你知道80Gbps USB4 V2怎么测吗?USB Type-C测试方法一文搞懂

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。在本文档中,引用了各代 USB4, USB4 Gen 2 和 Gen 3 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)。

篇幅所限,本文主要涵盖最新的USB4 V2.0发射端、接收端和互连/电缆测试的各种关键挑战和解决方案,包括支持更高数据传输和附加功能的新合规性测试要求。

感兴趣的同学可以扩展参考2021年的“USB4测试白皮书”和2022年的“USB Type-C 互连一致性测试方案介绍白皮书”。

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什么是USB4 Version 2.0?

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,发送端将二进制 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 Thunderbolt 4 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。

为什么USB4 Gen4采用PAM3?

USB4 Gen4 想要达到 80 Gbps 且沿用与 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 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 发送端、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。

USB4 V2.0发送端测试挑战

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。发送端一致性测试对 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

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 Gen 3 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 Gen 2 和 USB4 Gen 3 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(levelmismatch) 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。

USB4 V2.0接收端测试挑战

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 Gen 2 和 Gen 3 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Gen 2和Gen 3一样,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Gen 2和Gen 3一样,需要进行边带(Sideband)测试以确保正确的链路协商。USB-IF 计划在Gen 4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,Gen 4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送端 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。

下图显示了发送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送端的时序和电压测量测试ui_jitter_vertical 的波形文件 (.bin),以验证发送端 IRL的结果是否满足规范要求,如下图所示:

USB4 Gen 3 和 Gen 4 电缆的新测试要求

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、发送端抖动、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 COM 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

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 COM 和集成 S 参数结果,引入了一种新的基于 Matlab 的一致性测试工具,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。

是德科技发送端测试解决方案

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发送端一致性测试、满足USB4 V2.0规范要求的Keysight D9050USBC 发送端测试应用软件。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。

是德科技全新UXR B Model示波器

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个发送端均衡预设等;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。

是德科技Type-C互连一致性测试解决方案

Keysight S94USBCB USB Type-C 互连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 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 互连一致性测试软件涵盖最新 USB4 V2、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 TBT 3 和 TBT 4 协议。

小结

本文介绍的仿真解决方案以及发送端、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 发送端和接收端测试挑战。USB4 Gen 2 10Gbps/ Gen 3 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 Gen 2 和 USB4 Gen 3 更加复杂。

是德科技 USB 测试解决方案(软件、仪器和夹具)已准备好对这一通用接口进行全面测试。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。

参考文献:

1.Universal Serial Bus 4 (USB4) Specification Version2.0 Oct. 2022

2.Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Release2.1

3.Universal Serial Bus Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document Revision 2.1b

4.3123-1382EN-How to Address USB4 Version 2.0 Transmitter and Receiver Test Challenges App. Note

5.3122-2000EN-D9050USBC USB80Gbps TX Test Application Software Datasheet

6.3120-1342EN-N5991U42A USB4 Rx Compliance Test Automation Software Datasheet

7.3122-1253EN-S94USBCB USB Type-C Interconnects Compliance Test Software Datasheet

8.USB4测试白皮书

9.USBType-C互连一致性测试方案介绍白皮书

10. AMI Modeling And Simulation ForPAM3 Signaling In USB4V2 Systems

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是德科技(NYSE:KEYS)启迪并赋能创新者,助力他们将改变世界的技术带入生活。作为一家标准普尔 500 指数公司,我们提供先进的设计、仿真和测试解决方案,旨在帮助工程师在整个产品生命周期中更快地完成开发和部署,同时控制好风险。我们的客户遍及全球通信、工业自动化、航空航天与国防、汽车、半导体和通用电子等市场。我们与客户携手,加速创新,创造一个安全互联的世界。

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