為什麼想符合 USB 3.2 標準如此的困難?
USB Type C （通用序列匯流排）連接器的應用就像名稱所描述，是一種隨處可見的線纜。 甚至是之前僅與 Lightning 電纜相容的 iPhone 也在 14代以後將可使用 USB 電纜充電。 不過，USB 在帶給消費者便利的同時，也為設計與 USB 產品相容的製造商帶來全新的挑戰。
為了向您解開日益複雜化的測試問題，我們的歐洲、中東和非洲實驗室主任 Pascal Berten 與示波器高級應用工程師 Johannes Ganzert 在 2023 年 10 月 4 日於 Rohdhe & Schwarz 的慕尼黑辦事處會面。 雙方的對話圍繞著 USB 3.2 發射器（Tx）和接收器（Rx）的調試，也共同展示如何使用 Rohde & Schwarz 專有的示波器進行 USB 接口調試。
帶來了一系列測試挑戰。 USB 3.2 的多通道操作規範旨在滿足新一代PC、消費性電子產品、顯示器和行動架構對頻寬的更高要求，但由於在它在兩個通道上傳輸的資料量高達前所未有的10Gbps，也導致USB 系統中產生了串擾問題。
以以往的 USB 版本不同，USB 3.2 規範不僅要求製造商在傳輸端或接收端做測試，也必須捕捉全部四個通道的數據，以全面了解串擾的影響。 為此，BERT 的雙通道需要同時發送訊號。 在四對訊號的性能中達到平衡是製造商想準確捕捉設備在涉及多種變數的實際條件下性能的唯一方法。
USB 3.0 和 3.2 有什麼不同？
USB 3.0於2008年發布，比2022年才公開的USB 3.2早十多年。 如今，通用術語「USB合規性」不再指以前的3.0標準，而是指新的3.2規範。
這兩個版本之間實施了許多更新。 值得注意的是，從第 1 代到第 2 代的更新將資料傳輸速度從 5Gb/s 提高了一倍至 10Gb/s。 此外，還有許多電磁相容性 (EMC) 改進，尤其是連接器部分。 也許最關鍵的是，Type-C 進一步將資料傳輸速度從 10Gb/s 提高到 20Gb/s。
USB 2.0 和 3.0 又有什麼差異？
若我們追溯 USB 技術到 2000 年，當時的傳輸速率約為 480 Mb/s，而 USB 3.0 的傳輸速率為 5Gb/s。 USB 3.0 的資料傳輸能量在當時是屬於一流的，使大量資料備份或涉及外接硬碟的大規模傳輸成為現實。 自從 USB 2.0 升級到 3.0 後，接頭線數也從 4 根增加到 9 根，大大提高了速度、頻寬和功率輸出。
USB 3.0 連接埠的完全向後相容性讓它與其他 USB 版本（包括 2.0）無縫協作。 這意味著 USB 2.0 驅動器可以插入 3.0 端口，但需要注意的這種設置會把系統的運行速度限制為 USB 2.0 驅動標準。 在設計方面，USB 2.0 連接埠的內部為黑色，而 USB 3.0 連接埠的內部為藍色。
USB 3.2 Gen 2 產品必須遵守 USB Gen 1 標準嗎?
所有 Gen 2（Super Speed plus）產品必須符合 Gen 1（Super Speed）標準。 同樣的，所有 USB 4產品也需要過 USB 3.2電氣測試這一關。
要知道，實現 USB-IF 合規性不僅需要電氣合規性，還要求製造商必須參加研討會或在如 GRL 的授權測試實驗室 (ATL) 進行驗證才能獲得官方認證。
如何根據 USB-IF 要求準備 USB 3.2 合規性測試
測試裝備要求
想要準確執行 USB-IF 一致性測試就需要使用高效能示波器（例如 RTP164），而 USB 自動化軟體可以讓流程更加順利。
此外，接收器測試還需要能夠產生碼型並強制產品返回 USB 環回的高效能誤碼率測試儀 (BERT)。
最後，確保測試過程中使用的 SMA 電纜匹配也是機關重要。
設計要求
USB-IF 在過去有出售執行測試所需的夾具，但現已停產。 現在製造商必須從 Fixture Solution 取得 Gen 1 Legacy 連接器，而 Gen 1/2 Type-C 連接器必須從 Wilder Technologies 取得 。 夾具解決方案也將在 2023 年底前提供第 2 代傳統連接器。 提供適當的電纜也將以該提供者分配。
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Tx 和 Rx 的 USB 3.2 Gen 1/2 裝置配置
USB-IF 相容規範源自於 USB 3.2 規範和工程變更通知 (ECN)。 該規範詳細說明如何執行 Tx 和 Rx 測量以及其他電氣參數。
部分的人認為 USB 3.2 一致性測試因新性測試模式而變得更加容易。 測試模式 CP0 至 CP8 是針對第1代定義的，而 CP9 至 CP16 是針對第2代定義的。
