USB4 Active Cable 最新重點(diǎn)規(guī)范

USB速度從最一開(kāi)始USB 1.1最快的12M，到USB 2.0的480M，再到USB 3.2時(shí)期的單lane 10G，一直到最近USB4的單lane 20G。隨著傳輸速度不斷上升，Passive Cable長(zhǎng)度也從USB 1.1/ 2.0的最長(zhǎng)5m，到USB 3.2 Gen2 Type-C的最長(zhǎng)1m，再到USB4 Gen3 Type-C的0.8m（協(xié)會(huì)建議）。不過(guò)，隨著各家廠商Cable產(chǎn)品長(zhǎng)度不同，USB協(xié)會(huì)也歡迎廠商突破建議長(zhǎng)度。舉例來(lái)說(shuō)，百佳泰曾協(xié)助廠商2.1m（目前全球最長(zhǎng)）的Full-Featured USB-C to C Cable (USB4 Gen2) C-C Passive Cable成功取證，另有廠商在百佳泰取得Full-Featured USB-C to C Cable (USB4 Gen3) C-C Passive Cable 1m認(rèn)證。

USB-IF注意到了Cable長(zhǎng)度的問(wèn)題，便開(kāi)始著手于Active Cable規(guī)范的定義以及認(rèn)證測(cè)試的制定。Active Cable除可以補(bǔ)償因傳輸速度愈來(lái)愈高所帶來(lái)的Channel Loss，也可以增進(jìn)整個(gè)Ecosystem的Data Signal Integrity。

在2021年2月中旬USB-IF發(fā)布的USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0中，有三個(gè)Engineering Change Notice (ECN)跟USB4 Active Cable有關(guān)，分別為：

• USB Type-C ECR USB4 Active Cable Requirements
• Section 6.6.5 USB Active Cable Electrical Requirements for LRD-based Cables
• Requirements for USB4? Re-timer based Active Cables

第一個(gè)ECN「USB Type-C ECR USB4 Active Cable Requirements」主要是增加USB4 Short Active Cable的要求，分別針對(duì)Table 6-1與Table 6-2修改如下紅字：

Active Cable規(guī)格重點(diǎn)節(jié)錄

• Active Cable的種類(lèi)主要以傳輸介質(zhì)來(lái)分類(lèi)，一種是以光來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的方式，稱(chēng)為Active Optical Cable（AOC），目前只定義到USB 3.2傳輸速度。
• 另一種則是以銅加上Re-driver/ Re-timer來(lái)傳遞數(shù)據(jù)的方式，稱(chēng)為Active Copper Cable（ACC），該Cable長(zhǎng)度限制在5m以內(nèi)。
• 以USB 3.2 ACC以及USB4 ACC來(lái)做比對(duì)，相異之處在于USB4 ACC多了USB4速度的支持，在Alt mode的支持方面則將Thunderbolt列為必支持。
• 在SBU支持的方面，兩種類(lèi)ACC Cable在Alt mode下的支持均為非必要，而USB4 ACC在SBU的傳輸可以是Passive，也可以是Active。
• USB 3.2 AOC的長(zhǎng)度端賴(lài)于是否符合USB 3.2規(guī)范的Latency，因?yàn)榫€長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)所以不需要供Vbus，Vconn則規(guī)定跟Cable接續(xù)的兩個(gè)USB devices都需要提供電力給Cable兩端的E-Marker芯片，使PD E-Marker能正常溝通。
• USB 3.2 AOC在CC的PD溝通也規(guī)定要使用光來(lái)傳輸。
• USB 2.0傳輸在USB 3.2 AOC則不被允許，當(dāng)偵測(cè)到運(yùn)行速度降到USB 2.0并reset 3次后，需要枚舉USB billboard并跳出警示訊息來(lái)警告用戶。

USB4 Linear Re-Driver Cable電氣測(cè)試與認(rèn)證細(xì)節(jié)

