为什么想符合 USB 3.2 标准如此的困难?
USB Type C （通用串行总线）连接器的应用就像名称所描述，是一种随处可见的线缆。甚至是之前仅与 Lightning 电缆兼容的 iPhone 也在 14代以后将可使用 USB 电缆充电。不过，USB 在带给消费者便利的同时，也给设计兼容于 USB 产品的制造商带来全新的挑战。
为了向您解开日益复杂化的测试问题，我们的欧洲、中东和非洲实验室主任 Pascal Berten 与示波器高级应用工程师 Johannes Ganzert 在 2023 年 10 月 4 日于 Rohdhe & Schwarz 的慕尼黑办事处会面。双方的对话围绕着 USB 3.2 发射器（Tx）和接收器（Rx）的调试，也共同展示了如何使用 Rohde & Schwarz 专有的示波器进行 USB 接口调试。
带来了一系列测试挑战。USB 3.2 的多通道操作规范旨在满足新一代 PC、消费电子产品、显示器和移动架构对带宽的更高要求，但由于在它在两个通道上传输的数据量高达前所未有的10Gbps，也导致 USB 系统中产生了串扰问题。
以以往的 USB 版本不同，USB 3.2 规范不仅要求制造商在传输端或接收端做测试，也必须捕捉全部四个通道的数据，以全面了解串扰的影响。为此，BERT 的双通道需要同时发送信号。在四对信号的性能中达到平衡是制造商想准确捕捉设备在涉及多种变量的实际条件下性能的唯一方法。
USB 3.0 和 3.2 之间有什么区别？
USB 3.0于2008年发布，比2022年才公开的USB 3.2早十多年。如今，通用术语“USB合规性”不再指以前的3.0标准，而是指新的3.2规范。
这两个版本之间实施了许多更新。 值得注意的是，从第 1 代到第 2 代的更新将数据传输速度从 5Gb/s 提高了一倍至 10Gb/s。 此外，还有了许多电磁兼容性 (EMC) 改进，尤其是连接器部分。 也许最关键的是，Type-C 进一步将数据传输速度从 10Gb/s 提高到 20Gb/s。
USB 2.0 和 3.0 又有什么差异？
若我们追溯 USB 技术到 2000 年，当时的传输速率约为 480 Mb/s，而 USB 3.0 的传输速率为 5Gb/s。USB 3.0 的数据传输能量在当时是是属于一流的，使大量数据备份或涉及外置硬盘的大规模传输成为现实。自从 USB 2.0 升级到 3.0 后，接头线数也从 4 根增加到 9 根，大大提高了速度、带宽和功率输出。
USB 3.0 端口的完全向后兼容性让它可以与其他 USB 版本（包括 2.0）无缝协作。 这意味着 USB 2.0 驱动器可以插入 3.0 端口，但需要注意的这种设置会把系统的运行速度限制为 USB 2.0 驱动标准。 在设计方面，USB 2.0 端口的内部为黑色，而 USB 3.0 端口的内部为蓝色。
USB 3.2 Gen 2 产品必须遵守 USB Gen 1 标准吗?
所有 Gen 2（Super Speed plus）产品必须符合 Gen 1（Super Speed）标准。 同样的，所有 USB 4产品也需要过 USB 3.2电气测试这一关。
要知道，实现 USB-IF 合规性不仅需要电气合规性，也要求制造商必须参加研讨会或在如 GRL 的授权测试实验室 (ATL) 进行验证才能获得官方认证。
如何根据 USB-IF 要求准备 USB 3.2 合规性测试
测试装备要求
想要准确执行 USB-IF 一致性测试就需要使用高性能示波器（例如 RTP164），而 USB 自动化软件可以使该过程更加顺利。
此外，接收器测试还需要能够生成码型并强制产品返回 USB 环回的高性能误码率测试仪 (BERT)。
最后，确保测试过程中使用的 SMA 电缆匹配也是机关重要。
设计要求
USB-IF 在过去有出售执行测试所需的夹具，但现已停产。现在制造商必须从 Fixture Solution 获取 Gen 1 Legacy 连接器，而 Gen 1/2 Type-C 连接器必须从 Wilder Technologies 获取 。夹具解决方案还将在 2023 年底之前提供第 2 代传统连接器。提供适当的电缆也将以该提供商分配。
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Tx 和 Rx 的 USB 3.2 Gen 1/2 装置配置
USB-IF 兼容规范源自于 USB 3.2 规范和工程变更通知 (ECN)。该规范详细说明了如何执行 Tx 和 Rx 测量以及其他电气参数。
部分的人认为 USB 3.2 一致性测试因新性测试模式而变得更加容易。测试模式 CP0 至 CP8 是针对第1代定义的，而 CP9 至 CP16 是针对第2代定义的。
