2024年6月11日发(作者：费凌青)
基于Infiniium 9000系列示波器的
从物理层到协议层USB2.0的测试方案
安捷伦科技中国有限公司 马卓凡
概述
自从1995年USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）诞生起，由于USB接
口的简单易用、支持热插拔、速度快等特点被广泛应用于当今的电子产品中，USB
堪称是PC平台上最成功的I/O技术，除PC及外设外，也成为打印机、手机及各种
消费电子产品标准的扩展接口。USB标准规范历经多年的发展从第一代的1.0 Low
Speed/1.1 Full Speed，演进到2.0 High Speed标准，补充标准On-The-Go（OTG）允
许便携设备之间直接交换数据，在2008年底USB 3.0 Super Speed规范也已经发布。
这些接口标准都是向下兼容的，接口速度也由1.5Mbps，12Mbps，480Mbps发展
到5Gbps。
随着接口传输速度的提高，对于设计和开发者来说，信号完整性的问题也越
来越突显，另外以串行的传输结构，在协议层和互操作方面也有更大的挑战。USB-
IF（USB Implementers Forum，USB实施者论坛）制定了一致性测试规范，在电气
层面、功能层面、互操作层面规定认证测试方案，并授权测试实验室认证测试，
USB相关产品通过测试取得USB徽标的认证。这就要求USB开发人员能够在实验
室研发阶段，进行满足一致性规范要求的预测试，及早的发现和解决问题，从而加
快产品的量产速度。
本文介绍了基于集示波器和协议分析功能为一身的安捷伦Infiniium 9000系列
示波器用来测试和分析USB2.0物理电气层和协议层的完整解决方案*。
USB 2.0基本规范
USB 2.0规范定义了三种信号速率，分别是低速，全速和高速，电气特性如表
1所示：
速率 幅度 上升时间**
1.5 Mb/s 3.3 V 75 ns - 300 ns
低速(Low Speed)
12 Mb/s 3.3 V 4 ns – 20 ns
全速(Full Speed)
480 Mb/s 400 mV 500 ps
高速(High Speed)
表1 USB 2.0电气特性规范
* 由于篇幅所限，本文只介绍针对USB2.0总线的测试方案，USB3.0的测试方案另文介绍。
**上升沿时间T
r
定义为10%-90%
小问题：USB2.0测试需要多大的带宽的示波器
对于高速USB2.0信号来说，信号的最大频率分量f
MAX
=0.5/T
r
。
在保证3%的测量精度的要求下，示波器的带宽BW
scope
=1.9 x f
MAX
(注：此公式
适用于高斯响应示波器)。
所以，对于上升沿时间为500 ps的高速USB 2.0信号，示波器的带宽至少应该
为2 GHz左右，以9000系列示波器来说，应选取2.5 GHz带宽的示波器以及更高
带宽的差分探头进行高速USB信号的测试。
USB系统设备类型包括主机 (Host)，集线器(Hub)，外设(Device)。USB Host负
责管理I/O系统及应用软件，管理外设枚举 (Enumeration)，在运行过程中初始化对
特定外设的操作；每个外设接受操作并做出响应，另外主机也将外设纳入系统的电
源管理体系。Hub提供扩展
的USB外设接口，最多可以
级联5级，最多可以连接
127个USB设备。Device接
受Host发起的操作，发送或
接收数据。设备可以自供电
或者由主机供电，主机供电
设备最大吸收电流为500mA。
上行(Upstream)和下行
(Downstream)分别定义了数
据从外设到主机以及从主机
到外设的方向。
USB采用4线结构，分
别为V
BUS
， GND， D+, D-。
图1所示为高速USB接口的结构图，差分总线以Rpu上拉至3.3V，当啁啾(Chirp)
握手后，如果支持高速模式，那么Rpu电阻将被断开， 总线
切换到高速模式。
图1 USB2.0 高速收发器的结构图
高速USB测试需要高速信号质量，接收灵敏度，CHIRP时序，包参数等等，低
速和全速测试则还包括了信号质量，冲击电流，Droop/Drop测试等内容。信号质
