Granite River Labs, GRL Sandy Chang 张静宜
目前支持USB4速度40G (20Gx2) 的被动线缆长度长约为1公尺，对于外接至大尺寸屏幕或VR应用等需要高速且更长线缆的应用，就需要用到主动线缆。
USB4 Active Cable规格依循USB Type-C Connector and Cable Spec， 目前新版本为Rev.2.1，新增EPR(Extended Power Range) Cable定义，并将过往Active Cable的ECN (Engineer Change Notice)整合到此版本。我们就来了解一下USB Type-C主动线缆。
本篇介绍USB4主动线缆，如需被动线缆介绍及测试请参考另一篇技术文章「USB4 被动线缆测试与认证（USB4 Passive Cable）」
USB Type-C主动线缆，主要有3个类型
- USB 3.2 Short Active Cable
- USB4 Short Active Cable
- USB 3.2 Optically Isolated Active Cable （OIAC）
其中OIAC是长度达50公尺的光纤线缆，目前定义可支持USB 3.2 Gen2速度（但不支持USB 2.0与VBUS 供电)，主要用于工业端、机器视觉、远程传感器、专业视频和医疗应用等。而USB4 Linear Optical Active Cable电气规格则尚未定义；接着来介绍Short Active Cable的部分。
表1
Short Active Cable主动线缆重点
- 长度在5公尺以内
- 需支援Full-Feature Type-C与USB PD 3.0 eMarker
- 需支援双向及正反插
- 依支持能力，可分为USB 3.2与USB4 主动线缆
- USB 3.2主动线缆：
- 必须支持USB 3.2 Gen 2×2（10GHz双通道） ＊ 不允许仅支持单通道（x1）的主动线缆
- Alt-mode可选择性支持
- USB4主动线缆：
- 必须支持所有USB 3.2 与USB4速度（双信道）
- 且必须支持TBT3 Alt-Mode
- USB 3.2主动线缆：
- Vbus, Vconn, CC及USB 2.0的线材要求，与被动线缆要求一致
- 主动线缆需由Vconn供电
Active Cable为含有Repeater组件，如re-timer 或re-driver，主要针对高速讯号 Tx1、Tx2、Rx1、Rx2。其中Re-timer开发较为复杂且价格昂贵。而以Re-driver为主的 Linear Re-Driver线缆（简称LRD），拥有低复杂性、低功耗、低成本的特性，虽然是后期才加入USB生态系统、纳入USB Type-C规格，LRD线缆却是率先推出于市面上，如支持40Gbps两公尺的Thunderbolt 4线缆即是支援USB4的LRD线缆。
Linear Re-Driver Cable架构
LRD cable主要组件包括 Rx Equalizer与Output Driver，分别负责补偿线缆Cable loss、调整DC Gain，以及调整输出Pre-emphasis与讯号的大小，如下图。
图1: Linear Re-Driver Cable 架构
LRD cable 设计考虑
LRD Cable因不具备CDR（Clock Data Recovery），线缆输入端接收到的Jitter以及Noise会转嫁到线缆的输出端；同时Rx EQ也有可能会将高频噪声放大；Paddle Card因加入主动组件，会有阻抗不连续的问题；以及较长的线缆，在生产过程中容易造成长度不匹配，P-N skew大，导致AC Common mode超过规范等，基于以上几点设计时须考虑以下：
- 线缆造成的高频噪声
- 线缆内部EQ是否适当的均衡，信号是否有不足或是过度均衡？
- 主动线缆内部额外的组件的阻抗匹配
- 线缆高速对的P-N skew
LRD Cable功能支持及eMarker的宣告
在USB Type-C Connector & Cable Rev 2.1规格Table 6-3载明（如表2），USB4被动线缆与USB4主动线缆 （OIAC除外），都必须支持USB4、USB3、USB2与TBT3。
其中比较特别的是USB4 LRD Cable为Active Cable，但eMarker在ID Header VDO设定上，B29…B27须宣告为Passive Cable (011b)，并使用Passive Cable VDO进行宣告。因为LRD Cable是后期才纳入USB规格，主要为了兼容目前市面上TBT3的产品，须以Passive宣告，虽然Product Type宣告为Passive，在USB4 Discover沟通过程，也会接续进行TBT3 Discover_SVID (0x8087)，进而判断是否为 “USB4 with TBT3 Gen3 Active Cable”。
