是德科技提供完整USB4.0电气测试解决方案，且均已通过实际验证

USB4.0技术简介

USB全称Universal Serial Bus(通用串行总线)，早在1994年被众多电脑厂商采纳用以解决当时接口不统一的问题。在随后二十多年时间里，USB技术不断发展，标准经历了USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1到USB3.2，直到现在最新的USB4.0，标准的演进如下图所示。

USB4.0直接采用的是Intel和Apple从2015年在高端笔记本电脑上推出的、基于Type-C接口的“雷电”Thunderbolt 3协议标准，数据传输速率支持10Gbps/lane和20Gbps/lane 两种速率，选择性地支持TBT3-compatible 10.3125Gbps/lane和20.625Gbps/lane两种速率；同时，通过交替模式(ALT mode)支持DisplayPort，PCIE等信号标准。为了避免混淆，Intel将未来准备在高端笔记本电脑上部署的Thunderbolt接口，统一命名为Thunderbolt4.0。

USB4.0最新的规范是2021年5月份发布的“USB4 Specification Version 1.0 with Errata and ECN through Oct. 15, 2020”；测试规范是2021年7月份发布的“USB4 Electrical Compliance Test Specification V1.02”。

USB4.0电气测试简介

如上所示，USB4.0采用的是Thurderbolt3协议标准，电气测试也不例外。从物理层电气信号质量验证角度来看，USB4.0=TBT4.0=TBT3.0。为了保证高达20Gbps信号质量测试的精度、一致性，USB4.0继承了很多TBT3.0开始引入的测试方法，包括：Transmitter Preset Calibration；Equalization Calibration和Transmitter Return loss等。

简单讲，USB4.0电气测试主要包括以高性能示波器为基础的发送端测试、以误码仪为基础的接收端测试、以网络分析仪为基础的回波损耗测试和以通用示波器和万用表为基础的Sideband信号测试。下面来一一介绍：

1、USB4.0发送端测试

下图是USB4.0发送端测试的连接示意图。和其他的高速串行总线接口发送端一致性测试方案类似，主要有夹具、低损耗相位匹配电缆、实时示波器组成。除此之外，USB4.0发送端测试还需要一个USB4.0 Microcontroller，这样在控制PC上运行USB4ETT软件，通过控制被测设备产生的相应的测试码型RPBS15/PRBS31/SQ128等。

因为USB4.0需要支持有源电缆和无源电缆两种应用场景，针对的测试点分别是TP2和TP3，即通俗讲的近端测试和远端测试。在进行远端测试时，需要考虑无源电缆的影响。因为一根实体的无源电缆很难完整的表征所有最恶劣的场景，包括插入损耗、回波损耗、串扰等，为了保证测试的一致性和可重复性，发动端测试都是用软件的算法，利用示波器嵌入S参数/传递函数的方式，实现参考链路的模拟。同时，为了保证测试精度，USB4.0要求示波器在进行信号捕获前，需要通过去嵌(De-embedded)的方式去除测试电缆的影响。

a) USB-IF USB4ETT软件

下图是USB-IF新推出的USB4ETT(USB4.0 Electrical Test Tool)工具的实际界面，它可以通过USB4ElectricalTestTool.exe(GUI model；手动控制)或者USB4ElectricalTestToolCLI.exe(command line interface；自动化编程控制)两种方式，使被测设备产生必须的测试码型。

b) Transmitter Preset Calibration

USB4.0信号为了补偿有损链路带来的损耗，定义了16种发送端均衡(Preset0~Preset15)，测试规范规定在做发送端测试前，需要对每一个接口的每一对高速信号支持的每一种速率分别做Preset的校准，选择能够提供最小DDJ值的Preset值，把它设定到被测体的固件里，作为后续验证的基础。

c) Equalization Calibration

针对无源电缆的应用场景，USB的发送端测试点在TP3。示波器在进行信号质量分析前，需要模拟真实device，引入一个参考均衡算法，减轻有损电缆对信号质量的恶化。USB4.0定义了这种参考均衡算法可以有多种不同的连续时间线性均衡(CTLE:Continuous-Time-Linear-Equalizer)和判决反馈均衡(DFE:Decision-Feedback-Equalizer)组成。在做TP3测试前，需要sweep这些组合，找到能提供最大眼图面积（如果面积相等，参考眼高）的最优算法，以此为基础，得到TP3相关的测试结果。

d) USB4.0抖动分离

为了更好表征高达20Gbps的USB4.0信号质量，不同于USB3.2仅仅测试Tj, Rj和Dj三个抖动指标，USB4.0定义了严格的TJ, UDJ, DDJ, LPUDJ, DCD等抖动指标，并且对每个指标如何做抖动分离、如何测量做了详细的规定。

e) 是德科技发送端全自动化测试方案

USB4.0标准定义了非常详细、复杂的发送端测试要求，需要对每个Type-C口、每一条lane、每一种速率下信号做Preset Calibration、Equalization Calibration；然后以次为基础，测试所有抖动(TJ/UDJ/DDJ/LPUDJ/DCD)、眼图、上升时间/下降时间、SSC等指标；并且每一个测试都伴随着测试码型的切换。如果用手动方式，做一次完整的测试，这几乎是不可能的任务。是德科技D9040USBC一致性测试软件完美地解决了整个问题。