從裝置連接到測試儀的那一刻起，編號最低的測試模式就會被激活，並在發送 Ping.LFPS 後逐漸向上切換。
從 CP0 至 CP8 測試模式為 Gen 1 定義，而 CP9 至 CP16 是為 Gen 2 定義。
USB 3.2 Gen 1/2 向上裝備 Tx
USB 3.2 Gen 1/2 向上裝備 Tx 圖列
上行埠指的是可以連接到 PC 端的裝置或集線器連接埠。 典型的 USB 3.2 Gen 1/2 上游 Tx 測試設定由測量夾具（又稱示波器）和切換夾具組成。 後者將用於向 DUT 發送 ping.LFPS.ping，以便系統可以切換到下一個測試模式。 只要 DUT 能夠接收到 ping 訊號，切換裝置就不必滿足特定要求。 然而，使用適當的測量夾具非常重要。
取得 USB 3.2 Gen 1 向上長通道 Tx 測試裝備的完整列表
USB 3.2 Gen 1/2 下流裝置 Tx
設備連接下游連接埠限制為 A 口或 C 口。 在大多數情況下，USB 3.2 Gen 1/2 Tx 測試的設定與上游設定完全相同。 唯一的區別是連接到 DUT 的附加 xHCI HSETT 工具，該工具強制下游連接埠處於 Tx-Compliance_Mode 模式並允許在 CPx 之間切換。 HSETT 可以從 USB-IF 官方網站免費取得。
USB 3.2 Gen 1/2 下流裝置 Tx 圖列
在連接燈具之前，必須將下游連接埠設定為測試模式。 如果您的主機作業系統不是 Windows，則可能需要按照其他步驟執行。 雖然當今市場上的大多數主機都支援測試模式，但製造商在此測試階段遇到障礙的情況並不少見。
USB 3.2 電能合規標準
低頻複訊號規範
如果測試系統已正確設置，連接的設備將在開機後立即發送 Polling.LFPS。 借助現代測試自動化軟體，可以立即獲得測試結果，確定設備是否符合了合規性測試要求。
符合 USB 3.2 規範的裝置應符合以下 USB 3.2 低頻週期訊號參數：
- Vpp >=800mV <= 1.2V
- tPeriod >= 20ns <= 100ns
- tBurst >= 600ns <= 1.4 µs
- tRepeat >= 6µs <= 14 µs
- 上升/下降時間 <= 4ns
- 負載週期 >= 40% <= 60%
- AC 共模電壓 <= 100mV
擴頻時鐘
擴頻時鐘是 USB 合規性下的另一項強制測量。 雖然製造商可以透過 CP1 獲得測量結果，但因部分的供應商禁用了擴頻時鐘，預先選擇正確的供應商機關重要。 因為它任然是一項強制性測試要求。
Gen 1 眼圖與抖動測試
與所有測試模式相同，切換是透過在 Rx 對上發送 Ping.LFPS 來完成的。 一旦到達眼圖和抖動測試模式，就可以使用 CP0 和 CP1 進行測量。 要注意的是，此測試通常在合規程序結束時進行。 合規設備的預期結果如下：
長頻道傳眼： 過渡眼
如果產生的眼圖的頂層和底層不相碰，該裝置將被視為已通過合規性測試。
簡訊道傳輸眼： 過渡眼
與長通道相比，短通道眼圖通常具有更寬的眼圖。
Gen 1 抖動和眼圖的要求如下：
- CTLE 在製作 EYE 圖表時完成
- Tj 在 BER-12 <= 132 ps，CP0 位於 TP1
- Dj <= 86 ps，CP- 位於 TP1
- Rj <= 3.27 ps，CP1 在 TP1（如今，Rj 不再是合格要求，而只是一個資訊指標）
對於長通道測量，USB-IF 將透過 RTP 示波器提供適當的 S 參數。 此外，長通道損耗也取決於 USB 連接器的類型以及所使用的上行或下行連接埠。
Gen 2 眼圖與抖動測試
第2代 的眼圖和抖動測量其實與 第1代 非常相似，只是部署了測試模式 CP9 和 CP10。 透過在 Rx 對上發送 Ping.LFPS 來完成測試模式之間的切換。
GRL 專業提示: 仔細觀察每次測量的邊緣就能查出適當的眼睛寬度和高度。
Gen 2 抖動與眼睛的通過要求如下：
- 與 Gen 1 不同，Gen 2 需要在製作 EYE 圖期間完成 CTLE 和 DFE 均衡。
- BER-12 時的 Tj <= 67.1 ps，CP0 位於 TP1 時
- Dj <= 53 ps，CP0 位於 TP1
- Rj <= 1 ps，CP1 在 TP1（Gen2 Rj 如 Gen1 相同，不再是透過要求，而只是資訊指標）
請注意，長通道測量與短通道端設定測量相同。 唯一的區別是 RTP 示波器將 USB-IF S 參數嵌入到訊號中。 除了具有自留或繫留電纜的設備外，第一代長通道始終使用相同的 S 參數。
預拍攝和去重*（僅限於 Gen 2）
