Title

Size: px

Start display at page:

Download "Title"

あきとしさくもと
5 years ago
Views:

1 C5 USB2.0 / Ethernet インタフェースの評価方法脇本雄太

2 Agenda はじめに規格概要コンプライアンス物理層の評価評価に最適な測定器 2

3 3 はじめに

4 今日のデジタルコンシューマ市場の動向インターネットの普及 ADSL から FTTH へ PC の普及各家庭でインターネットに接続が可能に地上デジタル放送開始高画質映像データタブレット端末スマートフォンの普及いつでもどこでも 4

5 市場の要求家庭内ネットワークの構築データの共有容易な接続面倒な設定なしで簡単接続双方向通信サービス Video on Demand 高速データ通信大容量データの取り扱い 5

6 デジタルコンシューマ市場で使用されている主なデジタルインタフェース USB 元々は PC のインタフェース周辺機器との接続 LAN Ethernet 接続が容易で安価なツイストペア線を使用した規格が普及 HDMI 映像音声信号の伝送最新の規格では Ethernet 接続も可能 IEEE1394(FireWire i.link) デジタルビデオのインタフェースとして普及 6

7 7 規格概要

8 USB の歴史 1995 年 :Intel によって仕様公開 1996 年 1 月 :USB1.0 規格を発表 Compaq Computer Digital IBM Intel Microsoft NEC 1998 年 9 月 : 電気的仕様をより詳細に規格化し USB1.1 へ 2000 年 4 月 :USB2.0 規格を発表 Hewlett-Packard Lucent Technologies Philips が新たに参加 2001 年 12 月 :On-The-Go Supplement Revision1.0 を発表 2008 年 11 月 :USB3.0 仕様公開 PC と周辺機器を接続する標準的なインタフェースの 1 つ現在ではほとんどの PC に標準で装備 PC 用途に限らずデジタルコンシューマ分野にも広がる 8

9 USB2.0 Universal Serial Bus Revision 2.0 Universal Serial Bus Revision 2.0 Specification 3つの転送レートをサポート Low Speed (LS) : 1.5Mbps (USB1.1 規格 ) Full Speed (FS) : 12Mbps (USB1.1 規格 ) High Speed (HS) : 480Mbps (USB2.0 規格 ) 後方互換性 Revision の違う機器との接続を保証 High Speed 機器は Full Speed でも動作 9

10 USB コネクタ Standard Connector 標準的なコネクタ Mini Connector 小型コネクタ薄型機器携帯端末 Micro Connector ミニコネクタよりさらに薄く小型携帯端末 10

11 USB2.0 標準ケーブル USB1.1ケーブルと同等信号線 28AWG ツイストペア電源線 20-28AWG シールド線最長 5m (26ns) LSケーブルにシールドを推奨 11

12 USB ケーブルの種類基本は A to B Standard A Plug Standard B Plug Standard A Plug Mini B Plug Max Length : 26ns Mini A Plug Mini A Plug Mini B Plug Mini A Plug Standard B Plug Max Length : 25ns or 4.5m Micro Connector Micro A Plug Micro B Plug Standard A Plug Micro B Plug Max Length : 10ns or 2m 変換コネクタ Standard A Receptacle Mini A Plug Mini A Receptacle Standard A Plug Standard A Receptacle Micro A Plug Max Length : 1ns or 15cm 12

13 Ethernet の歴史 1980 年 :LAN の標準化のため IEEE802 委員会設置 802.3WG により CSMA/CD 方式を推進 1990 年 :10BASE-T(IEEE802.3i) 規格同軸の 10BASE5 と同じ 10Mbps 伝送速度をツイストペアで実現 1995 年 :100BASE-TX(Fast Ethernet IEEE802.3u) 規格光ファイバ LAN(FDDI,100BASE-FX) と同じ 100Mbps 伝送速度を使いやすく安価で実現カテゴリ 5 のツイストペア使用 1999 年 :1000BASE-T(Giga Ethernet IEEE802.3ab) 規格幹線向け LAN(ATM, HIPPI, FC) の構築運用を容易化するために Ethernet を高速化カテゴリ 5 のツイストペア使用 2006 年 6 月 :10GBASE-T(802.3an) カテゴリ 7 のケーブルで 100m カテゴリ 6 で 55~100m 2010 年 6 月 :40G/100G Ethernet 規格化 (802.3ba) 13