从设备连接到测试仪的那一刻起，编号最低的测试模式就会被激活，并在发送 Ping.LFPS 后逐渐向上切换。
从 CP0 至 CP8 测试模式为 Gen 1 定义，而 CP9 至 CP16 是为 Gen 2 定义。
USB 3.2 Gen 1/2 向上装备 Tx
USB 3.2 Gen 1/2 向上装备 Tx 图列
上行端口指的是可以连接到 PC 端的设备或集线器端口。典型的 USB 3.2 Gen 1/2 上游 Tx 测试设置由测量夹具（又称示波器）和切换夹具组成。后者将用于向 DUT 发送 ping.LFPS.ping，以便系统可以切换到下一个测试模式。 只要 DUT 能够接收到 ping 信号，切换装置就不必满足特定要求。然而，使用适当的测量夹具非常重要。
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USB 3.2 Gen 1/2 下流装置 Tx
设备连接下游端口限制为 A 口或 C 口。在大多数情况下，USB 3.2 Gen 1/2 Tx 测试的设置与上游设置完全相同。唯一的区别是连接到 DUT 的附加 xHCI HSETT 工具，该工具强制下游端口处于 Tx-Compliance_Mode 模式并允许在 CPx 之间切换。 HSETT可以从 USB-IF 官方网站免费获取。
USB 3.2 Gen 1/2 下流装置 Tx 图列
在连接灯具之前，必须将下游端口设置为测试模式。如果您的主机操作系统不是 Windows，则可能需要按照其他步骤执行。虽然当今市场上的大多数主机都支持测试模式，但制造商在此测试阶段遇到障碍的情况并不少见。
USB 3.2 电能合规性标准
低频复信号规范
如果测试系统已正确设置，连接的设备将在开机后立即发送 Polling.LFPS。 借助现代测试自动化软件，可以立即获得测试结果，确定设备是否符合了合规性测试要求。
符合 USB 3.2 规范的设备应满足以下 USB 3.2 低频周期信号参数：
- Vpp >=800mV <= 1.2V
- tPeriod >= 20ns <= 100ns
- tBurst >= 600ns <= 1.4 µs
- tRepeat >= 6µs <= 14 µs
- 上升/下降时间 <= 4ns
- 负载周期 >= 40% <= 60%
- AC 共模电压 <= 100mV
扩频时钟
扩频时钟是 USB 合规性下的另一项强制测量。 虽然制造商可以通过 CP1 获得测量结果，但因部分的供应商禁用了扩频时钟，预先选择正确的供应商机关重要。因为它任然是一项强制性测试要求。
Gen 1 眼图和抖动测试
与所有测试模式相同，切换是通过在 Rx 对上发送 Ping.LFPS 来完成的。 一旦到达眼图和抖动测试模式，就可以使用 CP0 和 CP1 进行测量。 要注意的是，此测试通常在合规程序结束时进行。 合规设备的预期结果如下：
长信道传输眼： 过渡眼
如果生成的眼图的顶层和底层不相碰，该设备将被视为已通过合规性测试。
短信道传输眼： 过渡眼
与长通道相比，短通道眼图通常具有更宽的眼图。Gen 1 抖动和眼图的要求如下：
- CTLE 在制作 EYE 图时完成
- Tj 在 BER-12 <= 132 ps，CP0 位于 TP1
- Dj <= 86 ps，CP- 位于 TP1
- Rj <= 3.27 ps，CP1 在 TP1（如今，Rj 不再是合格要求，而只是一个信息指标）
对于长通道测量，USB-IF 将通过 RTP 示波器提供适当的 S 参数。 此外，长通道损耗还取决于 USB 连接器的类型以及所使用的上行或下行端口。
Gen 2 眼图和抖动测试
第2代 的眼图和抖动测量实际上与 第1代 非常相似，只是部署了测试模式 CP9 和 CP10。 通过在 Rx 对上发送 Ping.LFPS 来完成测试模式之间的切换。
GRL 专业提示: 仔细观察每次测量的边缘就能查出适当的眼睛宽度和高度。
Gen 2 抖动和眼睛的通过要求如下：
- 与 Gen 1 不同，Gen 2 需要在制作 EYE 图期间完成 CTLE 和 DFE 均衡。
- BER-12 时的 Tj <= 67.1 ps，CP0 位于 TP1 时
- Dj <= 53 ps，CP0 位于 TP1
- Rj <= 1 ps，CP1 在 TP1（Gen2 Rj 如 Gen1 相同，不再是通过要求，而只是信息指标）
请注意，长通道测量与短通道端设置测量相同。唯一的区别是 RTP 示波器将 USB-IF S 参数嵌入到信号中。 除了具有自留或系留电缆的设备外，第一代长通道始终使用相同的 S 参数。
