響。在USB 2.0時期，由於屬較低的傳輸速率，受到EMI的幹擾也較輕，因而未將SSC技術納入規範；然而，隨著USB 3.0的高速傳輸能力上升
，間接地越容易受到EMI的幹擾。因此，在USB 3.0的測試規範中，也特別去測試其SSC此技術來驗證電子訊號的質量。

根據SSC技術規範的標準指出，其量測出的triangle訊號圖，其上下展幅為: ±300 ppm(Min)；-3700 ~ -5300 ppm(Max)。我們可以從圖一的案例發現，其最低的展幅為333 ppm，並(bing)不(bu)在(zai)正(zheng)常(chang)規(gui)範(fan)內(nei)。緊(jin)接(jie)著(zhe)，我(wo)們(men)著(zhe)手(shou)進(jin)行(xing)疑(yi)難(nan)解(jie)答(da)的(de)動(dong)作(zuo)，發(fa)現(xian)在(zai)這(zhe)個(ge)情(qing)境(jing)中(zhong)的(de)問(wen)題(ti)肇(zhao)因(yin)即(ji)為(wei)不(bu)正(zheng)確(que)的(de)負(fu)載(zai)電(dian)容(rong)振(zhen)蕩(dang)電(dian)路(lu)的(de)輸(shu)出(chu)頻(pin)率(lv)偏(pian)移(yi)，進(jin)而(er)造(zao)成(cheng)SSC展幅偏移。因此，通過改變負載電容來調整輸出頻率，從16pF調成20pF
，其最低的展頻幅度為204 ppm
，已符合SSC技術規範要求。換言之，其問題肇因即是晶體振蕩電路的電容負載值。

圖2：triangle訊號圖


圖3：最低的展頻幅度為204 ppm

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問題二：LFPS低頻周期信號的振幅不符合規範（800 mV<= X <=1.200mV）

在驗證USB 3.0的過程中，另一項重要的測試LFPS（Low Frequency Periodic Signaling）信號，目的為驗證LFPS在經過一定的傳輸信號長度後
，其衰減值是否仍在規範之內，以確保USB 3.0的傳輸速度與質量。

首先

，根據USB 3.0的規範指出，其LFPS差分訊號的正常範圍應屬800 mV至1200mV之間。在測試我們選用的USB3.0產品時發現，其差分訊號測得604.4mV，並不符合協會規範。因此，我們從訊號的衰減因素著手進行解決方案，發現原因是由訊號複元組件也就是Repeater（Redriver）所造成
，現今許多裝置為了方便消費者使用，外嵌許多USB接口，但不是每個接口都直接建置在主機版上
，為了讓更多的USB接口可以延伸到各個位置
，需要透過額外加的Cable來延長，這時訊號的傳遞就可能受到Chip與接口傳輸距離過長造成訊號質量嚴重衰減。此時透過Repeater可讓原始訊號在經過延長後的傳輸距離後作一個重整與還原的動作
，使訊號維持一定的強度。但Repeater的參數(EX: Gain)若調整不正確
，將會造成錯誤的行為及振幅，而在我們重新更換過Repeater之後
，立即發現如圖四的結果
，其差分訊號下降至1080.4mV並符合協會規範。

這項問題肇因即可說明，如果USB 3.0主機芯片和連接器之間的距離太長
，就會出現訊號幅度明顯衰減的狀況。若為了改善此情況而加入Repeater

，其參數必須調整至一個最適當的值。Repeater所重整還原出來的訊號不一定符合係統或規範要求
，有時候訊號經過Repeater的重整還原之後
，雖然訊號強度得到了補償
；但因參數調整不正確，使其訊號振幅過大超出規範
，所以Repeater的使用需要經過精密的設定與驗證，才能得到最正線的傳輸訊號的穩定質量。

圖4：LFPS低頻周期信號的振幅不符合規範

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問題分享三：從hybrid sleep恢複後，係統會發生重置動作或USB裝置無法續傳

不同於前兩項屬於electrical或硬件端的問題，我們觀察到也有因為軟件設定而導致測試失敗。這次我們用USB協會定義使用的三項USB產品（known good device）來作主機軟件端的兼容性測試時發現，其中一項產品在從睡眠模式（hybrid sleep）中恢複後，會產生係統reset或USB傳輸中斷的狀況。根據協會規範，當USB正在傳輸檔案時，即使進入睡眠模式後再重新啟動


