USB 3.2 測試：從發射器到接收器的自動化驗證與訊號完整性除錯全解析
- Sonya Chan
- 1月13日
- 讀畢需時 7 分鐘
隨著人工智慧 (AI)、高效能運算 (HPC) 以及邊緣運算裝置的爆炸性增長，數據傳輸介面的速度與穩定性已成為電子設計產業最關鍵的競爭力指標，USB 介面作為全球最普及的連接標準，其技術規格已從早期的低速傳輸演進至今日 USB 3.2 Gen 1 (5 Gbit/s) 與 Gen 2 (10 Gbit/s) 的高速領域 。
在高頻寬、多通道的架構下，訊號完整性 (Signal Integrity) 面臨前所未有的挑戰，對於工程師而言，如何精準地驗證發射器 (TX) 與接收器 (RX) 的合規性，並在除錯階段快速定位抖動 (Jitter) 與雜訊 (Noise) 根源，已成為產品能否順利上市的關鍵；本文將深入探討 USB 3.2 的測試挑戰，並解析如何利用先進的自動化測試軟體與高效能 示波器，構建一套符合 USB-IF 規範且具備深度除錯能力的測試環境。
高速序列數據時代的 USB 3.2 測試挑戰
在深入探討測試細節之前，我們必須理解 USB 3.2 帶來的物理層變革，USB 3.2 不僅僅是速度的提升，它引入了更複雜的編碼與訊號調變技術，這表示訊號在通過電路板佈線、連接器與纜線時，更容易受到通道損耗 (Channel Loss)、串音干擾 (Crosstalk) 以及電磁干擾 (EMI) 的影響。
速度演進與訊號衰減
USB 3.2 Gen 1 運作於 5 Gbit/s，而 Gen 2 則倍增至 10 Gbit/s，隨著頻率升高，導體的集膚效應 (Skin Effect) 與介電質損耗 (Dielectric Loss) 會顯著增加，導致訊號到達接收端時眼圖 (Eye Diagram) 閉合，為了確保互通性，USB-IF (USB Implementers Forum) 制定了嚴格的合規性測試規範 (CTS)，要求設備必須通過一系列的發射與接收測試。
自動化測試的必要性
面對如此複雜的規範，手動設定測試參數不僅耗時，且極易發生人為錯誤，現代的測試解決方案，如 Rohde & Schwarz 的 R&S ScopeSuite，強調全面自動化，它不僅能控制 示波器 進行波形擷取，還能自動判斷 Pass/Fail，這對於縮短產品開發週期至關重要。
發射器 (TX) 合規性測試詳解
發射器測試的核心目標，是確保待測物 (DUT) 輸出的訊號品質在經過通道衰減後，仍能被接收端正確解讀，這涉及到對電壓擺幅、抖動、上升/下降時間以及展頻時脈 (SSC) 的精確測量。
關鍵測試項目與流程
USB 3.2 的 TX 測試涵蓋了多種情境，包括傳統的 USB-A、USB-B 接口以及主流的 USB-C (Type-C) 接口 。
低頻週期訊號測試 (LFPS)： 驗證低頻訊號的時序與電壓，這是 USB 裝置建立連結與電源管理的基礎 。
展頻時脈 (SSC) 分析： USB 採用 SSC 技術來降低 EMI，測試需驗證 SSC 的調變頻率與頻偏是否在規範內 。
眼圖測試 (Eye Diagram)： 這是評估訊號品質最直觀的方法，測試分為「短通道」(Short Channel) 與「長通道」(Long Channel) 模式，長通道測試模擬訊號經過長纜線後的衰減情況，通常需要透過 示波器 進行嵌入式通道模擬或使用實體長通道治具。
自動化軟體的角色
R&S ScopeSuite 軟體在此扮演了指揮官的角色，它內建了 USB 3.2 Gen 1 與 Gen 2 的完整測試計畫，使用者只需在首頁選擇對應的標準，軟體便會列出所有必要的測試項目，更重要的是，該軟體完全控制連接的 R&S RTP 高效能示波器，確保測量設定（如採樣率、觸發條件）完全符合 CTS 規範 。這種自動化不僅提升了測試的一致性，也大幅降低了操作門檻。
測試治具與連接
為了進行精確測量，必須使用經 USB-IF 認證的測試治具，對於 USB-C 介面，通常使用 Wilder Technologies 的治具；而對於傳統接口，則使用 Fixture Solutions 的產品，正確的連接至關重要，自動化軟體通常會提供圖像化的引導，指示使用者如何將治具、探棒與 示波器 連接，從而最大程度地減少設定錯誤 。
接收器 (RX) 測試：驗證系統的容忍度
與發射器測試關注「輸出品質」不同，接收器測試關注的是「輸入容忍度」，亦即當輸入訊號帶有雜訊、抖動或經過嚴重衰減時，接收器是否仍能正確還原資料，在 USB 3.2 的高速環境下，RX 測試的重要性不亞於 TX 測試。
接收器測試的核心概念
接收器測試通常透過「誤碼率測試」(BERT) 來進行，測試儀器會發送帶有特定壓力 (Stress) 的訊號給待測物，並計算待測物回傳的誤碼率 (Bit Error Rate)。