表2: USB4线缆总览
USB-IF发布新的USB4 Logo与Icon
USB-IF上周在西雅图举办USB DevDays 2021研讨会，结合EPR（Extended Power Range）的规格发布新的USB Type-C Cable额定功率的Logo与Icon如下表，让用户可以快速辨别USB产品支持的速度及功率。原先支持100W（20V/5A）的Cable已不再使用；支持5A的Cable则必须支持EPR 240W（48V/5A）。
表3: New Certified USB Type-C Cable logo and Icon (来源：USB DevDays 2021)
新USB4 Cable Logo范例如下图：
图2: USB Type-C EPR Cable logo and Icon (来源：USB DevDays 2021)
LRD cable主动线缆增加了主动组件Re-driver，让线缆支持长度更长，在实际使用以及认证测试的概念是LRD cable应该与被动线缆性能一致，甚至更好。也就是说，在相同的测试环境设定下，LRD cable与被动线缆作比较，必须等于或优于被动线缆。
LRD认证测试项目包括：
- USB-C Functional 测试
- USB PD E-Marker 测试
- Active Cable Power：IR Drop 与功耗
- Thermal 过热保护
- LRD Electrical 电气特性测试
- LRD Cable 兼容性测试（仍在讨论中）
详细的LRD Cable Electrical测试如下：
- USB-C Functional测试
依据USB-C Function 测试规格，针对Cable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
- TD 4.14.5 Cable USB4 Test
- USB PD: E-Marker 测试
依据USB PD CTS，测试以下3大项目与Cable相关测试：
- Common Procedures and Checks
- Physical Layer Specific Tests
- Protocol Specific Tests
LRD Cable 需支持TBT3，须确认在TBT3宣告以及SOP’回应是否正确
- Cable SOP’ Discover Identity response
- [ID Header VDO] B26 (model operation) set to 1b (alt mode)
- [ID Header VDO] B29..27 (product type)set to 11b (passive cable)
- [Cable VDO] B2..0 (USB highest speed) set to 010b (USB3.2/USB4 Gen2)
- Cable SOP’ TBT Discover Mode VDO response
- B20.19 (rounded/rounded & none) set to 01b (both)
- B21 (Optical/none) set to 0 (none)
- B22 (Re-timer/Re-driver) set to 0b (Re-driver)
- B23 (Uni/Bi-directional) set to 1b (Uni)
- B25 (Active/Passive) to 1b (Active)
- Active Cable Power Requirements
3.1 VBUS和 Ground 线缆的IR Drop与被动线缆规格一样
- VBUS IR Drop：≤500 mV
- Ground IR Drop：≤250 mV
3.2主动线缆的供电主要是透过VCONN，消耗功率Max限制
- VCONN 消耗功率Power ≤1.5W
- Thermal Test
基于安全考虑，主动线缆内部必须设置有温度感应。当主动线缆塑料外壳表面温度达到80˚C或金属表面温度达到55˚C，则必须停止USB 3.2/USB4数据传送。
另外，主动线缆插头的表面温度，外壳表面工作温度不得超过环境温度30˚C，或金属外壳表面温度15˚C。
而影响Active Cable塑料外壳表面温度（TS）主要有连接的Host与Device主板的工作温度（TMB）、cable内的主动组件、及当下的环境温度（TA）。在实际认证测试，主要分为两部分，表面温度（Surface Temperature，TS），以及过热保护(Thermal shutdown）。测试环境示意如下图：
图3: Thermal Shutdown过热保护测试连接示意图
