SATA测试波形与电性测试介紹

Granite River Labs, GRL
吴明伦 Klay Wu

SATA自2003年发布后以多项优势取代PATA。第一代SATA 1.0 (Gen1) 速率为1.5 Gbit/s；而隔年推出的SATA 2.0 (Gen2)，速率升级至3.0 Gbit/s。再来直到2009年发布了完整的SATA 3.0 (Gen3)，速率达到6.0 Gbit/s。

SATA测试波形的分类

应用于SATA测试的波形分为以下两类，并且两种不同的波形会应用于不同的测试验证。

• Non-compliant patterns，用于进行下列测试：
  1. Jitter measurements
  2. Physical connection media tests
  3. Electrical parameter testing
• Compliant patterns，用于进行下列测试：
  1. Frame Error Rate testing
  2. In-system tests

接下来，将详细介绍两种类型的波形，分别包含Non-compliant patterns的四种波形以及Compliant patterns的两种波型。

Non-compliant patterns介绍

Non-compliant patterns主要有四种，包含Lone Bit Patterns (LBP)、High Frequency Test Pattern (HFTP)、Mid Frequency Test Pattern (MFTP)、Low Frequency Test Pattern (LFTP)。下方将为大家一一介绍各波形的组成。

– Lone Bit Patterns (LBP)

LBP是由8b/10b编码模式所组合而成，其中包含D12.0、D11.3、D11.4三种波形以特定方式组合，而这种信号里面一定会出现连续4个1或4个0，如下图记号所表示。此信号用于抖动的测量。

图1: Lone Bit Patterns (LBP)波形

– High Frequency Test Pattern (HFTP)

HFTP由连续的D10.2组成，主要用于Unit interval (UI)与Spread Spectrum Clocking (SSC)的相关测试。

图2: High Frequency Test Pattern (HFTP)波形

– Mid Frequency Test Pattern (MFTP)

MFTP由连续的D24.3组成，UI为HFTP的两倍，主要用于Emphasis的测试。

图3: Mid Frequency Test Pattern (MFTP)波形

– Low Frequency Test Pattern (LFTP)

LFTP由连续D30.3组成，随着规范更新，测试进行时不会使用LFTP。因此这个波形仅为测试前的校正程序所使用。

表1: Non-compliant patterns波型总整理

图4：HFTP(绿)、MFTP(黑)、LBP(蓝)三种波型比较

Compliant patterns介绍

Compliant patterns主要有两种：Compliant Framed Composite patterns (FCOMP)与Compliant Lone Bit Patterns (LBP)；因Compliant Lone Bit Patterns (LBP)即为前面所介绍过的Non-compliant LBP，是在加入些许限制与修饰后，而具备Compliant patterns的特性。下方着重在FCOMP的介绍。

– Compliant Framed Composite patterns (FCOMP)

FCOMP有以下三种变化，主要用于测量抖动。

1. Low Frequency Spectral Content Pattern (LFSCP)，特征为三个连续的1搭配一个0或是三连续的0搭配一个1。
2. Low transition Density Pattern (LTDP)，主要由三个或四个连续的1或0所组成。
3. High transition Density Pattern (HTDP)，由单个1与0所形成的全速率模式，加上两个1与0的半速率模式所形成。

电性基础特性与信号测试介绍

以下为三个主要会应用到SATA测试波形的测试项目：

1. a) 电性基础特性 (Phy general)
2. b) 电性传输信号 (Phy transmit signal)
3. c) 电性接收信号 (Phy receiver signal)

– 电性基础特性 (Phy general)

电性基础特性简写为PHY，为Gen1/Gen2/Gen3共同必须测试的项目，其中包含UI与SSC的相关测试，需使用HFTP波形进行测试。

单位间隔(Unit Interval)是不包含抖动时的特定标称值。而频率长期稳定度(Frequency Long Term Accuracy)必须在正负350 ppm的规范之中。

表2: PHY测项与规范

– 电性传输信号 (Phy transmit signal)

电性传输信号测试简写为TSG，其中包含电压大小、抖动以及Emphasis，需使用HFTP、MFTP、LBP等波形进行测试。

在发送端测得的最小差分电压(Minimum Differential out put voltage)应符合相应的电气规范，其中包括任何Pre-emphasis。此测试项目仅针对支持Gen1与Gen2的产品，需利用MFTP测试模式进行测量。

交流共模电压(AC Common Mode Voltage)是指在发送端的连接器处，利用测试模式MFTP以及HFTP测得的最大正弦幅度。该数值是由于受到上升/下降不匹配和其他要求限制，所导致Tx+/Tx-的不匹配，用于衡量除去共模尖峰以外的共模噪声。

抖动(Jitter)作为数据与相关事件之转换的理想点，对于总抖动(TJ)与确定性抖动(DJ)测量规范在Gen1/Gen2以及Gen3有不同的定义，测试时须利用HFTP与LBP测试模式进行测量。

表3: TSG测项与规范

而最大差分电压幅度(Maximum Differential Voltage Amplitude)与Emphasis的测量，仅对于支持Gen3之产品，且须利用MFTP测试模式进行测量。

表4: TSG测项与规范

– 电性接收信号 (Phy receiver signal)

电性接收信号测试简称RSG，主要测量内容为接收抖动容许限制以及应力测试，测试时使用FCOMP波形，校正时则需要用到FCMOP、LBP与LFTP等波形。

抖动容限测试将针对特定频率点10、33、62、5 (MHz)进行。应力测试则针对62 MHz的频率点进行。

结论

SATA测试波形主要有HFTP、MFTP、LBP与FCOMP，其中HFTP、MFTP与LBP运用于PHY、TSG测试，FCOMP与修饰后LBP运用于RSG测试。测试时应将测试模组建立于待测物IC之中，并透过适当的设定，可利用指令让待测物生成测试波形，或是藉由波形产生器取代指令。

参考资料

• UTD_1_6_Rev1_1 Released
• SerialATA_Revision_3_5a_Gold
• Altera Corporation Specifications and Additional Information

作者简介

GRL 台湾测试工程师 吴明伦 Klay Wu

具USB、SATA、PCIe接口相关测试经验，协助客户在USB-IF方面取得认证。

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发布日期 2022/06/15 AN-220615-TW