USB Gen 2 合規性在預沖和去加重方面還有一項額外的測試標準。 這僅適用於 Gen 2，並且需要測試模式 CP13、CP14 和 CP15 才能執行。 僅通過觀察很難診斷測試結果。 相反，建議製造商在測試模式之間切換並觀察差分電壓如何變化。
USB Gen 2 預先拍攝和去重圖標
強制 USB 3.2 傳輸器測試
USB 3.2 發射機自動化解決方案有一個 RTP 產生器，用於在 CPx 之間切換。 RTP 還將引導使用者完成設定和測試模式，並在最後產生報告。
對於 Type C，在兩個方向上測試接收器非常重要，如果產品是 DRD（主機和裝置），則要測試兩種模式。 對於 USB 3.2 Gen 1/2X2，必須測試所有資料通道。 最後，請記住使用正確的 USB 夾具、電纜和 SMA 電纜。
強制 USB 3.2 接收器測試
USB 3.2 接收器測試可透過短通道和長通道進行。 長通道取決於連接器的速度和類型，而模式產生器（PG）將向被測產品的 Rx 發送經過校準的符合性測試模式。 這將包括：
- 允許的最大抖動級別
- Rj 和 Dj (Sj)
- SSC（33KHz 下頻 5000ppm）
- 最低電壓
首先，將被測產品置於環回狀態（可由 PG 完成）。 BERT 將讀取被測產品在 Tx 端發回的錯誤訊息。 根據 USB 3.2 規範，BERT 應在 10 至 12 之間。 如果 DUT 是 Type-C，則應使用備用 Rx 路徑重複所有測試。
USB 3.2 Rx 測試
校準
USB 3.2 Rx 校準裝置
在進行 USB 3.2 接收器測試之前，必須校準傳送到 DUT 的模式。 長通道和短通道都需要校準，校準參數如下：
- 電壓擺動和去加重（用於短通道和長通道）
- Rj、Sj 和 Tj
計算是透過 SigTest 在後台完成的，這是一個漫長的過程，因此強烈建議實現自動化。 即使是自動化校準，也需要 4 小時的準備時間。 手動校準將耗時數天，而且由於需要追蹤許多校準值，往往會導致大量錯誤。 請注意，無論何時更換 USB 或 SMA 電纜，都需要重新校準設定。
測試
USB 3.2 Rx 測試裝置
校準完成後，將使用儲存在 BERT 中的值進行測試。 符合性測試將在允許的最大 Sj 下進行。
與校準一樣，強烈建議將測試過程自動化。 自動解決方案將把被測產品置於所需的環回模式，而這個過程對於手動操作來說極具挑戰性，需要長達數個工作日的時間，且有很大的出錯空間。
雖然官方並未要求進行合規性測試，但強烈建議測試人員進行接收器容差測試，以確定產品的振幅和抖動餘裕。 校準大約需要 4 個小時，因此請務必從一開始就使用正確的 USB 固定裝置、電纜和 SMA 電纜，以避免重做。
記得在產品處於 DRD（主機和裝置）模式時測試兩種模式，並測試 USB 3.2 Gen 1/2x2 的所有資料通道。
USB3.2 接收器測試中的常見問題
輸入環回失敗
每當產品無法進入環回時，測試人員應先以參考產品驗證設定。 如果確認設定正確，就可以在環回訓練期間停用抖動或增加振幅，從而進一步排除故障。
由於選擇了不正確的通道，Type-C 電纜無法進入環回的情況並不少見。 翻轉電纜或使用測試器夾具的跳線在 CC 線路上進行正確設定通常可以解決這個問題。
接收器耐力測試失敗
當產品未能通過接收機容差測試時，PHY 的均衡器設定可在實施過程中在再定時器或再驅動器上進行調整。 請注意，Tx 上的高振幅可能會導致 Rx 路徑上的串擾，從而導致 Rx 測試失敗。
不良的 PCB 設計
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
不良的 PCB 設計會導致測試失敗。 常見的因素包括線路過長或不匹配造成。 想防止類似情況發生就建議製造商遵守 PCB 設計規則。
節省 USB 3.2 合規測試所花費的時間與成本
GRL從世界八個角落提供全面的 USB-IF 合規性服務，並配備所有必要的測試和調試設備。 我們的測試實驗室每天都在運行，讓您隨時接觸到一系列的技術標準的認證程序。 現在就預約演示，或收看羅 Rohde & Schwarz 的演示錄像，以了解有關 USB 3.2合規性測試的更多資訊。
關於作者
Pascal Berten 領導 GRL 德國和比利時實驗室的技術執行。 身為全球公認的USB 測試專家，Pascal 在訊號完整性、協定和功能測試、電源和線材設計以及多種技術（包括乙太網路、DisplayPort、MIPI 和HDMI）測試領域擁有深厚的技術專長，並且與 USB -IF、MIPI 聯盟等標準組織長期密切合作，協助開發新規範逾20 年。 在加入 GRL 之前，Pascal 在 Eurofins 數位傳輸測試公司擁有 20 多年的工作經驗，領導各種產品的測試、認證、相容性測試和調試工作。