上文談到Type-C Passive Cable發(fā)布2個(gè)Engineering Change Notice (ECN)，其中一項(xiàng)新增有關(guān)USB4 Active Cable的規(guī)范?，F(xiàn)在來(lái)介紹第二個(gè)ECN「USB Active Cable Electrical Requirements for LRD-based Cables」，也就是USB Type-C Linear Re-Driver (LRD) Cable的電氣要求。

USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0的第6章，過(guò)去只有USB Type-C Re-Timer Cable相關(guān)規(guī)范。2019年時(shí)，Intel本以Re-Timer做為開(kāi)發(fā)重心，但因單價(jià)較Re-Driver為高，做成Active Cable之后的單價(jià)尤為可觀，故之后均以Re-Driver為重點(diǎn)，USB-IF也藉此ECN補(bǔ)完USB Type-C LRD Cable的Electrical Requirement。

下面節(jié)錄Table 1-1與Table 1-2關(guān)于LRD Cable的Electrical Requirement：

LDR Cable Compliance與測(cè)項(xiàng)進(jìn)度

根據(jù)USB-IF Annual Meeting得到的消息，LRD Cable Compliance包含以下測(cè)項(xiàng)，各測(cè)項(xiàng)相關(guān)進(jìn)度亦簡(jiǎn)述如下：

• USB Type-C Functional: 會(huì)利用兩臺(tái)LeCroy M310P，一臺(tái)模擬為DFP/ SRC，另一臺(tái)則模擬為UFP/ SNK來(lái)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)速度USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試。
• USB PD: 也就是PD E-Marker 測(cè)試，USB-IF規(guī)劃初期Compliance可能不會(huì)執(zhí)行，某些測(cè)試則會(huì)用USB Type-C Functional來(lái)涵蓋。
• USB Cable and Connector: 參考Passive Cable的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行測(cè)試。
• USB Type-C Thermal: Fixture & Chamber Box尚在規(guī)劃故沒(méi)有進(jìn)展。
• LRD Electrical: 目前USB 3.2還在每周Working Group的Meeting討論改進(jìn)。USB4目前最新版是8，稍后會(huì)做介紹。
• USB LRD interoperability: 疫情關(guān)系造成USB-IF活動(dòng)全面停辦，相關(guān)活動(dòng)也隨之無(wú)法舉辦，端看2021年8月在美國(guó)的USB Compliance Workshop是否舉辦來(lái)決定。

三大USB4 LRD Cable Electrical Test

• Frequency Domain Test: 確保LRD Cable加了Re-driver的每條lane，其高頻特性能盡量符合Passive Cable。
• Time Domain Cable Stand-Alone Test: 驗(yàn)證高速訊號(hào)運(yùn)行在LRD Cable上，其訊號(hào)質(zhì)量能優(yōu)于Passive Cable。
• Time Domain Cable Output Eye Test: LRD Cable訊號(hào)透過(guò)Receiver Long Channel所得到的分?jǐn)?shù)能優(yōu)于Passive Cable。

USB Frequency Domain Test測(cè)試重點(diǎn)

Frequency Domain Test目前使用的設(shè)備為Keysight E5071C，相信大家應(yīng)該都不陌生，測(cè)試重點(diǎn)請(qǐng)參考如下：

• 需要得到LRD Cable每條lane正向反向的S參數(shù)，接著再利用S參數(shù)帶入91a來(lái)取得測(cè)項(xiàng)的運(yùn)算結(jié)果
• 取得S參數(shù)時(shí)跟Passive Cable一樣，需要De-embedded 治具帶來(lái)的影響，取得LRD cable only的S參數(shù)。
• 除了取得LRD cable各lane共8個(gè)方向的S參數(shù)之外，也需要額外取得USB4 Gen3/ Gen2以及USB 3.2 Gen2這些Passive Cable各一lane的S參數(shù)，為后續(xù)Time Domain Cable Stand-Alone Test做準(zhǔn)備。

USB4 Linear Re-Driver Cable Time Domain 測(cè)試關(guān)鍵

Time Domain的相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目，大致上包含2大部分：Time Domain Cable Stand-Alone Test以及Output Eye Test。

