USB 2.0 的三种速率
USB 2.0 在同一根差分线上支持三档速率：
| 速率名称 | 数据率 | 驱动方式 | 摆幅 |
|---|---|---|---|
| 低速 | 1.5 Mbps | 电压模式 | 0 V ~ 3.3 V |
| 全速 | 12 Mbps | 电压模式 | 0 V ~ 3.3 V |
| 高速 | 480 Mbps | 电流模式 | ≈ 400 mV（差分） |
日常所说的”USB 2.0”通常指高速模式（480 Mbps）。
高速模式的特点
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电流模式驱动：恒流源驱动到差分线两端各自的 45 Ω 终端电阻上，差分摆幅仅约 400 mV，在地电位附近摆动。而低速/全速是电压模式，在 0 V 和 3.3 V 之间拉动，呈现标准数字方波。
-
NRZI 编码 + 位填充：NRZI（Non-Return-to-Zero Inverted）编码下，数据为 1 时电平翻转、为 0 时不翻转。为避免长时间无跳变导致接收端时钟漂移，连续 6 个 1 后强制插入一个 0 产生跳变，使接收端能从数据流中恢复时钟。
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一个比特仅 2.083 ns：480 Mbps 下，每个比特宽度即眼图的横轴单位间隔（UI）。
眼图模板
低速和全速是电压模式，3.3 V 的摆幅提供了充裕的噪声容限，当作普通逻辑电平检查即可。
高速切换为电流模式后，摆幅从 3.3 V 降至约 400 mV，信号容限大幅减小。线缆质量差异、走线不等长、过孔、跨分割等因素均会使信号进一步劣化——程度较轻时接收端误判要求重传（表现为传输速率下降），程度严重时设备枚举失败。因此需要一个客观、可复现的判决标准来衡量信号质量是否合规，这个标准就是眼图模板。
信号完整性要点
在测眼图之前，先明确导致信号劣化的主要源头：
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PCB 走线：D+ 和 D− 差分阻抗必须做到 90 Ω，走线等长等宽、紧耦合布线，避免过孔和跨分割平面。
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连接器与线缆：板级走线通常满足设计要求，信号劣化的主要来源是连接器和线缆。
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边沿速率不可过快：规范要求上升时间不低于 500 ps。
偏斜与边沿速率的影响
偏斜（skew）
D+ 和 D− 的时延差称为偏斜。两条线本应严格互补反向，一旦出现时延偏差：
- 过零点偏移：差分波形的判决窗口被压缩，眼宽减小。
- 共模尖脉冲：每个跳变位置在共模电压上产生一个尖脉冲，这是 EMI 的来源。
偏斜的后果可归纳为两方面：时序上损失眼宽，辐射上增加 EMI。
边沿速率（上升时间）
边沿速率对信号质量的影响是非单调的：
- 上升时间过短（边沿过陡）：过冲和振铃幅度增加，EMI 辐射增强。
- 上升时间过长（边沿过缓）：眼图受码间干扰（ISI）影响，眼宽和眼高均缩小，信号可能进入模板禁止区域。
规范对上升时间的约束（≥ 500 ps）限定了合规的工作范围——上升时间低于 500 ps 则过冲和振铃超标，上升时间过高则眼图因 ISI 闭合，只有落在规范规定的区间内才能同时满足 EMI 和时序两方面的要求。
USB 2.0 的一致性测试
与所有高速接口一样，USB 2.0 的一致性测试分为三类：
| 类别 | 测试内容 | 方法 |
|---|---|---|
| 发送端 | 信号质量——让设备发规定码型，示波器捕获后扣模板 | 眼图模板测试 |
| 接收端 | 静噪门限：低于 100 mV 视为噪声忽略，高于 150 mV 必须识别 | 电平灵敏度测试 |
| 通道 | 线缆/连接器的插入损耗和回波损耗 | 频域用 S 参数，时域用 TDR |
按需测试
| 产品角色 | 发送端 | 接收端 | 通道 |
|---|---|---|---|
| U 盘、摄像头等设备 | 测 | 测 | — |
| 主板上的主机口 | 测 | 测 | — |
| 集线器上行口 | 测（当设备） | 测（当设备） | — |
| 集线器下行口 | 测（当主机） | 测（当主机） | — |
| 仅做线缆/连接器 | — | — | 测 |
双向口既发送也接收，因此发送端和接收端均需测试；通道测试仅在产品包含自行设计的线缆或连接器时才需要。
