USB4 Active Cable 最新重點規範

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(協會建議)。不過,隨著各家廠商Cable產品長度不同,USB協會也歡迎廠商突破建議長度。舉例來說,百佳泰曾協助廠商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,便開始著手於Active Cable規範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發佈的USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0中,有三個Engineering Change Notice (ECN)跟USB4 Active Cable有關,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規格重點節錄

  • Active Cable的種類主要以傳輸介質來分類,一種是以光來傳遞資料的方式,稱為Active Optical Cable(AOC),目前只定義到USB 3.2傳送速率。
  • 另一種則是以銅加上Re-driver/ Re-timer來傳遞資料的方式,稱為Active Copper Cable(ACC),該Cable長度限制在5m以內。
  • 以USB 3.2 ACC以及USB4 ACC來做比對,相異之處在於USB4 ACC多了USB4速度的支援,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的長度端賴於是否符合USB 3.2規範的Latency,因為線長過長所以不需要供Vbus,Vconn則規定跟Cable接續的兩個USB devices都需要提供電力給Cable兩端的E-Marker晶片,使PD E-Marker能正常溝通。
  • USB 3.2 AOC在CC的PD溝通也規定要使用光來傳輸。
  • 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並reset 3次後,需要枚舉USB billboard並跳出警示訊息來警告使用者。

USB4 Linear Re-Driver Cable電氣測試與認證細節

上文談到Type-C Passive Cable發佈2個Engineering Change Notice (ECN),其中一項新增有關USB4 Active Cable的規範。現在來介紹第二個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相關規範。2019年時,Intel本以Re-Timer做為開發重心,但因單價較Re-Driver為高,做成Active Cable之後的單價尤為可觀,故之後均以Re-Driver為重點,USB-IF也藉此ECN補完USB Type-C LRD Cable的Electrical Requirement。

下面節錄Table 1-1與Table 1-2關於LRD Cable的Electrical Requirement:

LDR Cable Compliance與測項進度

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

  • USB Type-C Functional: 會利用兩台LeCroy M310P,一台模擬為DFP/ SRC,另一台則模擬為UFP/ SNK來執行相對應速度USB資料傳輸的測試。
  • USB PD: 也就是PD E-Marker 測試,USB-IF規劃初期Compliance可能不會執行,某些測試則會用USB Type-C Functional來涵蓋。
  • USB Cable and Connector: 參考Passive Cable的標準來執行測試。
  • USB Type-C Thermal: Fixture & Chamber Box尚在規劃故沒有進展。
  • LRD Electrical: 目前USB 3.2還在每週Working Group的Meeting討論改進。USB4目前最新版是8,稍後會做介紹。
  • USB LRD interoperability: 疫情關係造成USB-IF活動全面停辦,相關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,其高頻特性能儘量符合Passive Cable。
  • Time Domain Cable Stand-Alone Test: 驗證高速訊號運行在LRD Cable上,其訊號品質能優於Passive Cable。
  • Time Domain Cable Output Eye Test: LRD Cable訊號透過Receiver Long Channel所得到的分數能優於Passive Cable。

USB Frequency Domain Test測試重點

Frequency Domain Test目前使用的設備為Keysight E5071C,相信大家應該都不陌生,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,接著再利用S參數帶入91a來取得測項的運算結果
  • 取得S參數時跟Passive Cable一樣,需要De-embedded 治具帶來的影響,取得LRD cable only的S參數。
  • 除了取得LRD cable各lane共8個方向的S參數之外,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,為後續Time Domain Cable Stand-Alone Test做準備。

USB4 Linear Re-Driver Cable Time Domain 測試關鍵

Time Domain的相關測試項目,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使用的設備為Keysight 33GHz Scope與Keysight M8020 with M8062A模組。測試主要是取得LRD Cable Output端各lane trace加上LRD晶片的Noise,以及在USB4與USB 3.2速度下的反應。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參數來做運算。

Time Domain Cable Output Eye Test

Time Domain Cable Output Eye Test是USB4 LRD Electrical裡最花時間的測試。用到的測試設備除了前面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測試環境,看BERT打出特定amplitude以及jitter量的訊號,經過待測LRD Cable進入scope,在scope經過CTLE與DFE之後眼高與眼寬的乘積(後稱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。該Eye Area Score並沒有標準,單純代表該lane的分數。因為要執行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測試不那麼複雜,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,最後取得分數最高的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。

百佳泰執行USB4 LRD Cable Electrical Testing相關設備已經準備完畢,日前已協助多家USB-IF Cable Assembly 廠商完成測試。各位廠商如果有相關測試需求或對測試內容有疑問,歡迎洽詢百佳泰以取得更多資訊。