USB 3.0規格のFAQ(3) ―― SuperSpeed USBのテストはどのように行うか？

Q．認証テストでは何を測定するのか？
A．トランスミッタはアイの高さとジッタを測定し，レシーバはジッタ耐性テストを行う．

　データ・レートの高速化に伴い，ジッタの問題がクリティカルになってきています．高速シリアル・インターフェースのジッタは，クロック・リカバリ回路で再生されたクロックと実際のデータ・エッジの間のずれ（TIE：Time Interval Error）によって評価されます（図1）．TIEを計測するためには再生されたクロックが必要ですが，クロック・リカバリ回路により再生されたクロックは，チップ内部でしか得られません．そのため，認証テストの測定の際には，1M-UI（ユニット・インターバル）のデータをオシロスコープに取り込み，ソフトウェアでクロック・リカバリの機能をエミュレートする方法をとっています．

図1　シリアル・インターフェースのジッタはTIE （Time Interval Error ）

　クロック・リカバリ回路のPLLは，ジッタが持つ周波数成分と振幅（揺らぎの大きさ）により，以下のように変わります（図2）．

1. ロールオフ周波数以下のジッタ成分にはPLLが追従するので，ジッタが吸収される
2. ロールオフ周波数以上のジッタ成分にはPLLが追従できないため，ジッタが吸収されない
3. ピーキングがあると逆にジッタは増加する
4. 過渡領域におけるジッタの吸収度合いは，ジッタの周波数と振幅に依存する 

　そのため，測定に使用されるPLLの特性を統一する必要があります．USB 3.0では10MHz帯域の2次PLLを使用します．2次PLLとは，ジッタ伝達関数として40dB/decの減衰特性を持つPLLです．

図2　クロック・リカバリの特性

　ジッタについては，レシーバ端のすべてのジッタを評価するわけではなく，クロック・リカバリ回路が吸収できないジッタだけを評価する，ということを理解しておく必要があります．実際に受信に影響を与えるのは，PLLで吸収できなかったり増幅されたりするジッタなのです．

　さらに，ジッタには図3のように性質の異なる2種類，すなわち「ランダム・ジッタ」と「デターミニスティック（決定性）ジッタ」が存在し，これらが合成されて表に現れています．ランダム・ジッタは回路中の熱雑音やフリッカ・ノイズ，ショット・ノイズなどが原因で発生します．発生頻度は低いものの，理論上－∞～＋∞のジッタが存在します（Unbounded）．一方，デターミニスティック・ジッタは隣接オシレータやスイッチング電源からの発振の漏れによるジッタ，および伝送路の周波数特性によるパターンに依存したジッタなどであり，ジッタの振れ方はある一定の範囲にとどまります（Bounded）．

(a) ランダム・ジッタ（Rj）

(b) デターミニスティック・ジッタ（Dj）
図3　高速シリアル・インターフェースでは，性質の異なるジッタ成分を分けて把握する必要がある

　ランダム・ジッタの分布は統計で知られる正規分布（ガウス分布）となり，平均的なばらつきの幅をあらわすσ（標準偏差）の関数で表現されます．大きな揺らぎの発生頻度は低いのですが，長期間で見た場合，その中で発生する可能性があります．例えば±7σを超えるジッタの発生頻度は1兆回（10¹²）に1度となります．このような頻度は極めて低く感じられますが，5Gbpsのデータ・レートで見ると200秒（＝1/（5×10⁹）×10¹²），すなわち3分20秒に1度発生する頻度です．もしこの大きなジッタが正しくビットを捕捉できない要因となり，エラーを引き起こすとすれば，この発生頻度はそのままビット誤り率（BER：Bit Error Rate）を意味することになります．

　上述の1兆回に1度という発生頻度は高速シリアル・インターフェースで確保されるべきビット誤り率の一般的な基準となっており，「BER10^-12」と表現されます．一方，デターミニスティック・ジッタの大きさは時間に依存しませんが，ランダム・ジッタに対する余裕度を低下させます．

　このように性質の異なる2種類のジッタが合成されているため，最近の高速インターフェースのトランスミッタの測定では，ランダム・ジッタとデターミニスティック・ジッタ，さらにランダム・ジッタに依存する長期間（BER10^-12）のジッタ量（トータル・ジッタと呼ばれる）を評価するという考え方が定着しています．USB 3.0でもこの考え方を採用しています．

　レシーバ側では，クロック・リカバリの特性やデータを再生する回路のジッタ余裕度もキーとなります．そのため，ジッタ耐性テストが行われます．ジッタ耐性テストとは，図4のように決まった周波数のジッタを決まった量（ジッタ振幅）印加したデータを入力しても，レシーバが正しくデータを受信できるかどうかを確認する作業です．Serial ATAやDisplayPortなどの評価でも必須項目として採用されています．

　なお，USB 3.0にはInformativeとNormativeの2種類のテストが規定されています．Informativeは参考測定用で，Normativeが認証テストの必須項目です．

図4　レシーバ・テスト（ジッタ耐性テスト）