关于USB2.0一致性分析测试方案

简介

USB（UniversalSerialBus，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。USB2.0取代并合并了定义低速(LS)和全速(FS)数据传输的USB1.1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：

表格1USB2.0信号速率标准

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。

RIGOLUSB2.0一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RIGOLDS70000系列数字示波器上运行的USB2.0一致性测试软件。

图1RIGOLDS70000USB2.0一致性测试软件

信号质量测试项包括：

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-ofPacket)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480.00Mb/s，传输时所需的数据速率精度为480.00Mb/s±0.05%(500ppm)。全速数据速率(TFDRATE)标称12.000Mb/s，传输时所需的数据速率为12.000Mb/s±0.25%(2,500ppm)。低速数据速率(TLDRATE)标称1.50Mb/s，传输时所需的数据速率为1.50Mb/s±1.5%(15,000ppm)。

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≤1600V/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2USB2.0高速抖动测试的主要项目及标准

2.7.眼图测试

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USB2.0U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7DS70000USB2.0一致性测试结果报告

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XHCIHSETT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10USB2.0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

使用同轴线缆配置方案：

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RIGOLDS70000系列实时采样数字示波器，**带宽5GHz，采样率20GSa/s。

图11DS70000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12PVA8000系列有源差分探头

图13USB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（TF-USBH-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USB2.0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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