USB 物理层一致性测试分为很多个测试项目，主要是考察 USB 信号的信号质量如何，像 Signal Quality Test、 Droop & Drop Test、 Inrush Current Test、 HS Specific Tests、 Chirp Test 、Monotonic Test、 Receiver sensitivity Test、 Impedance Test （TDR） 等等。
第二种情况是仅观测 USB 总线上的信号，可以选择合适的差分探头连接到 D+， D-，直接进 行 USB 信号的观测。
如何用RIGOL示波器进行USB一致性测试
简介
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种接口技术，用于规范计算机系统与外部
设备的连接和通信。自 1995 年推出以来，USB 以其高速、便捷、可扩展等特点，逐渐取代
传统的串口和并口，被广泛地应用在各类外部设备，受到消费者的青睐。
然而，这也给 USB 设备制造商带来了一定的挑战。为了保证 USB 接口产品的合规性及一致性，“所有寻求在其产品上使用 USB-IF 徽标的公司都必须在 USB-IF 存档一份有效的
USB-IF 商标许可协议，并且产品必须经过认证”。为满足负责产品设计、检测和验证的工程
师对于快速检定 USB 设备的需求，RIGOL 提供了完备的 USB2.0 信号质量测试方案，设计
工程师可以通过 RIGOL 提供的设备配合软件及测试夹具来完成 USB2.0 信号质量一致性测试。
本测试方案将介绍 USB2.0 的信号质量一致性测试内容以及测试方法，并讨论每种测试项对
于测试设备的要求。
1.USB2.0 信号基础介绍
USB2.0 采用 4 线系统：𝑉𝐵𝑈𝑆, D+，D-和 GND。D+和 D-是一个差分信号对，作为主机、集线
器和设备之间通信的主要载体。
USB 2.0 取代并合并了定义低速 (LS) 和全速 (FS) 数据传输的 USB 1.1 规范，并新增了高
速 (HS) 数据传输。USB2.0 向下兼容 USB1.1 和 USB1.0，它有三种速率模式，如下表所示：
USB2.0 的电接口测试包含了信号质量、浪涌电流及下跌和衰落测试。本文主要介绍的是信号质量测试。
2.信号质量测试
信号质量测试是一整套基础电气功能测试，是检验设备满足标准、获得 USB 认证标志的关
键。USB2.0 信号质量测试用到的主要工具是数字示波器，在测试过程中，还需搭配合规的探
头、线缆以及测试夹具，具体的测试设备要求将在后文中进行详细说明。
USB-IF 在 USB2.0 标准中对于每个测试项的内容及合规范围都有明确的规定，并给出了手动
测试的方法。但是手动进行测试配置、验证并汇总结果报告会提高重复性工作量，降低效率。
RIGOL USB2.0 一致性测试软件将测试过程自动化，方便工程师高效准确地进行一致性测试。
图 1 即为在 RIGOL DS70000 系列数字示波器上运行的 USB2.0 一致性测试软件。
图 1 RIGOL DS70000 USB2.0 一致性测试软件
信号质量测试项包括：
同步域测量（SYNC）
结束域（EOP）位宽
信号速率
边沿单调性测试
上升时间/速率
下降时间/速率
JK 对抖动测试
KJ 对抖动测试
眼图测试
2.1. 同步域测量（SYNC）
SYNC 是 Synchronized 的缩写，即同步。对于 USB 协议来说，所有的包都开始于同步域，
同步域的作用是做本地时钟和对端时钟的同步。USB2.0 总线中用的是很简单的时钟恢复机
制，使用 SYNC 包实现高速对端和本地时钟的同步。用于高速传输的 SYNC 码型要求是 15
个 KJ 对信号后接 2 个 K 信号，一共 32bits 信号。简单来说，USB2.0 高速信号的 SYNC 要
求是 32bit。
2.2. 结束域（EOP）位宽
对于 USB 协议来说，所有的包都以结束域 EOP(End-of-Packet)结束。结束域位宽用 bit 时
间定义，对于起始帧包（SOF）的结束域（EOP）的位宽，要求在 39.5bits 和 40.5bits 之间，
对于非起始帧包（SOF）的结束域（EOP）的位宽，要求在 7.5bits 和 8.5bits 之间。
2.3. 信号速率
高速数据速率（THSDRAT）标称 480.00 Mb/s，传输时所需的数据速率精度为 480.00
Mb/s±0.05% (500 ppm)。全速数据速率(TFDRATE)标称 12.000 Mb/s，传输时所需的数据
速率为 12.000 Mb/s ±0.25% (2,500 ppm)。低速数据速率(TLDRATE)标称 1.50 Mb/s，传
输时所需的数据速率为 1.50 Mb/s ±1.5% (15,000 ppm)。
2.4. 边沿单调测量
高速数据转换要求在眼图模板中指定的最小垂直开口上是单调的，所以在 USB2.0 高速一致
性测试中，开发人员需要验证被测信号的单调性。单调性验证发送的信号幅度应该平滑提高
