USB（通用串行總線）自1996年誕生以來(lái)，已成為連接數(shù)字世界的核心橋梁。從最初的1.5 Mbps到如今的80 Gbps（對(duì)稱模式）甚至120 Gbps（非對(duì)稱模式），USB技術(shù)在速度、功率和功能上實(shí)現(xiàn)了跨越式演進(jìn)。隨著USB4 Version 2.0（以下簡(jiǎn)稱USB4 V2）的發(fā)布，數(shù)據(jù)傳輸速率再次翻倍，但同時(shí)也帶來(lái)了前所未有的信號(hào)完整性挑戰(zhàn)。本文將從USB標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展脈絡(luò)切入，深度剖析USB4 V2的測(cè)試邏輯、關(guān)鍵指標(biāo)及行業(yè)解決方案，為研發(fā)、測(cè)試工程師及技術(shù)愛好者提供一份全面的技術(shù)參考。

USB標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展簡(jiǎn)史

USB標(biāo)準(zhǔn)由USB-IF（USB Implementers Forum）組織制定與維護(hù)，其演進(jìn)歷程可概括為以下幾個(gè)關(guān)鍵階段：

USB 1.0/1.1（1996-1998）：最早的標(biāo)準(zhǔn)，速率1.5 Mbps（低速）和12 Mbps（全速），解決了早期電腦接口雜亂的問題。
USB 2.0（2000）：引入高速模式，速率提升至480 Mbps，成為長(zhǎng)達(dá)十年的主流標(biāo)準(zhǔn)。
USB 3.0（2008）：首次突破5 Gbps（后稱USB 3.2 Gen1），采用雙總線架構(gòu)，兼容USB 2.0。
USB 3.1/3.2（2013-2017）：速率進(jìn)一步提升至10 Gbps（USB 3.2 Gen2），并引入Type-C接口，支持正反插和交替模式。
USB4 V1（2019）：基于Thunderbolt 3協(xié)議，速率達(dá)20 Gbps/lane（雙通道40 Gbps），統(tǒng)一采用Type-C接口，支持DisplayPort、PCIe等協(xié)議。
USB4 V2（2022）：最新標(biāo)準(zhǔn)，采用PAM3調(diào)制，每通道速率25.6 GBaud（等效40 Gb/s），對(duì)稱模式下雙向各80 Gbps，非對(duì)稱模式下可實(shí)現(xiàn)單向120 Gbps、反向40 Gbps傳輸。
與此同時(shí)，為適應(yīng)嵌入式場(chǎng)景，USB-IF還推出了eUSB2（嵌入式USB）標(biāo)準(zhǔn)，最新eUSB2 V2.0速率可達(dá)4.8 Gbps，專為設(shè)備內(nèi)部互連優(yōu)化。

什么是USB4 Version 2.0

USB-IF于 2022年10月發(fā)布了USB4 2.0版規(guī)范。根據(jù)這一最新規(guī)范，每個(gè)鏈路都有四個(gè)以 25.6 GBaud PAM3(Pluse Amplitude Modulation 3-level) 或40 Gb/s 速度運(yùn)行的雙向差分通道。在對(duì)稱模式下，每個(gè)鏈路都有兩個(gè)以 40 Gb/s 速度運(yùn)行的通道，每個(gè)方向上的聚合速度為 80 Gb/s。通過一種新的非對(duì)稱模式，鏈路可以在一個(gè)方向上傳輸三個(gè)通道，最終結(jié)果是一個(gè)方向?yàn)?120 Gb/s，另一方向?yàn)?40 Gb/s。

USB4 Gen4每通道以25.6 GBaud進(jìn)行傳輸，發(fā)送端將二進(jìn)制 bit信號(hào)，透過11-bits to 7-trits (三進(jìn)制) 的映射配置進(jìn)行編碼，以 PAM3 信號(hào)傳輸，達(dá)到雙通道80 Gbps傳輸速度，基頻從 10 GHz 略微增加到 12.8 GHz，使用現(xiàn)有的 USB4 和 Thunderbolt 4 電纜和連接器；在接收端部分，Gen4要求在沒有FEC（Forward Error Correction向前糾錯(cuò)）的條件下，誤碼率 TER (Trit Error Ratio) 須以 1E-8 或更低的誤碼率進(jìn)行接收。下表顯示了 USB4 V2.0(Gen4)和 USB4(Gen2和Gen3)之間的主要差異。

