Title

Size: px

Start display at page:

Download "Title"

はるまさふじした
5 years ago
Views:

1 B-4 Ethernet / USB2.0 インタフェースの評価手法脇本雄太

2 はじめに

3 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

4 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高速データ通信大容量データの取り扱い双方向通信サービス Video on Demand

5 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 規格概要

7 USB の歴史 1995 年 :Intel によって仕様公開 1996 年 1 月 :USB-IF によって 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 USB2.0 とは Universal Serial Bus Revision2.0 USB1.1 に Hi-Speed モードを追加 Low-Speed (LS) : 1.5Mbps Full-Speed (FS) : 12Mbps High-Speed (HS) : 480Mbps (USB2.0 で新規に追加 ) USB1.1 と後方互換性を確保 USB2.0 機器と USB1.1 機器の混在が可能

9 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 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 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 参考 :USB3.0 コネクタ Standard-A Micro A / AB Standard B USB3.0 の 5 ピンを追加 Micro B USB2.0 部 USB3.0 部 Powered B 電源と GND を追加引用 :Cables and Connectors, Yun Ling, Nov.17-18, 2008, SuperSpeed USB Developer Conference, San Jose, California

13 参考 :USB3.0 ケーブル SuperSpeed は 1 本のケーブルにて USB2.0 と 3.0 のリンク充填材 ( オプション ) 非シールドツイストペア (USB2.0) シールドツイストペア (USB3.0) ブレード電源被覆シールドツイストペア (USB3.0): グランド引用 :Cables and Connectors, Yun Ling, Nov.17-18, 2008, SuperSpeed USB Developer Conference, San Jose, California

14 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)

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) 同軸現在は安価なツイストペアケーブルを使用した規格が多く使用されている

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 10BASE-T / 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 アップリング I/F ダウンリング I/F 送受信回路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 10Base-T/100Base-T 1000Base-T

17 Ethernet ケーブルのカテゴリケーブルカテゴリと規格への対応周波数帯域規定 10BASE-T 100BASE-TX 1000BASE-T 10GBASE-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 (55m) カテゴリ 6a 500MHz カテゴリ 7 600MHz

18 参考 :10Gbase-T UTP / STP ケーブルカテゴリー 6 6a 7 但し Cat6 は 55m まで 128DSQ 変調 16PAM LPCD Low Density parity Check

19 コンプライアンス

20 USB 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

21 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

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

23 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

24 物理層の評価

25 USB2.0(High Speed) 物理層信号線は 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 0 の場合は信号レベルを反転データ 1 の場合は継続ビットスタッフィング

26 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

27 アイダイアグラム測定例ノイズジッタ

28 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

29 テンプレート Template1 Template2

30 波形品質評価は理想終端で反射の影響を少なく

31 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

32 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

33 その他の信号品質評価 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 より引用 :

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

34 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 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 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

37 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 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 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 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

41 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 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 )

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

43 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 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 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 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 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 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 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) Cable and Connectors / Yun Ling IEEE Std ANSI X

50 まとめコンプライアンステスト規格に準拠していることの証明物理層の評価 Tx は理想終端にて観測テストフィクスチャを使用テスト用の信号を用意テストモードをサポート

(Microsoft PowerPoint - H-6_TIF2013_USB2_F [\214\335\212\267\203\202\201[\203h])

$(Microsoft PowerPoint - H-6_TIF2013_USB2_F [\214\335\212\267\203\202\201[\203h])$ H-6 UBS2.0 インタフェースの評価手法脇本雄太 USB2.0 の概要 USB の歴史 1995 年 :Intel によって仕様公開 1996 年 1 月 :USB-IF によって 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