USB4®被动线缆测试与认证（USB4® Passive Cable）

Granite River Labs, GRL
Sandy Chang 张静宜

1. 明明是新买的 USB4 20G 线缆，接上 USB4 电脑跟 USB3 Gen2 硬盘，为什么跳出视窗显示不是以最高速连接呢？
2. 用新电脑附的 USB Type-C 线缆，传输速度更慢了？
3. 到底什么样的 USB Type-C 线缆，才可以享受到高速传输呢？

若要解释上面的问题，首先我们必须了解一下 USB 线缆规格与相互差异：

USB Type-C 线缆的规格

如下表 1，列出 USB 版本及对应可支持线缆长度，我们可以看出各个 USB 版本可支持的被动线缆长度。整理如下：

• USB4 Gen2 被动线缆：长度小于 2m，最高传输速度为 20G (10Gx2) bps
• USB 3.2 Gen1 被动线缆：长度小于 2m，最高传输速度为 5Gbps
• USB 3.2 Gen2 被动线缆：长度小于 1m，最高传输速度为 20G (10Gx2) bps

表 1： USB Type-C Standard Cable Assemblies

接着我们就来解答开头的三个问题：

1. 明明是新买的 USB4 20G 线缆，接上 USB4 电脑跟 USB3 Gen2 硬盘，为什么跳出视窗显示不是以最高速连接呢？

如下表 2，以长度的角度来解析。长度 2m 的 USB4 Gen2 被动线缆，可传送最高资料速度 USB4 20G，但若接上 USB 3.2 Gen2 硬盘，最高只能传送 USB 3.2 Gen1，也就是 5G 速度。因为 USB3 Gen2 硬盘最高速可支持 10G，但降速度到 5G，此时硬盘的 Billboard 应跳出讯息，告知使用者此装置可以更高速传送。

表 2：USB4 Gen2 线缆长度与支持速度

• 为何同样是传送 20G，USB3 与 USB4 支持长度差一倍？

如下表 3，以系统损耗的角度来解析。 USB4 Gen2 与 USB3 Gen2 的传输速度都是 20Gbps，但所支持的被动线缆长度却不同，主要原因是系统损耗配置不同。 USB4 规格源自于 Thunderbolt 3（简称 TBT3），主要是传送 DisplayPort 以及 PCIe 信号，为了支持大萤幕，TBT3 Gen2 要求支持 2m 被动线缆，所以 USB4 Gen2 也必须支持 2m。而在 USB3 与 USB4 传送端及接收端的部分，都必须至少要容忍系统损耗（包括 Host PCB，线缆，与 Device PCB）在 Nyquist 频率损耗约为 23dB。

表 3：USB 3.2 Gen2 与 USB4 Gen2 系统损耗配置

先来看 USB 3.2 Gen2 插损（Insertion Loss）配置：

• USB3 Gen2 规格 23dB@5GHz（Nyquist 频率）插损配置是：
  • Host（8.5dB）–Cable（6dB）–Device（8.5dB）。此处 Cable 6dB@5GHz 插损，相当于是 1m 线缆长度。

USB4 Gen2 需支持 2m，在相同的系统损耗下，只好缩减 Host 端及 Device 端的损耗，这也是为什么 USB4 或 TBT3 的 IC 都非常接近 USB-C 连接器的原因。

• USB4 Gen2 规格 23dB@5GHz（Nyquist 频率）插损配置是：
  • Host（5.5dB）–Cable（11.5dB）–Device（5.5dB）。此处 11.5dB@5GHz 插损，相当于是 2m 线缆长度。

2. 用新电脑附的 USB Type-C 线，连接速度更慢了?

随着新型轻薄电脑的充电改采 USB Type-C 充电器，新电脑配件也附有一条长约 1.5m 到 2m 的 USB Type-C 线缆，这个长度是为了方便使用者作为充电的用途，但大部分线缆本身并不具备高速传输的能力，若有需要高速传输则需要在市面上另外购买 USB Type-C 支持 USB4 或 TBT3 的高速线缆。

而此充电线缆的基本要求是以 USB Type-C（USB 2.0）线缆为标准，支持速度 480Mbps。

3. 到底什么样的 USB Type-C 线，才可以享受到高速传输呢?