14 Ethernet IEEE IEEE Standard for Information technology--telecommunications and information exchange between systems--local and metropolitan area networks--specific requirements--part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications ANSI X3.263: 199X(TP-PMD) 100BASE-TX はツイステッドペア金属線上で動作する MDI(Medium Dependent Interfaces) も含めた 100BASE-X PMD(Physical Medium Dependent) およびベースバンドメディアに関する規定である 100BASE-TX PMA(Physical Medium Attachment) および MDI(Medium Dependent Interfaces) はカテゴリ 5 のむき出しのツイステッドペア (UTP) および被覆されたツイステッドペア (STP) を対象として FDDI TP-PMD の標準である ANSI X3.263: 1995(TP-PMD) に修正を加えた形で規定されている 14

15 Ethernet 規格 Ethernet インターフェイスの識別 Base- 伝送速度媒体シリアル / パラレルコード化 1 1Mbps T ツイストペア無しシリアル無しコード化なし 10 10Mbps Mbps Gbps 10G 10Gbps E L S C 1550nm 光 1310nm 光 850nm 光シールドケーブル 2 2 ペアパラレル 4 4 ペアパラレル X 4B5B 8B10B R 64B66B W SONET 2 195m(max) 同軸 5 500m(max) 同軸 m(max) 同軸 15

I/F ダウンリング I/F Pin1 アップリング I/F 送受信回路ダウンリング I/F 送受信回路受信回路送信回路

16 Ethernet ツイストペアケーブル 4 対のシールド無しツイストペアコネクタは RJ-45 を使用使用ピン 10/100BASE-TX P2 P3 使用送信受信独立 1000BASE-T P1~P4 全て使用送受信同時アップリング I/F ダウンリング I/F Pin1 アップリング I/F 送受信回路ダウンリング I/F 送受信回路受信回路送信回路送受信回路送受信回路送信回路受信回路送受信回路送受信回路送受信回路送受信回路 10/100Base-T 1000Base-T 16

17 Ethernet ケーブルのカテゴリ周波数帯域規定 10BASE-T 100BASE-TX 1000BASE-T カテゴリ 3 16MHz カテゴリ 5 100MHz カテゴリ 5e 100MHz(350MHz まで保証 ) 伝播遅延遅延スキューリターンロスなど項目追加カテゴリ 6 250MHz 17

18 18 コンプライアンス

19 USB2.0 ロゴ認定は USB-IF(Implementers Forum) にて行われる Compliance Test( 認証試験 ) に合格 Integrators List 規格に準拠していることの証明 Certified Logo 19

20 USB コンプライアンステストロゴライセンス取得の為に USB-IF が定めたテスト製品やパッケージに USB ロゴを使用する場合は必ず合格しなければならないロゴ認証を取得するにはセルフテスト不可 Test Lab アリオン株式会社株式会社エクスカル 20

21 USB コンプライアンステストの内容 Electrical Test Droop / Drop Test Downstream / Upstream Signal Quality Test Inrush Current Test Device Framework Test Interoperability Test Back-voltage Test High Speed Electrical Test High Speed Signal Quality Test Packet Parameters Test CHIRP Timing Test Suspend / Resume / Reset Timing Test Test J/k, SE0_NAK Test Device Receiver Sensitivity Test Hub Repeater Test 21

22 Ethernet コンプライアンステストセルフコンプライアンス USB のようなロゴ発行は無い UNH-IOL によるテストサービス University of New Hampshire Inter Operability Laboratory 各種インタフェースの相互接続性テストのサービス提供 22

23 Ethernet コンプライアンステストの内容 (1) 10BAES-T Template MAU TP_IDL Link Pulse Differential Voltage Harmonic Jitter Normal 8bit 8.5bit Common Mode Voltage Return Loss 100BASE-TX Template Output Voltage Amplitude Symmetry Overshoot Rise/Fall Time Rise/Fall Time Symmetry Jitter Duty Cycle Distortion Return Loss 23

24 Ethernet コンプライアンステストの内容 (2) 1000BAES-T Template Peak Voltage Droop Jitter Distortion Common Mode Voltage Return Loss 24

25 コンプライアンステストの重要性規格団体等で定められたテスト USB-IF UNH-IOL 各規格に準拠したテスト物理層の評価に有効なテスト規格を満足しているかプロトコル相互接続と合わせて物理層の評価が重要に 25

26 26 物理層の評価

27 USB2.0(High Speed) 物理層 4 線差動データライン 2 線 (D+, D-) Vbus GND 差動半二重伝送 DC 結合 NRZI(Non Return to Zero Invert) エンコードデータ 1 の場合は信号レベルを反転データ 0 の場合は継続ビットスタッフィング 27

