雷电4和USB4物理层的规范是一致的，都是参照TBT4。他們关于速率的兼容性理论上都是一样的。雷电4和USB4使用的协议不同，USB4是用的隧道协议。雷电4用的是DP、PCIe协议。在实际使用中，这种功能性的差异应该体现不出来。从测试层面来说，雷电4、3 和USB4 可以使用同一个测试软件。
当我们连接PC时，您可能会发现以下三个端口中的至少两个或三個不同的組合：USB-A，USB-C和Thunderbolt。其中Thunderbolt的最新版本Thunderbolt 4是Thunderbolt 3的演变，仍然使用USB Type-C连接器。此外，Thunderbolt 4向后兼容所有以前的版本。
Thunderbolt 接口也就是我们常说的“雷电”接口，它的外观与 USB Type-C 相同，不过也仅限外观相同。通常雷电接口旁边都会有一个雷电标识，我们可以通过它来区分 USB Type-C 与 Thunderbolt 4接口。
雷电接口拥有十分强大的功能，最新的 Thunderbolt 4 最大带宽可达40Gbps，实现高速数据传输。并且还支持外接显卡扩展坞、(双4K/单8K） 显示屏、磁盘阵列等各种外部设备。同时，通过雷电接口，还可以为兼容设备供电以及反向供电手机、平板此类电子产品。
英特尔于2020年初正式宣布雷电4，并于当年秋季晚些时候开始在基于酷睿的第11代笔记本电脑上发货。与之前的Thunderbolt 3接口相比，雷电4接口将最低PCIe链路带宽要求从16 Gbps提高到32 Gbps，并使用DisplayPort 1.4协议增加了对双4K显示器（60 Hz）的支持。与 Thunderbolt 3 相比的其他进步包括能够将 PC 从睡眠状态唤醒，支持具有多达四个 Thunderbolt 端口的附件，以及支持虚拟机的 Intel VT-d DMA（直接内存访问）保护。Thunderbolt 4支持高达40 Gbps的双向带宽，使其成为PC到PC数据传输，最佳SSD存储解决方案和Razer Core X等外部GPU坞站的理想接口。笔记本电脑至少有一个雷电4接口能够为设备充电。
这种通用兼容性扩展到支持所有当前和以前的USB标准，包括USB4。USB4外设也使用USB- 型连接器，可以直接插入Thunderbolt 4端口，并以全速运行，Thunderbolt 4 还可以使用 USB Type-C 或 Type-A 连接器（通过适配器或扩展坞）容纳较旧的 USB 外围设备。对接解决方案特别适用于外部端口数量有限的笔记本电脑。此外，Thunderbolt 4可以为笔记本电脑提供高达98瓦的充电功率。
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雷电4的理论传输速率是40Gbps，为了更好的兼容DisplayPort (简称DP)，预留了一部分不容侵占的视频输出专属带宽，用于数据传输的就只有32Gbps，大致相当于 PCleQ 3.04的标准，因此使用雷电4的理论最高速度只有3200 MB/S，使用外置显卡扩展坞时也存在一定的性能耗损，显卡越高端损失越大。(雷电3为DP预留18Gbps的带宽，用于数据传输的带宽，接驳显卡时的损失更大)雷电4收录了当前所有的USB标准，包括USB4 20USB4 401USB4 40可以视为雷电3的通用版)。雷电4接口在搭配非雷电协议的存储外设最高的传输速度就只有USB3.2 Gen2的水平，只有10Gbps，也就是1000MB/s以内。
“USB4 全名为Universal Serial Bus Generation 4。USB 这个介面在1996 年发布USB 1.0 规格, 传输速度支援低速1.5 Mbps 与全速12 Mbps，以及之后陆续发表支援速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等，并在2019年9 月发布最新一代USB4 规格，支援20 Gbps 与40 Gbps。
USB 介面演进及相对应的logo，请参考图表一。
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 USB接口的“雷电”Thunderbolt3协议标准，数据传输速率支持 10 Gbps/lane 和 20G bps/lane 两种速率，选择性地支持 TBT3-compatible 10.3125 Gbps/lane 和20.625 Gbps/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。
USB 4.0 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”。