发送端眼图：近端与远端
发送端眼图测试设两个测试点，考察不同层面的信号质量：
| 测试点 | 探头位置 | 考察内容 |
|---|---|---|
| 近端 | 发送芯片输出引脚 | 芯片本身的驱动质量 |
| 远端 | 经过一根最长合规线缆之后 | 信号承受最坏通道损耗后，接收端能否正确识别 |
远端眼图的眼高和眼宽均小于近端，因此近端和远端各用一套模板，远端的模板限值比近端宽。
测试模式
通过主机发送命令，使设备进入 Test Packet 模式，反复发送最坏码型。近端用标准夹具取信号接入示波器通道 1，远端过完最长线缆后取信号接入通道 2。
仪器设置要点
-
带宽：示波器带宽需 ≥ 4 GHz，足够覆盖 480 Mbps 信号的五次谐波以上。带宽不足会使仪器测得的信号边沿速率慢于实际值，导致测出的眼图优于实际信号质量，结果不可采信。
-
时钟恢复：USB 2.0 没有独立的时钟线，必须从数据中通过软件 CDR 恢复时钟作为眼图的横轴基准。
-
抖动分解：抖动需分离为随机抖动（RJ）和确定性抖动（DJ）分别分析（原理见第 32 篇）。
-
去嵌：夹具和线缆自身的损耗需用 S 参数从测量结果中扣除（去嵌原理见第 35、36 篇）。
-
加载模板：根据测试点是近端还是远端，加载对应的模板进行判定。
常见错误
- 用业务流量而非测试码型——业务数据的码间干扰不够严重，无法激发最差情况。
- 用近端模板判定远端信号——远端信号经过线缆衰减后，其眼图无法满足近端模板的限值要求，应使用远端模板。
- 带宽不足——仪器测得的边沿速率偏慢，眼图质量被高估，结果不可采信。
- 只看总判（Pass/Fail）不看余量——余量接近零的项目，量产中因器件差异和温度漂移很可能超出限值。
眼图模板的含义
模板的每条线都有明确的物理依据，下文逐项推导。
中间六边形
眼图的睁开区域必须完整包含中间的六边形，信号波形不得进入六边形区域。六边形定义的是：
- 垂直方向：留给接收端的电压余量。
- 水平方向：留给接收端的时间余量。
上下两条外框
限制差分摆幅在 400 ~ 700 mV 范围内。推导过程：
- 接收端静噪门限为 150 mV（低于此值视为噪声，高于此值必须识别）。
- 在此基础上增加 25 mV 裕量，应对温度漂移和器件个体差异。
- 上下两侧各扩展一次，模板总高约 350 mV。
水平宽度
- 一个比特 = 2.083 ns。
- 减去抖动占用的 0.38 ns → 剩余 0.62 ns 为模板总宽。
模板上的每一条线，均能从上述三条判据（接收端灵敏度、抖动预算、温漂裕量）中推导得出。
线缆长度对眼图的影响
线缆长度对信号的两个维度——幅度和眼宽——的影响规律不同：
- 幅度：随线缆长度增加基本匀速下降。
- 眼宽：在前 4 米基本维持不变，从第 5 米开始急剧下降。5 米处眼高仅剩约 246 mV，超过 8 米后接收端基本无法正确识别信号。
规范将 USB 2.0 线缆最大长度固定为 5 米，这是根据损耗预算精确计算得出的结果，并非随意指定的值。
测试计划
制定一份完整的 USB 2.0 一致性测试计划，分五步：
- 定版本和速度：明确待测的是 USB 2.0 的哪一档速率。
- 定角色、决定测哪几类：根据产品角色确定发送端/接收端/通道的测试范围。
- 列全测试项：逐类展开，不漏项。
- 每项查标准取判据：查询对应规范文档，确定每个测试项的具体模板和限值。
- 排设备、夹具和测试模式，定余量目标：不只要”通过”，还要明确每项的余量目标。
关键文档
查询标准时依赖三份核心文件：
- 电气测试规范（Electrical Test Specification）：规定模板限值和测试步骤。
- 合规文档（Compliance Document）：规定认证流程。
- 对于 HDMI、DisplayPort 等其他接口，框架完全相同，仅具体参数不同。
这三份文件的框架对所有高速串行接口通用。
解读测试报告
理解测试报告的内容比仅执行测试操作更重要。解读要点：
- 不要只看总判（Pass/Fail），关键是每一项的余量。
- 余量恰好仅满足限值——虽然判定为通过，但量产中的温度漂移和器件差异可能导致超出限值。
- 按不合格项定位问题根源：
- 眼图张开不足、进入模板禁止区域 → 信号质量整体不达标，检查驱动能力和链路损耗。
- 摆幅超上限 → 驱动过强或存在过冲，检查终端匹配电阻和驱动电流设置。
- 抖动超出预算 → 回溯检查时钟源、电源噪声、串扰。
- 仅远端不合格、近端正常 → 问题位于线缆或通道，使用 TDR 定位具体阻抗不连续点。
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