预拍摄和去重*（仅限于 Gen 2）
USB Gen 2 合规性在预冲和去加重方面还有一项额外的测试标准。 这仅适用于 Gen 2，并且需要测试模式 CP13、CP14 和 CP15 才能执行。 仅通过观察很难诊断测试结果。 相反，建议制造商在测试模式之间切换并观察差分电压如何变化。
USB Gen 2 预拍摄和去重图标
强制 USB 3.2 传输器测试
USB 3.2 发射机自动化解决方案有一个 RTP 生成器，用于在 CPx 之间切换。RTP 还将指导用户完成设置和测试模式，并在最后生成报告。
对于 Type C，在两个方向上测试接收器非常重要，如果产品是 DRD（主机和设备），则要测试两种模式。对于 USB 3.2 Gen 1/2X2，必须测试所有数据通道。最后，请记住使用正确的 USB 夹具、电缆和 SMA 电缆。
强制 USB 3.2 接收器测试
USB 3.2 接收器测试可通过短通道和长通道进行。长通道取决于连接器的速度和类型，而模式发生器（PG）将向被测产品的 Rx 发送经过校准的符合性测试模式。这将包括
- 允许的最大抖动级别
- Rj 和 Dj (Sj)
- SSC（33KHz 下频 5000ppm）
- 最低电压
首先，将被测产品置于环回状态（可由 PG 完成）。BERT 将读取被测产品在 Tx 端发回的错误信息。根据 USB 3.2 规范，BERT 应在 10 至 12 之间。如果 DUT 是 Type-C，则应使用备用 Rx 路径重复所有测试。
USB 3.2 Rx 测试
校准
USB 3.2 Rx 校准装置
在进行 USB 3.2 接收器测试之前，必须校准发送到 DUT 的模式。长通道和短通道都需要进行校准，校准参数如下：
- 电压摆动和去加重（用于短通道和长通道）
- Rj、Sj 和 Tj
计算是通过 SigTest 在后台完成的，这是一个漫长的过程，因此强烈建议实现自动化。即使是自动化校准，也需要 4 个小时的准备时间。手动校准将耗时数天，而且由于需要跟踪许多校准值，往往会导致大量错误。请注意，无论何时更换 USB 或 SMA 电缆，都需要重新校准设置。
测试
USB 3.2 Rx 测试装置
校准完成后，将使用存储在 BERT 中的值进行测试。符合性测试将在允许的最大 Sj 下进行。
与校准一样，强烈建议将测试过程自动化。自动解决方案将把被测产品置于所需的环回模式，而这一过程对于手动操作来说极具挑战性，需要长达数个工作日的时间，且有很大的出错空间。
虽然官方并未要求进行合规性测试，但强烈建议测试人员进行接收器容差测试，以确定产品的振幅和抖动余量。校准大约需要 4 个小时，因此务必从一开始就使用正确的 USB 固定装置、电缆和 SMA 电缆，以避免重做。
切记在产品处于 DRD（主机和设备）模式时测试两种模式，并测试 USB 3.2 Gen 1/2×2 的所有数据通道。
USB3.2 接收器测试中的常见问题
输入环回失败
每当产品无法进入环回时，测试人员应首先用参考产品验证设置。如果确认设置正确，就可以在环回训练期间禁用抖动或增加振幅，从而进一步排除故障。
由于选择了不正确的通道，Type-C 电缆无法进入环回的情况并不少见。翻转电缆或使用测试仪夹具的跳线在 CC 线路上进行正确设置通常可以解决这个问题。
接收器耐力测试失败
当产品未能通过接收机容差测试时，PHY 的均衡器设置可在实施过程中在再定时器或再驱动器上进行调整。请注意，Tx 上的高振幅可能会导致 Rx 路径上的串扰，从而导致 Rx 测试失败。
不良的 PCB 设计
不良的 PCB 设计会导致测试失败。常见的因素包括线路过长或不匹配造成。想防止类似情况发生就推荐制造商遵守 PCB 设计规则。
节省 USB 3.2 合规性测试所花的时间与成本
GRL从世界八个角落提供全面的 USB-IF 合规性服务，并配备所有必要的测试和调试设备。我们的测试实验室每天都在运行，让您随时接触到一系列的技术标准的认证程序。现在就预约演示，或收看 Rohde & Schwarz 的演示录像，了解有关 USB 3.2合规性测试的更多信息。
关于作者
Pascal Berten 领导 GRL 德国和比利时实验室的技术执行。作为全球公认的USB 测试专家，Pascal 在讯号完整性、协议和功能测试、电源和线缆设计以及多种技术（包括以太网路、DisplayPort、MIPI 和HDMI）测试领域拥有深厚的技术专长，并且与USB -IF、MIPI 联盟等标准组织长期密切合作，协助开发新规范逾20 年。加入 GRL 之前，Pascal 在 Eurofins 数位传输测试公司拥有 20 多年的工作经验，领导各种产品的测试、认证、相容性测试和除错工作。