28 テストモードのサポート USB2.0 規格で定められたテストの為のモード Test Packet Test J, Test K, Test SE0_NAK Test Force Enable テストモードに設定するには Device, Hub USB-IF よりソフトウェアを提供 HS Electrical Test Tool Host OS が Windows の場合 HS Electrical Test Tool にて可能 OS が非 Windows の場合各ベンダー様にて Test Mode に設定する必要有 28

29 アイダイアグラム測定デジタルデータ通信の信号品質評価ノイズジッタテンプレートの適用 29

30 アイダイアグラムノイズジッタ 30

31 測定ポイントアイダイアグラムの評価は測定ポイントが重要近端と遠端で波形が変わる USB コンプライアンスでは基本は近端で測定 Host および Hub の Downstream Port は TP2 Device および Hub の Upstream Port は TP3 ケーブル付の Device および Hub の Upstream Port は TP2 31

32 テンプレート Template1 Template2 32

33 アイダイアグラム以外の信号品質評価 Monotonic Transition データが変化する時は単調的に推移することインピーダンス不整合差動間スキュー Rise / Fall Time 10%-90% にて 500ps 以上速すぎてはいけないコンプライアンステストではスルーレートで測定 USB-IF Web ページより引用 33

34 物理層の信号品質評価 PC を使用して被測定デバイスを Test Packet モードに設定信号観測時はフィクスチャ上で理想終端 34

フレーム間は無信号フレーム先頭にプリアンブルを出力リンクパルス装置間が接続されているか確認 NLP(

35 Ethernet(10BASE-T) 物理層マンチェスタ符号デジタルビット毎にクロックが変化 0 と 1 ではクロック反転バースト信号出力フレーム送出時に信号出力サイズは 64~1518byte フレーム間は無信号フレーム先頭にプリアンブルを出力リンクパルス装置間が接続されているか確認 NLP( ノーマルリンクパルス ) 伝送速度の自動選択 FLP( ファストリンクパルス ) マンチェスタ符号 35

36 Ethernet(100BASE-TX) 物理層カテゴリ 5 の UTP ケーブルで 100Mbps を実現 MLT3(Multi Level Transmission-3) 電圧は -V 0V +V 0V -V の順に変化伝送ビットが 1 なら電圧が変化 0 なら変化しない 4B5B コーディングスクランブラフレーム間にアイドル信号を挿入連続信号方式 ( バースト信号方式 :10Base-T) MLT3 36

37 Ethernet(1000BASE-T) 物理層カテゴリ 5 の UTP ケーブルで 1Gbps を実現 8B/1Q4 符号 8bit の 2 値 (Binary) 信号を 5 値 (Quinary) 信号 4 組に変換 PAM5 (Pulse Amplitude Modulation 5 値 ) 4 組のツイストペアを双方向で同時連続通信 8ns 毎に信号が変位マスター / スレーブタイミングスレーブ側の装置のクロックはマスターに同期 8ns P1 P2 P3 P4 カテゴリ 5 5e 6 UTP ケーブル 37

38 物理層の信号品質評価 (10BASE-T) テスト信号を用意する必要有ランダムパターン ALL 0 または 1 リンクパルス TPM(Twist Pair Model) 適用負荷を適用引用 :IEEE Std MAU electrical specifications 38

39 物理層の信号品質評価 (100BASE-TX) スクランブルアイドルで測定オートネゴシエーションの場合はリンクパートナーを使用 100Ω 終端 39

40 物理層の信号品質評価 (1000BASE-T) テストモード Test Mode 1~4 各ベンダー様にて Test Mode に設定する必要有 100Ω 終端 4 ペアすべて測定 40

41 41 評価に最適な測定器のご紹介

USB2.0/Ethernet の評価に最適なオシロスコープ DPO/MSO5000 シリーズ DPO5204 型 MSO5204 型 DPO5104 型 MSO5104 型 DPO5054 型 MSO5054 型 DPO5034 型 MSO5034 型周波数帯域 2GHz 1GHz 500MHz 350MHz 最高リアルタイムサンプルレートレコード長 ( 標準 )