隨著通信的發展，欧盟会强制要求Apple 使用USB 4。隨著USB4 v2.0规范正式发布，最高支持120Gbps速率。USB4 V2 会采用PAM3的编码方式，而雷电4 是用的NRZ。而搭载该项技术的终端厂商越來越多。是德科技爲您帶來了Type-C®USB一致性测试解决方案，供您參考。
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USB Type-C® 连接器没有方向性，易于使用，并且可以通过 USB PD(Power Delivery)协议提供高达 240W 的动态功率。它向后兼容 USB2.0、USB3.2、USB3.1 和USB4，交替(ALT)模式支持许多新设备和未来设备的 DisplayPort、PCIe®等协议。2021年底，欧洲议会以压倒性优势通过了一项法案：自2024年底开始，所有便携智能设备都必须使用USB Type-C®接口；2026年起，笔记本电脑的标准接口也将成为USB Type-C®。也就是说，USB Type-C®接口将基本统一所有消费电子设备USB接口。
USB标准由 USB-IF (USB Implementers Forum) 组织指定和维护，并被最新的电子设备广泛采用。为了证明符合标准，用户需要按照USB一致性测试规范 (CTS: Compliance Test Specification) 执行全面的发射器、接收器、中继器和电缆测试。而设计和测试工程师在将USB Type-C® 集成到他们的产品中同时确保互操作性和测试合规一致性时面临多项挑战。由于更高的数据传输速度、更大的功率和更多的功能，USB Type-C® 一致性测试标准变得更加复杂，因此成功的测试需要高度准确且符合标准的测试仪器、软件和夹具。
上图为USB3.x和USB4标准的演进。在本文中，引用了各代 USB4， USB4 Gen2 和 Gen3 是指传统的USB4标准(每通道分别为 10 Gb/s 和 20 Gb/s, USB4=USB4V1)，而 USB4 Gen 4 特指的是最新的USB4 V2.0标准(每通道 40 Gb/s)。
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USB Type-C（或 USB-C）是现代电子设备中普遍采用的接口。该连接器支持更小的外形尺寸、更高的数据速率、更多的电力输送能力以及与其他协议的灵活连接。USB Type-C 的主要重点领域包括连接设备、管理电源和确保有效的数据传输。USB Type-C 连接器提供可逆性，易于使用，使用 USB4 协议时动态功率高达 240 W，向后兼容（USB 2.0、USB 3.2、USB 3.1 和 USB4），以及备用模式，以支持许多新设备和未来设备的 DisplayPort、HDMI 和 PCIe® 协议。设计和测试工程师在将 USB Type-C 集成到其产品中并确保互操作性和测试合规性时面临多项挑战。随着 USB Type-C 合规性测试标准变得越来越复杂，成功的测试需要高度准确且符合标准的测试仪器、软件和装置。
本应用说明涵盖了测试 USB Type-C 替代模式所面临的挑战和解决方案的各个方面，包括可通过 Type-C 连接器和电缆承载的最新 DisplayPort、HDMI 和 PCIe® 协议。
Thunderbolt 4和USB4非常相似，很容易混淆。
它们都使用USB-C接口，传输速度都可达40Gbps，能传输视频信号，还能给设备充电。虽然它们很像，但还是有一些区别。在购买设备时，你需要注意设备的最低传输速度和供电功率。你可以查看设备的规格说明，因为USB4设备可以选择20Gbps或40Gbps的速度，而Thunderbolt 4设备有32Gbps的速度。
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 20G bps 信号质量测试的精度、一致性，USB 4.0 继承了很多 TBT 3.0 开始引入的测试方法，包括：Transmitter Preset Calibration；Equalization Calibration 和 Transmitter Return loss 等。
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 20G bps 信号质量测试的精度、一致性，USB 4.0 继承了很多 TBT 3.0 开始引入的测试方法，包括：
1. USB4.0发射端测试