80Gbs USB4 V2 怎么測(cè)？

USB4 V2的測(cè)試復(fù)雜度和要求遠(yuǎn)超前代，主要圍繞發(fā)送端、接收端、互連/電纜測(cè)試展開，并引入了全新測(cè)試?yán)砟睢?br /> 為何是PAM3？
USB4 V2選擇PAM3而非NRZ或PAM4，主要基于兩大考量：總損耗與誤碼率。在相同線纜與PCB損耗下，若使用NRZ在40Gbps速率下傳輸，其在奈奎斯特頻率（20GHz）處的損耗將超過40dB，難以補(bǔ)償。PAM3的奈奎斯特頻率為12.8GHz，此頻率下?lián)p耗約為28dB，在IC可補(bǔ)償范圍內(nèi)。同時(shí)，PAM3的信號(hào)噪聲失真比（SNDR）優(yōu)于PAM4，誤碼率表現(xiàn)更好，因此成為更優(yōu)選擇。
1）發(fā)送端（TX）測(cè)試挑戰(zhàn)
發(fā)送端測(cè)試是確保信號(hào)源質(zhì)量的關(guān)鍵，面臨以下新挑戰(zhàn)：

測(cè)試點(diǎn)（TP）：USB4 V2規(guī)范明確規(guī)定一致性測(cè)試在TP2點(diǎn)進(jìn)行。對(duì)于固定/被束縛電纜設(shè)備，測(cè)量點(diǎn)則在TP3。
垂直噪聲裕量：這是PAM3信號(hào)測(cè)試的核心。新標(biāo)準(zhǔn)引入了多項(xiàng)垂直裕量測(cè)試：
* 電平失配：比較PAM3信號(hào)中不同電平間的眼圖張開度差異。
* 信號(hào)與噪聲失真比（SNDR）：關(guān)鍵參數(shù)，需使用線性擬合脈沖響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。
*集成回波損耗（IRL）：全新的強(qiáng)制性測(cè)試參數(shù)。USB4 V2速率極高，任何微小的阻抗不連續(xù)都會(huì)引發(fā)嚴(yán)重反射，影響信號(hào)質(zhì)量。IRL通過對(duì)整個(gè)頻段的回波損耗進(jìn)行積分，綜合評(píng)價(jià)通道的反射性能。其計(jì)算公式基于發(fā)射端回波損耗 Sdd22(f)和理想PAM信號(hào)頻譜 Vin(f)的積分。
巨量的均衡預(yù)設(shè)：為補(bǔ)償不同的通道損耗，USB4 Gen4的發(fā)射器均衡預(yù)設(shè)從Gen2/Gen3的16個(gè)激增至42個(gè)，測(cè)試時(shí)需要掃描所有預(yù)設(shè)以找到最佳設(shè)置。
重定時(shí)器（Retimer）測(cè)試：為保障長(zhǎng)距離可靠傳輸，Retimer被廣泛采用，其相關(guān)的時(shí)鐘切換等測(cè)試要求也更為復(fù)雜。
2）接收端（RX）測(cè)試挑戰(zhàn)
接收端測(cè)試旨在驗(yàn)證設(shè)備在惡劣信號(hào)條件下的容忍能力。

復(fù)雜的壓力校準(zhǔn)：測(cè)試需向接收端注入包含特定損傷的信號(hào)，包括啟動(dòng)電壓、交流共模、隨機(jī)/周期性抖動(dòng)、通道損耗等。Gen4在此基礎(chǔ)上新增了SNDR、電平失配、差模正弦干擾、共模正弦干擾等垂直壓力分量，校準(zhǔn)過程更為繁瑣。
測(cè)試流程：分為鏈路訓(xùn)練（DUT與測(cè)試儀協(xié)商均衡設(shè)置）和錯(cuò)誤計(jì)數(shù)（進(jìn)行三進(jìn)制誤碼率TER測(cè)試）兩個(gè)階段，需通過邊帶通道與USB4電氣測(cè)試工具通信。
新增測(cè)試用例：除傳統(tǒng)的短通道和長(zhǎng)通道測(cè)試外，Gen4新增了對(duì)連接線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器電纜的測(cè)試用例。
3）互連與電纜測(cè)試更新
電纜與連接器的性能直接影響系統(tǒng)表現(xiàn)。