– USB4 线缆标志

USB IF 在推出 USB4 规格后，因为 SuperSpeed USB 10Gbps（10Gx1）、SuperSpeed USB 20Gbps（10Gx2）和 USB4 20Gbps（10Gx2）线缆都具有高达 20Gbps 的传输性能，但多种 logo 商标会让消费者混淆，协会对此解决方案是弃用 SS USB 10Gbps 和 SS USB 20Gbps 线缆认证和标志，统一使用 Certified USB 20Gbps 线缆认证及标志（如图 1 右）。 （注：此更改仅适用于被动线缆）

图 1：USB Cable 新旧 Logo

（来源:  USB-IF Logo License – Trademark Requirements Chart）

要享受到高速传输，在选购线缆时除了认明包装盒上的 Certified USB 20 Gbps 外，由上表 2 得知，还需选择 1m 或以下的可支持 USB 3.2 Gen2 被动线缆（或参考厂商详细线缆支持能力）。也可以直接选择购买 Certified USB 40Gbps 线缆，但价格也会相对高一点。还有另一个选择就是主动线缆，请参考 GRL USB Type-C 主动线缆介绍。

表 4：USB4 Logo

（来源:  USB-IF Logo License – Trademark Requirements Chart）

USB4 Gen3 线缆证认要点

USB4 线缆认证，必须使用过认证的连接器。

USB3 Gen1/2 & USB4 Gen2 Type-C 线缆测试主要是以 B-1~B7 等 6 大项目（参考下表 5），而 USB4 Gen3 线缆需额外加测 B-8。

USB Type-C 线缆认证测试项目包括有：

• B-1 eMarker 测试，插拔测试，摇摆测试，及 Vbus/Gnd 压降测试
• B-2 USB 2.0 电气特性
• B-3 USB 3.2 电气特性
• B-4 EMI/RFI 屏蔽效应测试
• B-5 连接器包覆成形尺寸及 EMC 弹片
• B-7 扭力测试
• B-8 USB4 电气特性（USB4 Gen3）

表 5：Primary Qualification Approval Testing（截取自 USB-C CableConn CTS 2.1b）

USB4 线缆新增测试

USB4 线缆认证测试，除了需要依循 USB3 线缆所有测试规范，新增的测试包括有 B-1 e-Marker 与 B-8。其中 B-8 为高频信号品质测试，认证测试须由客户提供的 50 条线缆中，实验室任选 10 条来进行测试，且此 10 条皆需通过测试，才能判定为通过。可见 USB 协会对 USB4 线缆在高速传输品质要求，让客户在市面上购买到认证过的线缆，可以尽情享受 40G 高速传送。详细更新测试如下：

• B-1 e-Marker（USB4）测试，依据 USB-C Function Test 0.88 版，对线缆测试如下：
  • TD 4.1.3 Unpowered Cable Test
  • TD 4.13.5 Cable EnterUSB and Data Reset Test
  • TD 4.14.x
    • TD 4.14.1 Cable Vconn Swap Test
    • TD 4.14.2 Cable Reset Test
    • TD 4.14.3 Cable Alternate Mode Test
    • TD 4.14.4 Cable USB 3.2 Test

• Test Group B-8（USB4 电气特性）测试，基本上与 B-3（USB 3.2 电气特性）测试项目一样，但规格要求更为严谨，以及新增 COM 测试，详细的比较表请参考表 6。主要重点有：
  • USB4 Gen3 线缆测试以向量网路分析仪撷取 S4P，以 Get_iPar 软体分析
  • Insertion Loss Fit 最高频率点由 10GHz 提高到 15GHz
  • Crosstalk（串音）测试，以往 USB3 仅支持单通道传输，因为 USB4 支持双  通道传输，所以加入双通道间的 Port to Port crosstalk，以及 DP Alt-mode 下的 crosstalk 测试
  • COM（Channel Operation Margin）通道余裕测试，COM 的测试方法源自于 IEEE 802.3，撷取线缆 S 参数，结合 USB4 Tx/Rx Equalizer, Jitter 以及 Noise，透过类似于统计分析的方法计算出信号杂讯比（Signal-to-Noise Ratio），来推估通道（线缆）特性。 COM 结果必须大于 3。

图 2：COM Analysis

表 6：Cable CTS Test Group B-3 and B-8 Test Compare

另外值得一提的是，USB4 被动线缆必须支持 TBT3，也需要加测 TBT3 相容性测试。

结论

USB Type-C 线缆虽然支持相同传输速度，线缆的长度却不一定相同，主要是根据系统损耗来决定；在充电方面，线缆最低需符合 USB 2.0 USB Type-C 规格。

在 USB4 Gen3 线缆认证方面，需同时相容 TBT3 与传输速度提升，新增 e-Marker、串音与 COM 等测试项目验证。 GRL 为 USB IF 授权认证实验室，提供 USB 线缆与产品完整测试与认证，在台北、东莞、上海等地皆有实验室可提供服务。

参考文献

• USB Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021
• USB Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document, Revision 2.1b, June 2021
• USB4® Specification, Ver 1.0 with Errata and ECN through May 19, 2021
• USB Type-C Functional Test Specification, Chapter 4 and 5, May 23, 2021, Rev 0.88

作者

GRL 技术总监 张静宜 Sandy Chang

拥有业界十年以上专业经验，现担任 GRL 技术总监，带领 GRL 各测试团队。熟悉 Thunderbolt、USB Type-C 等高速接口与测试规范。

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本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。

发布日期 2021/07/26 AN-210726-TW