42 USB2.0/Ethernet の評価に最適なオシロスコープ DPO/MSO5000 シリーズ DPO5204 型 MSO5204 型 DPO5104 型 MSO5104 型 DPO5054 型 MSO5054 型 DPO5034 型 MSO5034 型周波数帯域 2GHz 1GHz 500MHz 350MHz 最高リアルタイムサンプルレートレコード長 ( 標準 ) レコード長 ( 最大オプション ) 10GS/s(1/2 使用時 ) 5GS/s(3/4ch 使用時 ) 25M(1/2ch 使用時 ) 12.5M(3/4ch 使用時 ) 250M(1/2ch 使用時 ) 125M(3/4ch 使用時 ) 5GS/s 12.5M 125M USB2.0 High Speed の信号を観測するには 2GHz 以上の周波数帯域が必要 42

43 USB2.0/Ethernet の評価に最適なオシロスコープ DPO7000C シリーズ DPO7354C 型 DPO7254C 型 DPO7104C 型 DPO7054C 型周波数帯域 3.5GHz 2.5GHz 1GHz 500MHz 最高リアルタイムサンプルレートレコード長 ( 標準 ) レコード長 ( 最大オプション ) 40GS/s(1ch 使用時 ) 20GS/s(2ch 使用時 ) 10GS/s(3/4ch 時 ) 500M(1ch 使用時 ) 250M(2ch 時 ) 125M(3/4ch 時 ) 50M(1ch 使用時 ) 25M(2ch 時 ) 12.5M(3/4ch 時 ) 20GS/s(1ch 使用時 ) 10GS/s(2ch 使用時 ) 5GS/s(3/4ch 時 ) 200M(1ch 使用時 ) 100M(2ch 時 ) 50M(3/4ch 時 ) 43

USB/Ethernet の検証に最適なプローブ P6248 型 / TDP1500

44 USB/Ethernet の検証に最適なプローブ P6248 型 / TDP1500 型差動プローブ周波数帯域 :1.5GHz 高い CMRR:60dB@1MHz 30dB@1GHz 差動電圧信号を直接オシロスコープで観測 P6245 型 / TAP1500 型 FET プローブ周波数帯域 :1.5GHz 低容量 :1pF 以下 TCP202 型 / TCP0030 型電流プローブ周波数帯域 :50MHz(TCP202 型 ) 120MHz(TCP0030 型 ) 電流値を直接オシロスコープで観測 44

45 USB2.0/Ethernet の評価に最適な信号発生器 AWG5000C シリーズ AWG5014C 型 AWG5012C 型 AWG5002C 型チャンネル数 4ch 2ch サンプルレート 10MS/s~1.2GS/s 10MS/s~600MS/s 分解能 14bit 波形メモリ長 16M ポイント ( 標準 ) / 32M ポイント ( オプション ) マーカ出力 8ch(1ch につき 2 出力 ) 4ch(1ch につき 2 出力 )) USB2.0 レシーバスケルチテスト Ethernet リターンロスディスタービングシグナル 45

46 USB テストフィクスチャ信号のプロービングすべての転送レート (LS FS HS) に対応 Host Hub Device 測定に対応 46

47 TDSUSB2 コンプライアンステストソフトウェアコンプライアンステストの自動化 DPO7000C DPO/DSA/MSO70000C 及び MSO/DPO5000 シリーズに対応ボタン一つで自動測定 USB-IF の Test Procedure に完全準拠 47

48 Ethernet テストフィクスチャ信号のプロービング 10BASE-T 100BASE-TX 1000BASE-Tに対応リターンロス測定 1000BASE-Tのディスタービングシグナルに対応 TMP 48

49 TDSET3 イーサネットコンプライアンステストソフトウェアコンプライアンステストの自動化 DPO7000C DPO/DSA/MSO70000C 及び MSO/DPO5000 シリーズに対応ボタン一つで自動測定 UNH-IOL のテストに完全準拠 49

50 参考文献 Universal Serial Bus Specification Revision2.0 (USB-IF) High-speed Electrical Test Procedure (USB-IF) USB2.0 Electrical Test Specification (USB-IF) UBS2.0 Specification Engineering Change Notice(ENC) #1:Mini-B connector (USB-IF) Universal Serial Bus Micro-USB Cables and Connectors Specification (USB-IF) IEEE Std ANSI X

Title

Title B-4 Ethernet / USB2.0 インタフェースの評価手法脇本雄太はじめに今日のデジタルコンシューマ市場の動向 PC 及びインターネットの普及各家庭で高速インターネットに接続が可能に ADSL から FTTH へ地上デジタル放送開始高画質映像データタブレット端末スマートフォンの普及ユビキタス市場の要求データの共有ネットワークの構築容易な接続面倒な設定なしで簡単に接続