如下所示，可以将示波器作为控制PC，USB-IF的USB4ETT软件安装在示波器上，USB4.0 Microcontroller也连在示波器上。这样D9040USBC软件就可以利用USB4ETT command line interface，通过USB4.0 Microcontroller在捕获/分析完所需的信号后，控制被测体产生下一个测试项目所需的测试码型。从而形成一个闭环的全自动化测试解决方案。

D9040USBC的测试报告如下图所示：

从2015年到现在，是德科技（KEYSIGHT）基于磷化铟(InP)工艺的Infiniium系列高带宽示波器，凭借其优异的低噪声、低抖动底噪等硬件性能和专利的尾部拟合”Tail-fit”抖动分离算法等软件，一直是唯一被Intel和Thunderbolt认证实验室认可和批准使用的高带宽示波器。

进入到USB4.0时代，大家如果仔细通读每一个版本的测试规范，都可以发现，所以的仪表截屏、设定和算法，采用的都是德科技高带宽示波器。

2019年，是德科技（Keysight）基于第二代磷化铟（InP工艺，推出了110GHz带宽，256GSa/s采样率，硬件10bit ADC，25fs抖动底噪的UXR系列示波器，将高速信号量测精度推到了另外一个高度。

如下所示，为是德科技（Keysight）UXR示波器和已是业内领先的是德科技V系列示波器，测试同一个USB4.0信号的测试结果比较，UXR示波器提供了更优的信号测试余量。

2、USB4.0接收端测试

下图是USB4.0接收端测试的连接示意图。同样的，和其他的高速串行总线接口接收端一致性测试方案类似，USB4.0接收端测试也是由误码仪、夹具、低损耗相位匹配电缆等组成。这个方案和传统的USB3.2、PCIE G5/4等一致性测试方案相比最大的不同是，USB4.0接收端测试只需要误码仪的码型产生单元，误码比较单元在被测芯片内部，控制电脑运行USB4ETT软件，通过Microcontroller读取误码测试时Bert和USB4.0芯片Preset和链路协商过程、以及最后的误码测试结果。

另外，还需要一个微波信号源，产生一个400MHz的AC共模干扰。是德科技提供基于M8020A误码仪 + M8062A 32Gbps MUX 或者M8040A 32/64Gbaud 误码仪两套方案，供客户灵活选择。

和发送端测试类似，USB4.0需要支持有源电缆(Case 1)和无源电缆(Case 2)两种应用场景，接收端对应的测试点分别是TP3’和TP3。既然信号源需要提供一个标准的符合规范的压力信号进行接收端测试，就必须采用示波器对压力信号进行校准，保证信号源发出的信号经过不同的夹具、电缆后到达测试点各压力成分均满足规范的要求。

同时在接收端测试时，我们需要准备两条被USB-IF协会认证过的无源电缆，2M长的USB4.0 Gen2(10Gb/s)无源电缆和0.8M长的USB4.0 Gen3(20Gb/s)无源电缆，模拟最恶劣的链路环境。

需要指出的是在TP3(Case 2)远端校准时，除了Type-C cable外，还需要ISI boards，利用网络分析实测，保证ISI boards+Type-C cable+Test fixture整个测试链路的插入损耗满足18-19 dB at 5GHz for Gen 2 (10Gbps)和16-17 dB at 10GHz for Gen 3 (20Gbps)的要求。

同时，是德科技（Keysight）提供N5991U40A USB4.0全自动化接收端软件，帮助客户非常方便的控制示波器对误码仪输出的加压信号进行校准，通过USB4.0 Microcontroller和USB4ETT软件读取误码测试时误码仪和被测芯片Preset和链路协商过程、以及最后的误码测试结果，生成完整的测试报告。

3、USB4.0回波损耗测试

高速串行信号传输速率越高，信号的射频微波化趋势就越明显，20Gb/s的数字信号的Nyquist频率已经高达10GHz。这种情况下，仅仅测试信号的时域指标已经越来越难以保证信号的质量；因此从Thunderbolt3.0开始，发送端在正常传输数据时的回波损耗测试也变成了一个必须的测试项目，USB4.0当然也不例外。USB4.0定义了发送端和接收端差分回波损耗及共模回波损耗四个测试项目。

下图是USB4.0回波损耗测试的实际连接和结果示意图。它需要一台至少20GHz带宽、带TDR选件的网络分析仪，同时被测体通过USB4ETT软件和USB4.0 Microcontroller产生PRBS31的测试码型。是德科技提供详细的操作步骤和网络分析仪设定文件(State File)供大家参考。

4、USB4.0 Sideband信号测试

因为USB4.0需要通过Type-C连接器的SBU1、SBU2等sideband信号完整复杂的初始化和协议控制，所以测试规范对它们的电气特性测试做了详细的要求。这部分测试比较简单，使用通用示波器和万用表就可以很方便的完成，感兴趣的同学可以直接参考测试规范。

是德科技（Keysight）提供了完整的USB4.0电气测试方案，包括发送端测试、接收端测试、回波损耗测试Sideband信号测试。并且，这些方案已经在实际中得到验证，表现优异。