下图是 USB4.0发射端测试的连接示意图。和其他的高速串行总线接口发射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。
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。
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USB4 ElectricalTestToolCLI.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。
USB4.0信号为了补偿有损链路带来的损耗，定义了 16 种发射端均衡，测试规范规定在做发射端测试前，需要对每一个USB接口的每一对高速信号支持的每一种速率分别做预设校准，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。
针对无源电缆的应用场景，USB 的发射端测试点在 TP3。示波器在进行信号质量分析前，需要模拟真实设备，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。
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。
USB4.0标准定义了非常详细、复杂的发射端测试要求，需要对每个 Type-C接口、每一条lane、每一种速率下信号做预设校准Preset Calibration、均衡校准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 一致性测试软件就可以利用 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 一致性测试软件的测试报告如下图所示：
是德科技基于磷化铟(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，是是德科技 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。
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USB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 400 MHz 的 AC共模干扰。是德科技提供基于M8020A误码仪 + M8062A 32Gbps BERT前端 或者 M8040A 32/64Gbaud 误码仪两套方案，供客户灵活选择。
和发射端测试类似，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 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 Gen3 (20Gbps)的要求。
同时，是德科技提供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。
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 10 GHz。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Thunderbolt 3.0 开始，发射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 定义了发射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 20 GHz 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。
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。
是德科技提供了完整的 USB4.0电气测试方案，包括发射端测试、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。
USB-IF于 2022年10月发布了USB4 2.0版规范。根据这一最新规范，每个链路都有四个以 25.6 GBaud PAM3(Pluse Amplitude Modulation 3-level) 或40 Gb/s 速度运行的双向差分通道。在对称模式下，每个链路都有两个以 40 Gb/s 速度运行的通道，每个方向上的聚合速度为 80 Gb/s。通过一种新的非对称模式，链路可以在一个方向上传输三个通道，最终结果是一个方向为 120 Gb/s，另一方向为 40 Gb/s。