2024年6月11日发(作者：费凌青)
基于Infiniium 9000系列示波器的
从物理层到协议层USB2.0的测试方案
安捷伦科技中国有限公司 马卓凡
概述
自从1995年USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）诞生起，由于USB接
口的简单易用、支持热插拔、速度快等特点被广泛应用于当今的电子产品中，USB
堪称是PC平台上最成功的I/O技术，除PC及外设外，也成为打印机、手机及各种
消费电子产品标准的扩展接口。USB标准规范历经多年的发展从第一代的1.0 Low
Speed/1.1 Full Speed，演进到2.0 High Speed标准，补充标准On-The-Go（OTG）允
许便携设备之间直接交换数据，在2008年底USB 3.0 Super Speed规范也已经发布。
这些接口标准都是向下兼容的，接口速度也由1.5Mbps，12Mbps，480Mbps发展
到5Gbps。
随着接口传输速度的提高，对于设计和开发者来说，信号完整性的问题也越
来越突显，另外以串行的传输结构，在协议层和互操作方面也有更大的挑战。USB-
IF（USB Implementers Forum，USB实施者论坛）制定了一致性测试规范，在电气
层面、功能层面、互操作层面规定认证测试方案，并授权测试实验室认证测试，
USB相关产品通过测试取得USB徽标的认证。这就要求USB开发人员能够在实验
室研发阶段，进行满足一致性规范要求的预测试，及早的发现和解决问题，从而加
快产品的量产速度。
本文介绍了基于集示波器和协议分析功能为一身的安捷伦Infiniium 9000系列
示波器用来测试和分析USB2.0物理电气层和协议层的完整解决方案*。
USB 2.0基本规范
USB 2.0规范定义了三种信号速率，分别是低速，全速和高速，电气特性如表
1所示：
速率 幅度 上升时间**
1.5 Mb/s 3.3 V 75 ns - 300 ns
低速(Low Speed)
12 Mb/s 3.3 V 4 ns – 20 ns
全速(Full Speed)
480 Mb/s 400 mV 500 ps
高速(High Speed)
表1 USB 2.0电气特性规范
* 由于篇幅所限，本文只介绍针对USB2.0总线的测试方案，USB3.0的测试方案另文介绍。
**上升沿时间T
r
定义为10%-90%
小问题：USB2.0测试需要多大的带宽的示波器
对于高速USB2.0信号来说，信号的最大频率分量f
MAX
=0.5/T
r
。
在保证3%的测量精度的要求下，示波器的带宽BW
scope
=1.9 x f
MAX
(注：此公式
适用于高斯响应示波器)。
所以，对于上升沿时间为500 ps的高速USB 2.0信号，示波器的带宽至少应该
为2 GHz左右，以9000系列示波器来说，应选取2.5 GHz带宽的示波器以及更高
带宽的差分探头进行高速USB信号的测试。
USB系统设备类型包括主机 (Host)，集线器(Hub)，外设(Device)。USB Host负
责管理I/O系统及应用软件，管理外设枚举 (Enumeration)，在运行过程中初始化对
特定外设的操作；每个外设接受操作并做出响应，另外主机也将外设纳入系统的电
源管理体系。Hub提供扩展
的USB外设接口，最多可以
级联5级，最多可以连接
127个USB设备。Device接
受Host发起的操作，发送或
接收数据。设备可以自供电
或者由主机供电，主机供电
设备最大吸收电流为500mA。
上行(Upstream)和下行
(Downstream)分别定义了数
据从外设到主机以及从主机
到外设的方向。
USB采用4线结构，分
别为V
BUS
， GND， D+, D-。
图1所示为高速USB接口的结构图，差分总线以Rpu上拉至3.3V，当啁啾(Chirp)
握手后，如果支持高速模式，那么Rpu电阻将被断开， 总线
切换到高速模式。
图1 USB2.0 高速收发器的结构图
高速USB测试需要高速信号质量，接收灵敏度，CHIRP时序，包参数等等，低
速和全速测试则还包括了信号质量，冲击电流，Droop/Drop测试等内容。信号质