USB4 Active Cable 最新重點規(guī)范

USB速度從最一開始USB 1.1最快的12M，到USB 2.0的480M，再到USB 3.2時期的單lane 10G，一直到最近USB4的單lane 20G。隨著傳輸速度不斷上升，Passive Cable長度也從USB 1.1/ 2.0的最長5m，到USB 3.2 Gen2 Type-C的最長1m，再到USB4 Gen3 Type-C的0.8m（協(xié)會建議）。不過，隨著各家廠商Cable產(chǎn)品長度不同，USB協(xié)會也歡迎廠商突破建議長度。舉例來說，百佳泰曾協(xié)助廠商2.1m（目前全球最長）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認證。

USB-IF注意到了Cable長度的問題，便開始著手于Active Cable規(guī)范的定義以及認證測試的制定。Active Cable除可以補償因傳輸速度愈來愈高所帶來的Channel Loss，也可以增進整個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Table 6-1與Table 6-2修改如下紅字：

Active Cable規(guī)格重點節(jié)錄

• Active Cable的種類主要以傳輸介質(zhì)來分類，一種是以光來傳遞數(shù)據(jù)的方式，稱為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來傳遞數(shù)據(jù)的方式，稱為Active Copper Cable（ACC），該Cable長度限制在5m以內(nèi)。
• 以USB 3.2 ACC以及USB4 ACC來做比對，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的長度端賴于是否符合USB 3.2規(guī)范的Latency，因為線長過長所以不需要供Vbus，Vconn則規(guī)定跟Cable接續(xù)的兩個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)定要使用光來傳輸。
• USB 2.0傳輸在USB 3.2 AOC則不被允許，當偵測到運行速度降到USB 2.0并reset 3次后，需要枚舉USB billboard并跳出警示訊息來警告用戶。

USB4 Linear Re-Driver Cable電氣測試與認證細節(jié)

上文談到Type-C Passive Cable發(fā)布2個Engineering Change Notice (ECN)，其中一項新增有關(guān)USB4 Active Cable的規(guī)范?，F(xiàn)在來介紹第二個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，過去只有USB Type-C Re-Timer Cable相關(guān)規(guī)范。2019年時，Intel本以Re-Timer做為開發(fā)重心，但因單價較Re-Driver為高，做成Active Cable之后的單價尤為可觀，故之后均以Re-Driver為重點，USB-IF也藉此ECN補完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與測項進度

根據(jù)USB-IF Annual Meeting得到的消息，LRD Cable Compliance包含以下測項，各測項相關(guān)進度亦簡述如下：

• USB Type-C Functional: 會利用兩臺LeCroy M310P，一臺模擬為DFP/ SRC，另一臺則模擬為UFP/ SNK來執(zhí)行相對應(yīng)速度USB數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y試。
• USB PD: 也就是PD E-Marker 測試，USB-IF規(guī)劃初期Compliance可能不會執(zhí)行，某些測試則會用USB Type-C Functional來涵蓋。
• USB Cable and Connector: 參考Passive Cable的標準來執(zhí)行測試。
• USB Type-C Thermal: Fixture & Chamber Box尚在規(guī)劃故沒有進展。
• LRD Electrical: 目前USB 3.2還在每周Working Group的Meeting討論改進。USB4目前最新版是8，稍后會做介紹。
• USB LRD interoperability: 疫情關(guān)系造成USB-IF活動全面停辦，相關(guān)活動也隨之無法舉辦，端看2021年8月在美國的USB Compliance Workshop是否舉辦來決定。

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: 驗證高速訊號運行在LRD Cable上，其訊號質(zhì)量能優(yōu)于Passive Cable。
• Time Domain Cable Output Eye Test: LRD Cable訊號透過Receiver Long Channel所得到的分數(shù)能優(yōu)于Passive Cable。

USB Frequency Domain Test測試重點

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，測試重點請參考如下：

• 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來取得測項的運算結(jié)果
• 取得S參數(shù)時跟Passive Cable一樣，需要De-embedded 治具帶來的影響，取得LRD cable only的S參數(shù)。
• 除了取得LRD cable各lane共8個方向的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做準備。

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

Time Domain的相關(guān)測試項目，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)。測試時需要針對LRD Cable的各lane正反向傳輸分別取得下面四個Pattern的波形，再用Get_iPar_v0.91a來判斷：

• 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個波形，搭配Frequency Domain Test所取得的S參數(shù)來做運算。

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

Time Domain Cable Output Eye Test

Time Domain Cable Output Eye Test是USB4 LRD Electrical里最花時間的測試。用到的測試設(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。

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

USB4因為16組Presets，搭配10組CTLE加DFE，總共需取得160個Eye Area Score。再從中取得個最大的Eye Area Score，做為LRD Cable待測lane的分數(shù)。該Eye Area Score并沒有標準，單純代表該lane的分數(shù)。因為要執(zhí)行160次再來比大小，所以一個lane需要5至6小時來完成。

驗證USB 3.2時則需要對SigTest做一些修改，將7組CTLE放入SigTest。和USB4相比，USB 3.2測試不那么復雜，但也會將待測lane在scope擷取的波形存下來，帶入SigTest套用7組CTLE取得7個Eye Area Score來比大小，最后取得分數(shù)最高的Eye Area Score。

測試時一樣要先取得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)準備完畢，日前已協(xié)助多家USB-IF Cable Assembly 廠商完成測試。各位廠商如果有相關(guān)測試需求或?qū)y試內(nèi)容有疑問，歡迎洽詢百佳泰以取得更多信息。