USB4 Gen4每通道以25.6 GBaud进行传输，发射端将二进制 bit信号，透过11-bits to 7-trits (三进制) 的映射配置进行编码，以 PAM3 信号传输，达到双通道80 Gbps传输速度，基频从 10 GHz 略微增加到 12.8 GHz，使用现有的 USB4 和 Thunderbolt4 电缆和连接器；在接收端部分，Gen4要求在没有FEC（Forward Error Correction向前纠错）的条件下，误码率 TER (Trit Error Ratio) 须以 1E-8 或更低的误码率进行接收。下表显示了 USB4 V2.0(Gen4)和 USB4(Gen2和Gen3)之间的主要差异。
USB4 Gen4 想要达到 80 Gbps 且沿用与 USB4 Gen3 相同的 PCB 线缆，必须采用新的编码方式如 PAM3 或 PAM4，并且从下列两大方向考量：
1. 总损耗考量 信号从 Host的TX 端经由连接器、线缆，再到Device的RX端，以 USB4 Gen3 相同线缆及PCB 最大允许损耗下，若采用 NRZ 以 40 Gbps 传输，其传输损耗在 Nyquist频率(20GHz) 将会超过 40dB，IC无法补偿此过高损耗，导致信号无法正确接收，NRZ无法符合 Gen4 要求。而 PAM4 与 PAM3 在 Gen4 Nyquist 频率为 10GHz 与 12.8GHz，其总传输损耗分别约为 23dB 与 28dB，IC可以补偿此损耗，纳入分析考量。
2. 误码率考量 PAM3 传送眼高为 NRZ 的一半，PAM4 传送眼高为 NRZ 的 1/3，增加接收端还原信号困难度，而PAM3 在信号噪声失真比 (SNDR) 优于PAM4，经由模拟以及实际线路的实验结果，原始BER分别为 10E-8 与 10E-6，因而选择采用更适合的 PAM3。
USB4 Gen4规格的“带宽”优化 USB4 Gen4 支援「非对称传输」，速度可提升至 120 Gbps。为了维持高影像解析传输，在高数据传输情况下，不降低显示品质，Gen4 新增非对称传输 (Asymmetric Link)。只有 Gen4 可以支援非对称传输，Gen2 与 Gen3 仅支援对称传输。
对称传输指的是 TX 通道数 (Lane) 与 RX 通道数一致。USB4 Gen4 必须为双通道传输，只有 Gen2 与 Gen3 可以是单通道传输 (1*TX/1*RX)，也就是在 Lane 0 传输、Lane 1 停用的状态下传输；而双通道对称传输 (2*TX/2*RX) 可以在 Gen2、Gen3、Gen4 任何速度运行。Gen4 除了支持对称双通道传输外，为了可以支持高解析度影像DP 2.1 传输，且同时高速传输数据，Gen4 新增非对称传输，也就是将其中的一对TX/RX 通道，作为影像传输通道，以 TX/TX 或 RX/RX 传送，如下图所示。也就是一边传输“3*TX/1*RX”，而另一边为“1*TX/3*RX”。使得其在一个方向提供高达120Gbps (40Gbps x3)，同时在另一个方向保持 40Gbps的速率。对称传输转换到非对称传输，是由连接管理 (Connection Manager) 负责控制。
USB标准的这些综合变化创造了额外具有挑战性的 USB发射端、接收端和互连一致性测试要求。需要指出的是：USB4 Gen4 CTS规范仍在指定中，尚未正式发布。初步草案版本表明，该测试方法将利用成熟的USB4 Gen2/3 CTS 的许多内容和测试方法，包括Gen4 控制器、Gen4电气测试工具 (ETT) 和 Gen4 SigTest等。
USB4 V2.0仿真
为了实现早期设计阶段仿真和广泛的系统级布局后分析，从而降低芯片的制造成本。USB4 V2.0仿真解决方案结合了IBIS-AMI(Input/output Buffer Information Specification-Algorithmic Modeling Interface) 模型制作器，以促进 USB 设备模型的开发。设计人员可以在通道仿真中使用 IBIS-AMI 模型来预测和仿真 BER/TER、眼图指标和其他设计参数。随着 USB4 V2.0标准的推出，印刷电路板 (PCB) 的信号频率和速度不断提高，因此信号和电源完整性是任何设计的关键考虑因素。与传输线效应相关的损耗会导致 USB4 Gen4设备出现故障，对走线、过孔和互连进行建模以准确模拟电路板也至关重要。该流程通过为电源和信号完整性分析定制的集成电路设计和电磁模拟器，提高了 PCB 设计中的高速链路性能。