4.1 Surface Temperature (Ts) 表面温度
如图3测试连接，在室温环境下，透过Thermal Test Fixture Heater board模拟Host/Device主板，让TMB升温到（TA+ 25˚C），然后接上Active Cable并进行Host到Device的全载设定（包括同时高速数据传送，以及PD 100W负载）。此时利用红外线摄像先找出cable plug温度Max区域（图4），将 “Thermal Couple” 贴片黏贴于此高温处进行温度测试（图5）。检测cable plug塑料外壳表面温度，测试结过判定： TS < TA +30˚C。
图4: 红外线摄像找出Max Temperature区域/图5:“Thermal Couple”贴片黏贴到Max Temperature区域
4.2 Thermal Shutdown 过热保护
过热保护的测试环境同上，另外包覆加热贴片在cable plug塑料外壳上（图6），在室温环境下，开始对加热贴片进行加热，当温度到达 85˚C时，进行测试结过判定：Active Cable需停止USB 3.2/USB4数据传送。
图6: Flexible heater 加热贴片
Note: Active Cable Thermal 测试设备及相关配件，洽询 Od.Liao@luxshare-ict.com
5. Electrical Test 电气特性测试
LRD线缆，在USB 2.0, SBU,CC线缆配置仍采用被动线缆，测试方法及规格，与被动线缆相同。在高速讯号对Tx1/Rx1/Tx2/Rx2配置有Re-driver主动组件，测试规格依照LRD Active Cable CTS 0.8版，测试项目如下主要可分为下列三大项目：
- Frequency Domain 频域测试
- Time domain – Cable Stand-Alone线缆本身测试
- Time domain – Cable Output Eye Test线缆输出端眼图测试
5.1 Frequency Domain频域测试
- Integrated Return-Loss (IRL)
- Integrated Multi-Reflection (IMR)
- Channel Operation Margin (COM)
频域测试项目，测试方法与被动线缆相同，以向量网络分析仪VNA撷取S参数，高速差动对共8个S4P 档案（Tx1/Rx1/Tx2/Rx2，双向），并透过Get_iPar_v0p91a 软件进行分析。
图7: 向量网络分析仪VNA撷取S参数连接图
5.2 时域–线缆本体测试 （Cable Stand-alone Test）
- Cable ILfit Mask（DC/f1/Nq/f2/f3/WB）：插损
- OUTPUT_NOISE（𝝈𝒏）：输出噪声标准偏差（不包含非线性噪声）
- SIGMA_E（𝝈𝒆）：输出非线性噪声标准偏差
- Cable CM_NOISE：AC共模
线缆本体测试（不含系统ISI及抖动），主要测试线缆本身插损，输出噪声，非线性噪声，及AC共模。测试连接如下图，讯号产生器在TP2输出 (如表4) Pattern、Swing、以及无Jitter、无SSC、无Tx EQ设定下，例如 “Pattern: PRBS15, Swing 800mV, SSC off, Jitter off, Preset 0”，先接上Worst-Case被动线缆进行测试，示波器撷取波形*.bin，接着换上LRD Cable测试，透过软件进行以下参数分析，然后比较LRD Cable测试结果必须等于或优于Passive Cable。测试需涵盖USB4 Gen2/Gen3，以及USB 3.2 Gen2等三个速度。
注：“Worst-Case 被动线缆” 指的是线缆规格内Max插损的被动线缆，如1m的USB 3.2 Gen2被动线缆，2m的USB4 Gen2被动线缆，以及0.8m的USB4 Gen3被动线缆。
图8: 线缆本体测试连接图
表4: 线缆本体测试环境设定要求
5.3 时域 – 线缆输出眼图测试（Cable output Eye Test）
5.3.1. USB4 Gen2/ Gen3 测试：
线缆输出眼图测试（含系统ISI及抖动等）连接如下图，测试环境与USB4 Host/ Device Rx接收端认证测试环境相同，需要先进行USB4 Rx测试环境校正，可以直接透过GRL-USB4-Rx Test APP，如图9，自动化控制Anritsu MP1900 Pattern Generator，搭配Keysight或Tektronix示波器进行USB4 Rx测试环境校正。
图9: GRL USB4 Rx自动化测试APP
