在上一篇文章中，我们学会了测量 USB 2.0 的眼图。如果你使用的是 USB 3.x 设备，你会发现，即使它插在电脑上速率正常，但用仪器去测量 USB 3.x 信号，它的原始眼图就是闭合的。这不是芯片故障，而是物理必然。到了 5G、10G 这个速度，走线和连接器的损耗已经大到发送端输出的原始眼图是必然闭合的。
对于这种高速信号，我们的测量方法如下：
- 发送端：故意将信号预扭曲后发出（去加重/预加重）。
- 测试链路：信号先经过一段标准参考通道，再进入一个参考接收器做均衡，使眼图恢复开口后再扣模板。
- 接收端：不再测量门限，而是向被测设备注入最坏情况的压力眼信号，测量其抖动容限。
USB 的命名
USB 3.x 的官方命名改过多次，新旧叫法混用。
| 速率 | 数据率 | 说明 |
|---|---|---|
| Gen1 | 5 Gbps | 单通道 |
| Gen2 | 10 Gbps | 单通道 |
| GenX ×2 | 10 / 20 Gbps | 两条独立通道并行翻倍 |
| 20 Gbps | — | 超速信号，仅限 Type-C 接口 |
USB 3.x 比 USB 2.0 更快不仅依靠信号频率提高，还来自于架构的升级：
- 全双工：USB 2.0 是半双工，收发共用一对差分线，同一时刻只能单向传输。USB 3.x 增加两对独立差分线，一对发送、一对接收，互不影响。
- 编码开销降低：从 8b/10b 换成 128b/132b，开销从 25% 降到约 3%。
超速信号的三项新特性
1. 比特宽度缩短
- Gen1：一个比特 200 ps。
- Gen2：一个比特 100 ps。
相比 USB 2.0 的约 2000 ps（2.083 ns），Gen2 缩短成约 1/20 。留给信号建立和抖动的余量被压缩到最小，这也导致后续信号处理的每个环节都需要依靠均衡技术。
2. 扩频时钟（SSC）
超速信号能量集中，直接测量电磁辐射很容易超标。解法是把时钟频率按 30 ~ 33 kHz 向下扩展约 5000 ppm，使能量分散到一小段频带上。详见下文专节。
3. 低频周期信令（LFPS）
上电握手、链路训练等管理动作使用慢速信号 LFPS。超速信号的速率回退到 USB 2.0 速率时，原因可以从这段握手的异常中定位。
一致性测试框架
将第 35 篇的通用框架应用于 USB 超速模式，仍然测试三大类：发送端、接收端、通道。但和 USB 2.0 还有如下差异：
| 类别 | USB 2.0 | USB 3.x |
|---|---|---|
| 发送端 | 用原始眼图扣模板 | 眼图要均衡后才能看：过参考通道进参考接收器，眼图打开后再扣模板 |
| 接收端 | 测量静噪门限，即最小可识别的信号幅度 | 压力眼抖动容限：注入最差情况下的压力眼信号，误码率 < 1e-12 |
| 通道 | 插入损耗、回波损耗 | 更严苛的插损/回损 |
发送端
发送端预扭曲
传输线本质是一种低通滤波器：高频衰减多、低频衰减少。这样导致的结果是，连续不变的位（低频成分）幅度高，跳变的位（高频成分）幅度低，眼图的对称性被破坏、开口减小。
发送端的对策是提前做反向补偿：
- 去加重：将连续不跳变的位压低，对 Gen1 信号一般为 3.5 dB。
- 预加重：将要跳变的位提前抬高。
信号在发送端测得的眼图是闭合的，经传输线损耗后，在接收端眼图恢复张开。例如，Gen2 信号会用三个抽头（tap）调节预扭曲的形状。
去加重量的选择：以一条 5G 长走线为例，判据为眼高 100 mV、眼宽 0.4 UI，去加重从 0 调到 −16 dB：
| 去加重 | 接收端眼高 | 结果 |
|---|---|---|
| 0 dB | 82 mV | 低于判据，不通过 |
| −7 dB | 225 mV | 余量最大 |
| −16 dB | 36 mV | 不通过 |
两个极端档位均不通过，中间一段才是最优区间。去加重量存在上限的原因是：发送端摆幅受规范限制，只允许 800 ~ 1200 mV，高频分量无法抬到规范之外。如果不能无限抬高高频分量，那么可以反过来压低低频分量，衰减低频，也相当于提升高频，因此这种方法命名为去加重。
压低频分量意味着主动衰减低频能量。压得不够，眼图仍因信道损耗而闭合；压过头，眼图因低频分量被过度衰减而无法张开。
另一个更实用的结论：这条链路的最优去加重档位在 −6 ~ −7 dB 区间，而不是规范里最常引用的 −3.5 dB。去加重的档位由信道损耗决定，不是固定值。
参考通道和参考接收器
在真实的系统里，信号发出后要经过一段走线，经对端接收器均衡处理后才判决。因此测试时，信号先经过一段标准参考通道（模拟走线损耗），再进入参考接收器——用 CTLE 提升高频分量以补偿走线损耗，必要时再加 DFE 消除拖尾的后游标干扰。
| 处理 | 眼高 | 结果 |
|---|---|---|
| 探头直接抓到的原始眼图 | 0 mV | 完全闭合，不通过 |
