第二章：USB物理层基础

学USB测试，第一关就是搞懂物理层。很多人一上来就盯着协议分析仪看包，结果信号质量不行，啥都白搭。我做了这么多年测试，有个深刻体会：物理层是USB的根，根不牢，地动山摇。

这一章，咱们把差分信号、电压摆幅、阻抗匹配、终端电阻还有信号编码这些底子活儿，一次说透。

2.1 差分信号——为什么是它？

USB为什么用差分信号，而不是传统的单端？说白了，就是扛干扰能力强。你想想，一根线传数据，外面来点电磁干扰，信号就变了。但差分信号用两根线，一根传正，一根传负，干扰来了两根线一起变，接收端一相减，干扰就被抵消了。

我在项目中遇到过最典型的问题：客户说他们的USB 2.0设备偶尔丢包，我一看PCB走线，D+和D−两根线走了不同的层，长度差了好几毫米。差分信号讲究的就是对称，你不对称，共模干扰就滤不干净。

2.2 电压摆幅与终端电阻

USB 2.0的差分信号电压摆幅，低速和全速是0V到3.3V（单端），高速则是400mV（差分峰值-峰值）。为什么会变小？因为速率上去了，电压摆幅大了功耗和EMI都受不了。

接收端怎么知道信号是“0”还是“1”？这就要求终端电阻匹配。USB 2.0的高速模式，D+和D−对地要接45Ω的电阻（实际是集成在收发器里的），而且在主机端还有Rterm（终端电阻）做匹配。我在调试一块USB 3.0的板子时，发现信号反射特别严重，最后查出来是终端电阻的精度只有5%，换成1%的电阻，眼图立刻干净了。

• 低速/全速：终端电阻在主机端是15kΩ下拉，设备端是1.5kΩ上拉。
• 高速：主机和设备各自的D+/D−都要接45Ω到地。
• USB 3.x/4：差分阻抗要求是90Ω±15%。（推荐控制在±5%以内）

2.3 阻抗匹配——信号完整性第一课

阻抗匹配，说白了就是让传输线的阻抗和驱动端、接收端的阻抗保持一致。如果不匹配，信号走到阻抗突变的地方就会反射。反射回来的信号跟原信号叠加，眼图就会出现“眼皮”变厚、抖动加大。

举个例子：USB 2.0高速要求差分阻抗是90Ω±15%。我习惯留余量，设计时按90Ω±5%来算。为什么？因为PCB生产有公差，你卡着15%做，量产一波动就超标了。

// 计算微带线差分阻抗的近似公式（经验值，高频建议用场求解器）
// 介质高度 h，线宽 w，线间距 s，介电常数 εr
// 单端阻抗 Z0 ≈ 87 / sqrt(εr + 1.41) * ln(5.98h / (0.8w + t))
// 差分阻抗 Zdiff ≈ 2 * Z0 * (1 - 0.48 * exp(-0.96 * s/h))

2.4 信号编码——NRZI / 8b10b / 128b132b

信号不光要传出去，还要能同步。USB的编码方式经历了三代，我来捋一捋。

NRZI（不归零翻转编码）

这是USB 1.x和2.0低速/全速用的编码。规则很简单：遇到数据“0”就翻转电平，遇到“1”就不翻转。好处是没有直流分量，坏处是如果连续太多“1”，时钟就不同步了。所以USB规定每6位数据必须插入一个“0”来强制翻转。我刚开始学的时候总觉得这编码别扭，后来想想，其实就是为了省成本，不需要额外的时钟线。

8b10b编码

USB 3.0用了这种编码。8位数据变成10位发送，多出来的2位用来保证直流平衡和足够的翻转密度。代价是20%的带宽损耗，但换来更好的信号质量。我记得第一次看8b10b的编码规则时头都大了，后来做了一次眼图测试，对比NRZI和8b10b的抖动，8b10b明显干净很多。

128b132b编码

USB 3.1 Gen2和USB4用的是这个。128位数据只加4位校验，编码效率高达96.97%，比8b10b高多了。但实现复杂度也上去了。我在测试USB4信号时发现，128b132b对时钟恢复的算法要求很高，如果锁相环（PLL）不够好，容易失锁。

2.5 一张图串起物理层逻辑

下面这张图，把USB物理层的核心要素串在一起。从发送端的编码，到差分对传输，再到终端匹配和接收端的解码，环环相扣。

这张图里有个关键点我想强调：终端电阻和阻抗匹配不是一回事。终端电阻是物理器件（比如45Ω电阻到地），阻抗匹配是传输线的特性。两者必须协同，才能让信号干净地到达接收端。我在测试中见过不少设计，终端电阻用的很标准，但PCB走线的阻抗没控制好，结果眼图照样不合格。

2.6 本章小结

USB物理层看似啰嗦，但抓住三个核心点就行：

• 差分对：等长、同层、紧耦合，这是基本功。
• 阻抗：90Ω差分阻抗要留裕量，别卡着15%的边。
• 编码：不同版本差异大，测试时先看清是NRZI、8b10b还是128b132b。