抖動容忍度 (Jitter Tolerance)： 這是 RX 測試的核心。測試儀器會在訊號中注入不同頻率與幅度的正弦抖動 (SJ) 以及隨機抖動 (RJ)，驗證接收器在惡劣環境下是否會發生位元錯誤 。
校正 (Calibration)： 在進行測試前，必須先校正輸入訊號的幅度、去加強 (De-emphasis) 與預過衝 (Pre-shoot)，確保注入接收器的訊號精確符合規範要求的「最差情況」 。
整合型解決方案：示波器與 BERT 的協作
一個完整的 RX 測試系統通常需要兩大儀器：產生壓力訊號的誤碼率測試儀 (BERT) 與校正訊號的 示波器，Rohde & Schwarz 的解決方案整合了 Anritsu MP1900A BERT，透過 R&S ScopeSuite 軟體，使用者可以在同一個介面上控制 示波器 與 BERT，實現端對端 (End-to-End) 的自動化測試 ，軟體會自動執行複雜的校正程序，然後控制 BERT 進行掃描測試，這解決了過去 RX 測試設定極為繁瑣的痛點。
超越合規：先進除錯與訊號完整性分析
合規性測試只能告訴你「通過」或「失敗」，但當測試失敗時，工程師需要知道「為什麼」，這就是先進除錯工具發揮價值的地方，R&S RTP 系列 示波器 提供了多種強大的分析功能，幫助工程師深入訊號底層。
硬體時脈資料恢復 (Hardware CDR)
在分析高速序列數據時，時脈資料恢復 (CDR) 是重建眼圖的關鍵步驟，傳統的 示波器 依賴軟體後處理來執行 CDR，這通常非常耗時，且每次波形擷取都需要等待運算，R&S RTP 選配的 K136 (8 Gbit/s) 與 K137 (16 Gbit/s) 進階眼圖分析功能，採用了獨特的「硬體 CDR」技術，這代表 CDR 是在 FPGA 硬體層面即時執行的，能夠連續追蹤輸入訊號的漂移；相比軟體 CDR，硬體 CDR 大幅提升了測試速度，讓工程師能即時看到動態變化的眼圖，快速捕捉偶發性的訊號異常，使用者還可以靈活配置 CDR 的頻寬與標稱位元率 。
去嵌入 (De-embedding) 與即時訊號修正
在實際測試中，治具與纜線本身會引入額外的損耗與反射，導致測量結果失真，為了看到晶片接腳處的真實訊號，必須使用去嵌入技術，R&S RTP-K122 選件允許使用者匯入治具或纜線的 S 參數 (S-parameters)，在即時波形中「扣除」這些效應；此外，示波器 內建的「訊號配置器」(Signal Configurator) 是訊號完整性分析的核心入口，工程師可以在此設定符號率、PAM 階數、均衡器 (Equalizer) 係數等參數，對訊號進行全面的預處理，這讓開發者能夠模擬在不同均衡設定下的訊號表現，對於最佳化接收器設計極具價值。
抖動與雜訊分解
當眼圖閉合導致測試失敗時，了解抖動的成分是解決問題的第一步，R&S RTP-K133 與 K134 選件提供了詳盡的抖動與雜訊分解功能，這些工具能將總抖動 (Tj) 分解為隨機抖動 (Rj) 與確定性抖動 (Dj)，甚至進一步分析週期性抖動與資料相關抖動，透過這些數據，工程師可以判斷問題是來自電源雜訊（通常導致週期性抖動）、串音（可能導致有界不相關抖動）還是通道損耗（導致資料相關抖動），系統甚至能計算並顯示 BER 浴盆曲線 (Bathtub Curve)，直觀地展示系統的位元錯誤率裕度 。
測試配置與報告產生
成功的測試始於正確的配置。根據 USB 3.2 的世代不同，硬體需求也有所差異。
硬體選型指南
靈活的測試報告
完成測試後，R&S ScopeSuite 能自動產生詳盡的 PDF 報告，這份報告不僅是合規性的證明，也是內部研發紀錄的重要文件，使用者可以客製化報告內容，選擇包含哪些測試案例、數值數據，甚至是儀器的螢幕截圖，這種靈活性讓報告既能作為簡單的 Pass/Fail 證明提供給客戶，也能作為詳細的除錯日誌供工程團隊分析。
以精準量測驅動高速介面創新
USB 3.2 技術的普及，為使用者帶來了高速傳輸的便利，但也將實體層的訊號完整性設計推向了極限，從 Gen 1 到 Gen 2，每一次速度的提升都伴隨著更嚴苛的測試要求，對於硬體工程師與測試實驗室而言，擁有一套通過 USB-IF 認證、高度自動化且具備深度除錯能力的測試系統，已不再是選項，而是必須。
透過 R&S RTP 高效能 示波器 與 ScopeSuite 軟體的結合，搭配 Anritsu BERT 進行接收器驗證，工程師能夠從繁瑣的測試設定中解放出來，將寶貴的時間投入在訊號分析與產品優化上，無論是解決眼圖閉合的難題，還是追查微小的抖動來源，這些先進的工具都提供了清晰的視野，確保每一款 USB 產品都能在高速數據時代穩定運行，滿足市場對品質的嚴苛期待。在追求 6G 與更高效能運算的未來，這種對訊號品質的堅持，將是科技持續突破的基石。