集成S參數(shù)：為避免在單一頻點(diǎn)“卡線”而誤判合格電纜，USB4規(guī)范引入了集成S參數(shù)（如集成插入損耗、集成回波損耗），其計(jì)算在整個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行積分，更全面地評(píng)估性能。
信道操作裕量：USB4 Gen3/Gen4首次引入COM測(cè)試。COM是衡量信道整體電氣質(zhì)量的品質(zhì)因數(shù)，本質(zhì)上是信噪比裕量。其計(jì)算基于實(shí)測(cè)電纜S參數(shù)、參考收發(fā)機(jī)模型及標(biāo)準(zhǔn)定義的COM配置文件，能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際系統(tǒng)的誤碼性能。

測(cè)試儀器與解決方案

是德科技提供從USB2.0、USB3.2到USB4的全套測(cè)試解決方案，包括仿真、設(shè)計(jì)驗(yàn)
證和一致性測(cè)試。
1)發(fā)送端測(cè)試：D9050USBC 發(fā)送端一致性測(cè)試軟件，運(yùn)行于 Infiniium UXR系列示波器（帶寬需≥25GHz）。該方案可自動(dòng)化執(zhí)行全套USB4 V2發(fā)送端測(cè)試，并需配合D9020ASIA高級(jí)信號(hào)完整性軟件進(jìn)行通道解嵌。最新UXR-B系列示波器升級(jí)了硬件，具備更大內(nèi)存，可直接運(yùn)行USB-IF的SigTest分析軟件。

2)接收端測(cè)試：N5991U42A 接收端一致性測(cè)試軟件，與M8040A高性能64 Gbaud BERT協(xié)同工作。BERT負(fù)責(zé)生成精確的加壓測(cè)試信號(hào)，軟件全自動(dòng)控制校準(zhǔn)、鏈路訓(xùn)練和誤碼率測(cè)試流程。

3)互連測(cè)試：S94USBCB USB Type-C互連一致性測(cè)試軟件，配合L8990M開關(guān)矩陣，可自動(dòng)化完成對(duì)電纜、連接器、有源電纜（LRD）的全面S參數(shù)與COM測(cè)試，極大提升測(cè)試效率。

同時(shí)，安立的MP1900A信號(hào)質(zhì)量分析儀也已獲得USB-IF認(rèn)證，支持USB4 V2.0標(biāo)準(zhǔn)。它集成了高質(zhì)量波形發(fā)生器、精密抖動(dòng)/噪聲源和誤碼檢測(cè)器，支持鏈路訓(xùn)練與狀態(tài)機(jī)分析，適用于芯片與設(shè)備的接收機(jī)評(píng)估。

總結(jié)：

USB4 Version 2.0將數(shù)據(jù)傳輸速率推向前所未有的80-120Gbps高度，滿足了8K視頻、高速存儲(chǔ)、外部GPU等前沿應(yīng)用對(duì)帶寬的渴求。這一成就的背后，是PAM3調(diào)制、非對(duì)稱傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)突破，以及隨之而來(lái)的嚴(yán)峻測(cè)試挑戰(zhàn)。
從發(fā)送端的垂直噪聲裕量與42種均衡預(yù)設(shè)掃描，到接收端復(fù)雜的壓力損傷校準(zhǔn)與TER測(cè)試，再到互連的集成S參數(shù)與信道操作裕量（COM）評(píng)估，USB4 V2的測(cè)試體系變得空前復(fù)雜與精密。這要求測(cè)試儀器必須具備更高的帶寬、精度和自動(dòng)化能力，也要求測(cè)試工程師深入理解新的測(cè)試?yán)砟钆c方法。
隨著歐盟法規(guī)推動(dòng)及產(chǎn)業(yè)升級(jí)，USB Type-C接口正成為絕對(duì)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。掌握USB4 V2的設(shè)計(jì)與測(cè)試技術(shù)，對(duì)于確保產(chǎn)品性能、互操作性和成功通過認(rèn)證至關(guān)重要。是德科技、安立等廠商提供的從仿真、驗(yàn)證到一致性測(cè)試的全套解決方案，正幫助工程師應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，共同推動(dòng)高速互聯(lián)生態(tài)的成熟與發(fā)展。未來(lái)，測(cè)試技術(shù)將繼續(xù)與標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)同步，為下一代數(shù)據(jù)接口的誕生與普及保駕護(hù)航。

審核編輯 黃宇