校正完后，测试时先接上“Worse Case被动线缆”，测试条件设定包括在Pattern Gen输出 PRBS31，设定USB4 Preset（共16组），讯号经过线缆后，在示波器撷取五次波形，每组高速对需撷取80个波形；然后在相同的测试条件下，取下被动线缆，换上LRD Cable后，在示波器撷取波形；然后以USB4 SigTest软件进行眼图、眼宽、及眼区域测试分析。
图10: USB4 Gen3/Gen2线缆输出眼图测试连接
USB4 Gen2/Gen3测试结果的判定 （5次撷取的平均值）：
LRD Cable极佳眼图区域面积 ≥ Passive Cable极佳眼图区域面积
而且其中 LRD Cable眼宽 ≥ 0.9 * Passive Cable眼宽
5.3.2. USB 3.2 Gen2测试：
测试环境与USB 3.2 Rx接收端认证测试环境相同，需要先进行USB 3.2 Rx测试环境校正（如图11），可以直接透过GRL-USB3-Rx Test APP，自动化控制Anritsu MP1900 Pattern Generator，搭配Keysight或Tektronix示波器进行校正。
图11: USB 3.2 Gen2线缆输出眼图测试连接图
校正完后，在USB 3.2 Gen2 Rx测试条件，选用Rx校正在 Pj＠100MHz的环境，由Pattern Gen透过治具，经过LRD Cable后，示波器撷取五次波形，再以USB3 SigTest软件，及7个CTLE template进行分析。(USB3 SigTest初始只有一个CTLE_5dB template, 需要另外手动设定补齐CTLE_0dB ~ CTLE_6 dB template）
USB 3.2 Gen2测试结果的判定，（5次撷取的平均值）： LRD Cable极佳眼图区域面积 ≥ Passive Cable极佳眼图区域面积 而且其中 LRD Cable眼宽 ≥ 0.9 * Passive Cable眼宽
结论
USB Type-C的应用广泛，在计算机及相关周边装置，还有被动线缆与主动线缆等，有些仅支持USB 2.0与充电、有些可支持USB 3.2、USB4；都是USB Type-C连接器，支持的能力、速度不尽相同，很容易让使用者混淆。USB协会也着重于使用者体验，致力于一条Type-C线缆，能满足所有应用迈进，在主动线缆部分，规范必须支持双向传输、支持正反插，支持双通道(x2)等。以USB4 LRD主动线缆为例，可以支持USB4，USB 3.2，USB 2.0，Thunderbolt 3，以及PD充电等，满足一条线搞定USB Type-C应用。
USB Type-C主动线缆与被动线缆主要差异是有无主动组件，这也造成在测试高速差动讯号的方法不同，主动缆线测试采用现有USB4 Host与Device的高频测试的方法，使用高频讯号产生器与高频示波器来进行测试，测试环境及手法都相对复杂，GRL在USB4测试上提供自动化测试解决方案，可以降低测试复杂度，在调整EQ、Gain等参数及协助客户除错有丰富经验，更可以提供USB4 Host 与Device，USB4 Passive Cable，与USB4 Active Cable等测试认证服务。
GRL专业认证团队，在台北、上海、东莞等地皆有认证实验室，协助客户从开发到取得认证，秉持专业与热忱为您服务，希望各位先进不吝指教，谢谢。
参考文献
- USB Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021
- USB Type-C Connectors and Cable Assemblies CTS, Revision 2.1b, June 2021
- USB4® Thunderbolt3™ Compatibility Requirements Spec, Version 1.0, January 2021.
- USB4® Thunderbolt3™ Compatibility CTS, Revision 1.0, January 2021.
- USB Power Delivery CTS, Revision: 1.2, Ver 2, June 20, 2021
- USB Type-C Functional Test Specification, Chapter 4 and 5, May 23, 2021, Rev 0.88
作者
GRL 中国台湾技术总监 张静宜 Sandy Chang
Thunderbolt™ 4, USB4®, USB3, DisplayPort, HDMI®, PCI Express等高速接口测试领域的专家，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。
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发布日期 2021/10/06 AN-210928-TW