Time Domain Cable Stand-Alone Test

Time Domain Cable Stand-Alone Test使用的設(shè)備為Keysight 33GHz Scope與Keysight M8020 with M8062A模塊。測(cè)試主要是取得LRD Cable Output端各lane trace加上LRD芯片的Noise，以及在USB4與USB 3.2速度下的反應(yīng)。測(cè)試時(shí)需要針對(duì)LRD Cable的各lane正反向傳輸分別取得下面四個(gè)Pattern的波形，再用Get_iPar_v0.91a來(lái)判斷：

• 400mV-pk PRBS15的Differential Mode Waveform
• 400mV-pk PRBS15的Common Mode Waveform
• 650mV-pk PRBS15的Differential Mode Waveform
• 150mV-pk SQ512的Differential Mode Waveform

Time Domain Test與Frequency Domain Test相同點(diǎn)之一，需在USB4 Gen3/ Gen2以及USB 3.2 Gen 2這3條Passive Cable各lane取得上述4個(gè)波形，搭配Frequency Domain Test所取得的S參數(shù)來(lái)做運(yùn)算。

LRD Cable則需要分別在USB4 Gen3/ Gen2以及USB 3.2 Gen 2這3個(gè)速度，再加上正反向傳輸以及全部4個(gè)lane取得這4個(gè)波形，搭配Frequency Domain Test所取得的S參數(shù)來(lái)做運(yùn)算。

Time Domain Cable Output Eye Test

Time Domain Cable Output Eye Test是USB4 LRD Electrical里最花時(shí)間的測(cè)試。用到的測(cè)試設(shè)備除了前面Time Domain Cable Stand-Alone Test的Keysight 33GHz scope與Keysight BERT之外，還需要Receiver Long Channel的Fixture Kits。

測(cè)試前需要執(zhí)行USB4 Gen3/ Gen2與USB 3.2 Gen2在Receiver Long Channel的校正。該測(cè)試主要是用Receiver Long Channel測(cè)試環(huán)境，看BERT打出特定amplitude以及jitter量的訊號(hào)，經(jīng)過(guò)待測(cè)LRD Cable進(jìn)入scope，在scope經(jīng)過(guò)CTLE與DFE之后眼高與眼寬的乘積（后稱(chēng)Eye Area Score）是否比Passive Cable所得到的Eye Area Score相同或更好。

USB4因?yàn)?6組Presets，搭配10組CTLE加DFE，總共需取得160個(gè)Eye Area Score。再?gòu)闹腥〉脗€(gè)最大的Eye Area Score，做為L(zhǎng)RD Cable待測(cè)lane的分?jǐn)?shù)。該Eye Area Score并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，單純代表該lane的分?jǐn)?shù)。因?yàn)橐獔?zhí)行160次再來(lái)比大小，所以一個(gè)lane需要5至6小時(shí)來(lái)完成。

驗(yàn)證USB 3.2時(shí)則需要對(duì)SigTest做一些修改，將7組CTLE放入SigTest。和USB4相比，USB 3.2測(cè)試不那么復(fù)雜，但也會(huì)將待測(cè)lane在scope擷取的波形存下來(lái)，帶入SigTest套用7組CTLE取得7個(gè)Eye Area Score來(lái)比大小，最后取得分?jǐn)?shù)最高的Eye Area Score。

測(cè)試時(shí)一樣要先取得USB4 Gen 3/Gen 2與USB 3.2 Gen 2 Passive Cable其中一lane的最大Eye Area Score，接著改用LRD Cable驗(yàn)證各lane在各USB速度、正反向傳輸，搭配Presets與CTLE加上DFE所得到最大的Eye Area Score。

百佳泰執(zhí)行USB4 LRD Cable Electrical Testing相關(guān)設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備完畢，日前已協(xié)助多家USB-IF Cable Assembly 廠商完成測(cè)試。各位廠商如果有相關(guān)測(cè)試需求或?qū)y(cè)試內(nèi)容有疑問(wèn)，歡迎洽詢百佳泰以取得更多信息。