| 参考接收器 CTLE 调到规范档位（6 dB） | 43 mV | 仍低于 70 mV 判据 |
| 再接参考接收器 DFE | 341 mV，眼宽 0.73 UI | 通过 |
一个常见的误区是：即使 CTLE 已经调到最大，为什么眼图上还差那么多？这是因为这条链路上的损伤不止一种。首先，CTLE 补偿的是走线的低通损耗，即高频衰减，均衡可以恢复。其次，连接器的阻抗不连续会把能量反射回来，在几个 UI 之后叠加成一个后游标。这是反射而不是损耗。CTLE 无论怎么提升高频都无法消除它。消除反射是 DFE 的职责，它会根据已判决的历史比特反推当前位上叠加的拖尾量。
CTLE 处理损耗，DFE 处理反射，二者不可互相替代。 报告上看到 CTLE 加大而眼图不变，应从反射型损伤入手改进，而不是继续加大均衡。
发送端测试
主机用 LFPS 逐个发送规定码型信号，从 SSTX 差分对输出，经标准夹具的抽头，然后经同轴线输入带宽 16 GHz 以上的实时示波器。
到这一步为止，示波器抓到的仍然是闭合的原始眼图——真正的工作在软件里完成。软件内的处理分为四步：
- 去嵌：扣除夹具的损耗。
- 参考通道：补上规范规定的走线损耗。
- 参考接收器：CTLE + DFE + 时钟恢复。
- 眼图恢复开口后，再对比眼图模板进行判决。
接收端测试
接收端测试是一致性测试中难度最高、成本最高的一项，测试思路和 USB 2.0 完全不同。USB 2.0 是测量”信号幅度多小还能识别”；USB 3.x 是测量”信号劣化到极限时，接收端能否几乎无差错地接收”。这就是抖动容限测试：
- 构造压力眼：误码仪发送码型，叠加满额的随机抖动（RJ）、码间干扰（ISI）和正弦抖动（SJ），将眼图压缩到规范允许的最小眼高和眼宽。
- 环回：被测设备设为环回模式，把收到的数据原样发回；对比收发数据，统计误码率。
- 扫频：将正弦抖动频率从低到高扫描，每个频点都要求误码率低于 1e-12。
接收端的测试台与发送端完全不同：误码仪发送码型，依次叠加随机抖动、正弦抖动，再串联一段损耗信道产生码间干扰，合成压力眼。该压力眼要先经示波器按规范校准到最小眼高和眼宽，才能输入给被测设备。被测设备通过 LFPS 握手进入环回，把数据原样发回，误码仪对比收发数据。
扩频时钟（SSC）
虽然信号完整性工作一直在对抗信号抖动，但 USB 3.0 规范要求发送端故意晃动自己的时钟频率——按 30 ~ 33 kHz 的三角波向下扩展约 5000 ppm，人为引入一个很大的低频抖动。这样做的目的是为了通过电磁兼容（EMC）测试。如果没有扩频，即使信号质量很好，EMI 测试不通过也是不符合规范的。
扩频的代价是直接导致了眼图闭合，这个问题再通过时钟恢复技术来解决。33 kHz 远低于 4.9 MHz 的环路带宽，时钟恢复几乎完全跟踪，二阶环对匀速频率漂移的稳态误差为零，仅在三角波折返瞬间存在短暂的跟踪滞后，残余抖动很小，可以满足电磁辐射和眼图同时合格。
因此，SSC 并非额外开销，而是 USB 规范有意为止的一种折中：以信号完整性换取电磁兼容，再由接收端的时钟恢复恢复信号完整性。
实际应用中的注意事项：
- 示波器的时钟恢复未配置为跟踪 SSC 时，眼图会异常模糊。
- 扩频只能向下扩展，不能向上。
仪器设置要点
- 带宽：一个比特只有 100 ps，三次谐波达到 15 GHz，示波器带宽至少要 16 GHz，否则仪器自身的带宽限制会先使眼图闭合。
- 参考接收器均衡：CTLE 增益和 DFE 抽头必须按规范设置，设置错误时判定的通过与不通过均不可信。
- 时钟恢复：要能跟踪扩频，环路带宽按规范配置。
- 抖动：分为随机抖动（RJ）和确定性抖动（DJ），再用浴盆曲线外推到 1e-12。
- 去嵌：夹具的损耗在高速下影响更大，必须用 S 参数扣除干净，才能测得芯片真实的输出。
报告解读
正确解读报告比操作测试更重要。
确定判据
- 发送端模板的眼高、眼宽：接收端还能识别的电压余量，以及一个比特减去抖动预算后的时间余量。
- 去加重的档位：由信道插入损耗反推。
- 接收端容限曲线：是时钟恢复传递函数的倒数，呈斜线加平台的形状。
找出原因
| 现象 | 原因 |
|---|---|
| 发送端眼图开口过小 | 去加重设置不匹配，或抖动过大 |
| CTLE 加大而眼图不变 | 反射型损伤，应使用 DFE 或排查通道 |
| 容限曲线在低频斜坡段低于标准线 | 时钟恢复环路带宽过窄 |
| 容限曲线在高频平台段低于标准线 | 均衡不足 |
后两项的排查方向完全相反，判断错误会浪费大量排查时间。
常见问题
- 功能正常不等于合规：能传文件不代表通过一致性测试。
- 余量恰好满足限值同样危险：量产阶段因器件差异和温度漂移可能超出限值。
- 链路回退到 USB 2.0 速率：超速建不起来，多数不是眼图问题，而是 LFPS 握手/链路训练未通过——应检查 LFPS、扩频配置和交流耦合电容，而不是从眼图入手排查。
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