，應要做續傳的動作
，如果發生停止或reset的狀況即為測試失敗。

因此，我們從這個問題肇因可以發現USB傳輸效能與係統供電的關聯性。其他兩項USB產品皆是屬於Self -Power的產品，因此在係統進入hybrid sleep後在重新複蘇啟動OS時，由於產品自我供電的特性，使產品不會因為所連接的Host中斷V_BUS供電而在回到操作係統時做reset的動作，使原本的傳輸中斷。反之
，在這個測試出現失敗的產品中，因為是屬Bus-Power產品，其供電接來自於所連接的Host，因此從hybrid sleep蘇醒時，其產品會因Host供應的V_BUS不足(或中斷)導致來不及在回到操作係統前完成resume的動作，造成reset或中斷傳輸的動作。基本上，我們推測其為產品BIOS的問題，因此在我們更換過產品的BIOS後

，即可解決此供電狀況的問題。特別的是，我們發現現今許多USB產品為了主打省電的功能

，各家的BIOS都不盡相同
；但為符合協會規範，其最低要求是係統從hybrid sleep的狀態恢複時，至少要能來得及反應並啟動OS

，才不會造成其他裝置動作出現中斷或係統發生reset的情況。

圖5：更換過產品的BIOS即可解決

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問題四：USB 3.0兼容性測試時最常遇到的問題之一
，韌體不兼容造成藍屏（BOSD，Blue Screen of Death）狀況

在了解整個問題肇因前，我們得先知道在作USB 3.0測試時，必須手動開啟“Driver Verifier”此指令
，目的為讓這個指令去監視所有gold tree上裝置的運作狀態，這也是協會規範所指定的動作之一。再者，我們在作USB 3.0兼容性測試時，隻要出現藍屏(BSOD)便會判定為測試失敗。根據上述，這個階段的問題肇因即是發生在當待測物裝置在某廠商芯片組的USB 3.0筆記本電腦上時，接著我們再作整個gold tree的兼容性測試時，會不定時的發生藍屏狀況。為了解決此問題，我們發現在開啟Driver Verifier後會有一個預設旗標值（flags），其默認值為“0x7F”
，這會讓USB裝置上的driver與係統controller driver產生衝突情形，因此造成藍屏的現象。而根據與USB協會及AMD討論出來的解決方式，即是把旗標職從“0x7F”改成“0x9ab”，藍屏問題集獲得改善。

一般來說
，獲得越多環境資源的driver理當能正常運作，因此建構這個最低需求環境的Driver Verifier指令，為的就是讓gold tree上所有的device 及controller driver最嚴苛的環境之下，還能夠正常的運作。相反地
，如果driver在這個環境條件下測試會造成藍屏，就代表這個裝置不符合規範；能通過這個最低資源、環境條件的測試，才能確保各產品兼容的完整性。

圖6：USB 3.0兼容性測試時最常遇到的問題之一

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問題分享五：選配的電纜質量也很重要，會間接影響USB影、音輸出質量

我們在作USB 3.0向後兼容測試（backwards test）時，必須全麵檢測gold tree上的所有裝置的兼容性
，例如耳機、鼠標、網絡攝影機或打印機等等。在測試時，我們一樣透過Driver Verifier的動作來讓係統運作條件與鏈接環境保持在最低限度，並藉此觀察gold tree上所有裝置的運作情況。在此發現幾項audio與video質量問題
，例如耳機發生明顯的音頻噪音、網絡攝影機發生明顯的影像延遲或視頻噪聲。而這些裝置在軟、硬件測試方麵皆沒有發生問題，卻在作全麵兼容性時發生問題，因此我們把目光聚焦在cable上。也就是說，不論是測試和一般用途的USB 3.0 cable
，質量的良劣是非常重要的
，如果選配低質量的USB 3.0 cable，會導致錯誤率提高
，造成數據傳輸性能下降
、傳輸的時間不穩定等等狀況。因此，cable的質量會影響影音傳輸，不同廠商的cable也會有不同的結果，如果cable的帶寬被耗盡，就會有噪音出現進而影響質量。

綜合上述
，我們這次的目標雖然是在探討USB 3.0驗證的其中幾個關鍵議題
，但我們也可從中發現

，USB 3.0與USB 2.0除了在傳輸速度有所不同外，在許多的技術深度上也比USB2.0更進階。也就是說，相關USB廠商在開發USB 3.0裝置時
，不能僅秉持過往USB 2.0的技術思維，必須透過更深入的研究、技術資源與精力投入

，才能找出關鍵的技術升級模式和相關問題解決方案，才能讓市麵上所有的USB產品達到兼容性的理想目標。
 
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