验证 USB4产品要比 USB 3.2 复杂得多。USB4 V2.0 将复杂性提升到了一个更高的水平，增加了额外的测试要求和与更快的多级电平信号(PAM3)相关的信号完整性挑战，从而增加了产品验证时间。发射端一致性测试对 USB4 V2.0或 USB4 Gen4 PHY 设计提出了新的挑战。
USB4 Gen 4 PHY 测试规范的更改包括以下内容：
• 不同的测试点定义
• PAM3 信号的新垂直裕量测量及表征
• 更多的均衡预设(Equalization Presets)
• 新的重定时器(Retimer)测量
USB4.0电气测试方案测试点
为了确保精确地表征发射机特性，开发人员需要了解关键的测试点 (TPs: Test Points)。USB4 V2.0标准定义了 TP2 一致性测试夹具的输出。下图说明了所有发射机测量发生的位置。与 USB4 Gen 2 和 USB4 Gen3 相比，USB4 Gen 4 不再需要在 TP3 处进行测量。但是，开发人员需要在 TP3 处执行固定/被束缚电缆设备(Captive/Tethered cable device)测量，因为唯一可访问的测量点位于 TP3 处。
垂直噪声裕量
新标准继承了 USB4 Gen2 和 USB4 Gen3 对 PAM3 信号执行的传统抖动和时序测量。下图说明了对Gen 4最重大的挑战是如何测量垂直信号裕量。Gen 4引入了多种新的垂直测量方法和测试项目，确保可接受的误码率 (BER) 性能：
• 电平失配(level mismatch) 比较顶部和底部 PAM3 眼图之间的眼图张开度差异
• 信号和噪声失真比 (SNDR: Signal and Noise Distortion Ratio) 是另一个关键的垂直裕量参数，需要使用线性拟合脉冲响应 (LFPR: Linear Fit Pulse Response ) sigma n 和 sigma e。
• 新的集成回波损耗 (IRL: Integrated Return Loss)测试，作为另一个重要的垂直裕量参数，要求同时考虑发射机处的信号质量和通道的插入损耗 (IL)。
均衡预设(Equalization Presets)
USB4 Gen2 和 USB4 Gen3 有 16 个发射器均衡预设。为了适应增加的损失，Gen4 有 42 个预设。与前几代一样，所有 42 个预设都需要单独扫描以确定最小数据相关抖动 (DDJ) 的最佳预设。
重定时器 (Retimer) 测量
为了保证80Gb/s USB4 Gen4信号长距离的可靠传输，重定时器 (Retimer) 会被广泛采用，这就要求增加像频率变化训练测量那样的时钟切换测量。随着 USB-IF更新标准，您可以期待更多有关重定时器测量的信息。
因为需要对多个信号损伤进行微调，接收端压力信号校准一直是比较繁琐的。和USB4 Gen2 和 USB4 Gen3类似，Gen4 要求注入类似的压力组件，例如启动电压、交流共模 (ACCM)、周期性抖动 (PJ)、随机抖动 (RJ) 和损耗通道。同时，Gen4接收机测试引入了新的垂直压力分量，例如 SNDR、电平失配、差模正弦干扰 (DMSI) 和共模正弦干扰 (CMSI)。开发人员需要调整损伤信号以及差模干扰和近端串扰，以获得根据 SNDR 和抖动定义的正确压力水平。带有 USB-IF SigTest 分析软件的高带宽示波器可校准来自码型发生器的加压信号。USB-IF SigTest 是一款命令行工具，它将示波器捕获的波形文件和大量配置参数作为输入来执行时钟恢复和均衡（如果适用），并返回噪声、抖动和上述其他测量结果。
校准压力眼图后，接收机就可以进行测试了。接收端测试过程包括两个阶段：链路训练和错误计数。在链路训练阶段，被测设备 (DUT) 向码型发生器请求各种均衡设置，同时DUT调整其接收端均衡以提高接收信号的质量。
在错误计数阶段，接收机内部错误计数器执行误码率 (BER: Bit Error Rate) 测试（在 Gen2 和 Gen3 的情况下），在 Gen 4 的情况下执行 三进制误码率 (TER: Trit Error Rate) 测试。USB4 边带通道通过 USB-IF 的 USB4电气测试工具 (ETT: Electrical Test Tool) 和 USB4 微控制器与 DUT 进行通信，读取误码测试结果。
与Gen2和Gen3一样，Gen4有两个主要测试用例： • 用于低损耗产品或通过有源电缆连接的短通道 • 用于通过无源电缆连接链路伙伴的长通道
Gen 4为连接到线性转接驱动器 (LRD: Liner Redriver) 电缆的产品添加了第三个测试用例。与Gen 4发射端测试一样，还有一个针对固定/被束缚电缆设备(Captive/Tethered cable device)设备的特殊测试用例。合规性测试规范 (CTS) 草案版本要求添加串扰源以进行接收端测试。