或下降而没有反方向偏差。单调信号与非单调信号的示意图如图 2：
图 2 单调和非单调 USB2.0 高速信号示意图
2.5. 上升时间/速率、下降时间/速率
对于低速和全速信号，上升时间和下降时间指的是从信号幅度的 10%上升到 90%的所需的
时间（如图 3），该要求适用于差分信号的转换以及差分信号和单端信号之间的转换。对于
高速信号，边沿上升、下降时间需≥500ps，上升、下降速率需≤1600 V/μs。
图 3 上升时间和下降时间
2.6. 抖动测试
USB2.0 高速抖动测试结果包含在眼图测试的结果中，抖动包含连续抖动，JK 配对抖动，KJ
配对抖动，抖动测试的主要项目及标准如下：
表格 2 USB2.0 高速抖动测试的主要项目及标准
USB2.0 信号的眼图测试结果需要符合 USB-IF 协会提供的标准眼图模板，在 USB2.0 的一
致性测试中，眼图测试结果是重要的参考项，RIGOL 提供的 USB2.0 一致性测试解决方案
中包含了 USB2.0 的眼图模板，可以实现自动眼图绘制并与标准眼图模板进行对比，直接给
出眼图测试结果。
图 4 在 TP2 处测量的集线器和在 TP3 处测量的设备（无固定电缆）的传输波形要求
图 5 在 TP2 处测量的设备（带有固定电缆）的传输波形要求
图 6 在 TP1 测量的集线器收发器和在 TP4 测量的设备收发器的传输波形要求
2.8. USB2.0 信号质量测试实际结果展示
DS70000 的 USB2.0 一致性测试分析截图如图 7 所示。图 7 显示的是 USB2.0 一致性分析
的结果，包含了信号质量分析的各个测试项，各个测试项对应的合规指标范围以及实测的
值，通过对比将测试结果显示在最后一列，本次测试的是一个完好的 USB2.0 U 盘，所以
各个测试项均满足标准，显示结果为 Passes，否则会显示 Failure。
图 7 DS70000 USB2.0 一致性测试结果报告
USB2.0 一致性分析软件在分析信号质量时通过对接口所发出的标准信号（通过 USB-IF 协
会推荐的 USB 接口控制软件 XHCI HSETT 进行发包），如图 8 所示，这一帧波形即为分析
的波形，图 9 中的眼图模型也是用这一帧中的波形进行叠加后的结果。
图 8 用于一致性分析截取的信号 图 9 眼图模板分析结果
与标准眼图相比而言，USB2.0 的眼图结果要求也类似，眼睛张开的越“大”越好，并且测
量的结果需在眼图的模板可通过区域，任何“压模板”的结果即意味着眼图的信号质量不合
格。
3.USB2.0 信号质量测试仪器要求
图 10 USB2.0 设备（Device）信号质量测试连线图
USB2.0 高速测试设备推荐:
使用有源差分探头配置方案：
表格 3 包含有源差分探头设备配置方案
表格 4 包含同轴线缆设备配置方案
4.选择 USB2.0 信号质量测试工具
USB2.0 信号是最高比特率是 480Mbps、频率 240MHz 的差分信号。Tr 大约是周期的 1/10，
即 Tr=417ps。如果只考虑信号速率，满足观察波形的五次谐波，示波器带宽就可以根据信
号速率乘以 2.5 计算，也就是说示波器带宽只需要 480M*2.5=1.2GHz 就能够捕获 USB2.0
的波形了。但是根据 USB-IF 协会的要求，考虑到上升/下降沿 500ps 以内，对于 Tr=417ps，
要想获得 10%测量精度，示波器的带宽要求是 1/Tr=2.4GHz。
虽然 USB-IF 协会要求用 2GHz 以上带宽，采样率 5GSa/s 的示波器，但是为了获得最高的
测试精度，本文中我们用于演示 USB2.0 一致性测试的示波器为 RIGOL DS70000 系列实
时采样数字示波器，最大带宽 5GHz，采样率 20GSa/s。
图 11 DS70000 系列数字示波器
除数字示波器以外，还需要其他附件，例如高速有源差分探头和有源单端探头，USB2.0 信
号质量测试夹具等。RIGOL 提供了满足测试要求的探头附件来完成 USB2.0 测试，包含高
速有源差分探头（PVA7000、PVA8000 系列），高速单端有源探头（RP7000S 系列）等。
图 12 PVA8000 系列有源差分探头
图 13 USB 一致性测试夹具
此外，USB2.0 测试还需要配合 USB-IF 协会认可的 USB 一致性测试夹具，测试夹具包含两
大类和四种，分别是用于设备测试的夹具（TF-USBD-STP）以及用于主机测试的夹具（TFUSBH-STP）。
5.总结
USB2.0 接口具备更高传输速度，支持热插拔以及多个设备连接的特点，能够满足用户对于
简便易用的需求，已成为多数外部设备制造商的最终选择。但是，这种快速提升的标准和兼
容能力也给设备设计人员带来了必须解决的新型设计挑战。
RIGOL 提供了一套完善的工具，包括数字示波器、专业的测试夹具和探头以及全自动一致
性测试软件，使得 USB 2.0 设备设计人员能够高效精确地进行信号捕捉、测试与分析。
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