与Gen2和Gen3一样，需要进行边带(Sideband)测试以确保正确的链路协商。USB-IF 计划在Gen4中引入新的发射端和接收端低频周期信号 (LFPS) 测试要求。同时，针对非对称操作模式，Gen4增加了专门的测试。
USB4 V2.0 发射端和接收端回波损耗
回波损耗（反射功率与入射功率之比）是传输阻抗匹配的直接衡量标准。满足测试限制要求对于合规性认证并确保产品性能和互操作性至关重要。USB4 Gen2和USB4 Gen3为发射端和接收端测试引入了新的差模和共模回波损耗要求，这一要求延续到了Gen 4。在 USB4 V2.0中，为了支持将比特率提高到 80 Gb/s而带来了额外的信号完整性挑战，USB-IF 引入了全新的、更为严格的IRL(Integrated Return Loss) 测量，相对于基线波特率频率范围上的入射/反射行为集成功率谱密度的积分（求和）回波损耗测试。您可以按如下方式计算发射端 IRL：
其中： • Sdd22(f) 是 TP2 处发射端的回波损耗，以 42.5 Ω 的单端负载阻抗为参考。 • Vin(f) 是斜率为 20% 的理想 PAM 信号的频谱，定义为
其中 Tb = 39.0625 ps，Tr = 0.2∙Tb。
下图显示了发射端和接收端差分回波损耗 (Sdd22) 和 IRL 设置。矢量网络分析仪(VNA) 测量 S参数文件 (S2P)，同时发射端/接收端 DUT 处于活动模式，并由 USB4 测试微控制器和 ETT 工具驱动产生PRBS7 码型。SigTest 工具分析测量的 S参数以提供测试结果。
发射端 IRL 最大限制是测得的发射机码间干扰 (ISI)裕量(transmitter_ISI_margin) 的函数，该裕量对应于发射机信号与残余 ISI 的比率。USB SigTest 工具必须编译用于发射端的时序和电压测量测试ui_jitter_vertical 的波形文件 (.bin)，以验证发射端 IRL的结果是否满足规范要求，如下图所示：
与之前的USB 3.2 Type-C CTS相比，USB4的Type-C®电缆CTS要复杂得多。将比特率提高到 40Gbps/80Gbps 以支持 USB4 和USB4 v2.0协议，这带来了额外的信号完整性挑战，并且需要与频率范围内的入射/反射行为相对应的更严格的集成测试参数。针对USB4 Type-C®连接器和电缆，在CTS中，新的测试组 B-8 和测试组 A-8 要求集成 S参数计算（插入损耗和差模到共模转换除外），以避免功能正常但可能在某些频率下不符合传统的 S参数规格的电缆组件被误判不合格。在积分回波损耗 (IRL) 的情况下，它现在可以控制电缆组件与系统其余部分（主机和设备）之间的反射，如果电缆损耗较小，则允许更多 IRL。
除了一系列积分 S参数之外，还首次引入了一项名为信道操作裕量 (COM: Channel Operation Margin) 的新测试来鉴定 USB4 Gen3 和 USB4 Gen4 电缆。COM 是衡量通道电气质量的品质因数，它本质上是信道信噪比。如下式所示，其中 A 是信号幅度，N 是 BER（误码率）下的组合噪声，其中包括来自 ISI（符号间干扰）的噪声源、串扰、发射端抖动、接收器端均衡等。所有 TX 抖动和均衡设置均来自USB4规范中该工具的 COM 配置文件。
计算信道操作裕量 (COM: Channel Operation Margin)所需的内容如下：
• 测量的电缆 S参数
• 参考主机/设备
• 参考 Tx/Rx 端接
• COM配置文件
信道操作裕量COM 的技术细节基于 IEEE Std 802.3bj™-2014 Clause 93a，广泛应用于高速千兆位以太网收发器和互连。为了编译信道操作裕量COM和集成 S参数结果，引入了一种新的基于 Matlab 的USB一致性测试工具，称为 Get_iPar.exe。相同的合规工具将适用于USB4 Gen3和USB4 Gen4有源线性转接驱动器(LRD)电缆和LRD组件测试。
链路启动
建立和优化USB4 Gen3 20Gbps NRZ 链路极其复杂，使用Gen4 25.6Gbaud PAM3 链路执行此操作会更加复杂。为此，必须使用多种工具来连接、调试、解码低速边带和高速通道。
为 USB一致性测试选择正确的测量解决方案对于确保其满足 USB-IF 一致性测试规范和最高的互操作性性能至关重要。下图显示了用于 USB4 V2.0 发射端一致性测试、满足USB4 V2.0规范要求的Keysight D9050USBC 发射端测试应用软件。该解决方案提供了一种快速、简单的方法来测试、调试和表征您的 USB 80 Gbps 产品。D9050USBC 软件执行的测试使用 USB-IF 要求的USB4 V2.0 CTS 和 SigTest。该测试应用程序提供用户友好的设置向导和综合报告。除了USB一致性测试软件之外，测量还需要 Keysight D9020ASIA 高级信号完整性分析软件来解嵌 PAM3 通道。
自动化测试软件在 Keysight Infiniium UXR 系列示波器上运行，支持发射端测试和接收端压力信号校准。USB4 V2.0一致性测试需要至少具有 25 GHz 带宽和至少两个通道的示波器。芯片开发人员则需要支持 50 GHz 带宽的示波器来进行精准表征和测试。
如前文所述，采用PAM3信号的USB4 V2.0测试，将引入很多全新的测试项目，比如SNDR(信号失真比)、LFPR(线性拟合脉冲响应)、42个发射端均衡预设等；并且USB-IF的SigTest软件对PC性能有了更高的要求(SigTest V0.86要求48GB或者更高的内存)。考虑到PCIEG6和USB4 V2.0等全新的应用，是德科技对UXR示波器硬件进行了全新的升级，在今年7月份推出了全新的UXR-B系列旗舰级示波器，UXR-B示波器上PC扩展至64GB及以上，可以直接运行USB-IF SigTest软件，给出USB4 V2.0信号分析结果。
是德科技接收端测试解决方案
Keysight N5991U42A 接收端一致性测试自动化软件可简化 USB 设备的校准和接收端测试。该软件引导开发人员完成接收器测试设置，并自动测试整个 USB4 V2.0 一致性测试规范。下图显示了 N5991U42A 直接与 DUT 通信以实现全自动校准和测试。该软件还支持合规性测试套件之外的其他测试，包括抖动容限表征和灵敏度测试。该解决方案可确保 USB 设备与市场上的任何其他产品互操作。与手动测试相比，一体化解决方案提高了测试速度，降低了测试成本，并确保了更高的准确性和可重复性。
该USB一致性测试软件与 Keysight M8040A 高性能64 Gbaud BERT 一起运行，该设备内置了您所需的一切功能(去加重、码型功能、连续时间线性均衡 (CTLE)、决策反馈均衡 (DFE)、创建各种码型结构和序列)。接收端压力信号校准需要配备 D9020ASIA 高级信号完整性软件的 25 GHz 带宽 UXR 系列示波器。
Keysight S94USBCB USB Type-C USB一致性测试软件提供了一种快速、自动化的方法来测试、表征和调试 USB Type-C 设计以满足一致性要求。合规性测试软件取代了遵循测试 MOI 的传统手动测试流程。当与 L8990M 开关矩阵系统连接时，它可以实现4至20个端口的切换，无需手动端口重新连接，从而实现完全自动化的一致性测试。只需几个简单的步骤即可在几分钟内完成测量，并将测试效率提高高达90%。
S94USBCB USB一致性测试软件执行的测试计划基于USB-IF发布的最新 USB Type-C 电缆和连接器一致性测试规范 (CTS) 和线性转接驱动器 (LRD) 有源电缆 CTS 。
S94USBCB USB一致性测试软件涵盖最新USB4 v2.0、USB4、USB 3.2、USB 3.1 和 USB 2.0技术的 USB Type-C电缆组件、连接器和原始电缆测试参数。它还兼容 Thunderbolt，可测试 TBT3 和 TBT4协议。
本文介绍的仿真解决方案以及发射端、接收端和互连一致性测试和测量解决方案是芯片和系统集成商设计满足庞大的USB Type-C®生态系统严格互操作要求的 USB4 V2.0产品所必需的基础模块。USB4 V2.0规范引入了许多新的 USB发射端和接收端测试挑战。USB4 Gen2 10Gbps/ Gen3 20Gbps NRZ信号的实施仍然具有挑战性，再此基础上，更复杂的是 USB4 Gen 4，25.6 GBaud PAM3、40 Gb/s 11-bits to 7-trits 编码，加上非对称模式、串扰和相同的损耗通道。较小的垂直噪声裕量及其相关测量、均衡预设的增加以及重定时器测量是发射机测试的关键方面。由于新的差模干扰、校准过程中的近端串扰调整以及错误计数阶段的三进制误码率 (TER)测量，接收器测试比 USB4 Gen2 和 USB4 Gen3 更加复杂。是德科技 USB一致性测试解决方案（软件、仪器和夹具）已准备好对这一通用USB接口进行全面测试。无论您专注于设计还是验证，我们的解决方案都可以加速调试过程，帮助您进行表征和测试USB4 V2.0产品的合规性。
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