解读 USB4® 与 TBT4 认证测试中的 Transmitter Preset Calibration

Granite River Labs; GRL
赵婉伶 Linda Zhao

USB-IF 在 2019 年 9 月发表 USB4® 规格，传输速率达到 40Gbps，USB4® 规格主要依据 Thunderbolt™ 3 架构设计，并且兼容 TBT3。Thunderbolt™ 4（以下简称 TBT4）传输速度 40Gbps 与 TBT3 相同，其独特优势是支持 TBT3且相容 USB4®。由于 USB4 ®与 TBT4 都源自于 TBT3 的架构，所以在电气（Electrical）测试部分，整合后的USB4®电气测试规范成为USB4®、TBT4 以及 TBT3 共同电气测试规范。

严谨的电气测试规范，会针对每款USB4®/TBT4 产品的输出讯号质量，个别设定极优化的初始讯号，好让USB4®产品一接上，就可以快速连接沟通。也就是电气测试规范中 Transmitter Preset Calibration（以下简称 Tx Preset Cal）。

USB4®规范中载明，高频输出端需支持 16 组 Presets（默认值）如下表一，也就意味着有 16 组不同讯号质量的输出。在USB4®电气讯号认证测试，到底该选用哪一组 Preset 来测试，确保输出讯号质量？还是 16 组 Presets 全测呢？

表一 16 组 Transmitter Equalization

Tx Preset Cal 是进行传输端输出电气测试时的首要步骤，也是非常重要的一环，因为选错 Preset 来做测试，可能导致测试结果不符合规范，要避免这样情形发生，我们首先需要了解一下讯号传输衰减的原因及解决方法，以便了解讯号质量与 Preset 之间的关系。

讯号传输衰减原因与解决方法

高速串列传输讯号受限于传输信道的带宽而导致衰减，下（图一）为讯号经过传输信道前、后的衰减结果。讯号在经过线缆后因为介质的低通性、非理想性、集肤效应、阻抗不连续等效应，造成讯号衰减、反射等问题。且随着高、低频讯号衰减比例差异过大，让一位讯号长度不等于理想的 1UI（Unit Interval 单位周期），使前后的讯号位成为当前讯号的噪声，进而导致了符码间干 ISI 效应（inter-symbol interference），讯号在接收端，无法正确判读 0 或 1。

（图一） 讯号 ISI 效应示意图–匡选的信号，临近判定逻辑一与零的门坎，易导致判读错误。

在高频传输中，为了克服信道衰减，让讯号正确传送到接收端，一般采用讯号均衡器解决讯号衰减的问题。在USB4®规范里在传输端及接收端运用均衡器（如图二），分别是发送端的 FFE（Feed Forward Equalizer)，接收端CTLE（Continues Time Linear Equalizer）、及 DFE（Decision Feedback Equalizer）。

（图二）高频讯号传递处理架构图

在传输端 FFE 将讯号作预加强（Pre-shoot）、预衰减（De-emphasis），当通道衰减过大，FFE 的等化效果不足以补偿通道产生的衰减时，还需接收端 CTLE 和 DFE 均衡器还原讯号。两端的均衡器目的皆是均衡高低频讯号在传输过程中的损耗，有利于接收正确讯号。与此同时也可以得到极佳的眼图。

USB4® 与 TBT4 如何挑选极优化的 Preset 来进行 Transmitter 测试？

USB4®的传输速率每个通道达到 20Gbps，如（图三）所示，讯号在 Tx 端（TP1）通过 PCB 到 USB Type-C®连接器，藉由 Tx Preset 适当的补偿，在 TP2 所量到的 DDJ（Data Dependent Jitter）将相对应的减小。USB4®认证测试中的 Tx Preset Cal，测试 Preset 0 ～ Preset 15，共 16 组 Presets 的 DDJ，需选出极小 DDJ 的 Preset。USB4®讯号所支持的速度 10Gbps 及 20Gbps，及通道 Lane 0、Lane 1 需分别进行 Tx Preset Cal。

图三 测试点定义

（表二）是待测物 16 组 Preset 的 DDJ 在 TP2 测试的结果，挑选其中极佳的 Preset 1 和极差的 Preset 9 比较其眼图（如表四），若选错 Preset 会使得 ISI 效应无法得到适当补偿(如 Preset 9，De-emphasis -8.0 dB，低频预衰减8dB，过补偿，导致低频讯号触碰到中心 eye mask)，眼图过小且分岔，讯号DDJ的值超过 SPEC 规范，导致测试结果 FAIL。

（表二） 16 组 presets DDJ 在 TP2 测试结果 （USB4 Spec: DDJ≦210 mUI）

（表三）USB4 Tx Preset Cal, Preset-1 与 Presdet-9 测试结果比较

选定极佳的Preset后，将此Preset设定为TP2及TP3的开机默认值*（图四）并以此组默认值进行所有USB4® Tx相关测试。

（图四）TP2与TP3设定同一组 Preset 值

注*：Tx 讯号质量测试TP2与 TP3皆是以同一组 preset做测试，只是在做Tx TP3远程测试时，需另外嵌入 2 米 (for USB4 Gen2)及 0.8 米(for USB4 Gen3) S 参数进行量测。

结论

在 Thunderbolt™ 4/USB4®高频测试中，因为高频讯号在经过信道后大幅衰减，须藉由 Tx FFE 均衡器让高、低频成分讯号得到不同程度的预补偿、预衰减，解决部分信道导致讯号衰减的问题。Tx Preset Cal 设定开机时极佳默认讯号，让您的 Thunderbolt™ 4/USB4®产品可以在极佳讯号状态进入链接沟通，且顺利通过测试。

参考文献：

1. Universal Serial Bus 4 (USB4®) Specification, Version 1.0, August 2019
2. Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.0, August 2019
3. Universal Serial Bus 4 (USB Type-C) Router Assembly Electrical Compliance Test Specification, Version 0.96, Jan 20, 2020
4. USB Type-C Thunderbolt Alternate Mode Electrical Host\Device Compliance Test Specification Revision 1.5 Version 9
5. Intel Thunderbolt™ Tech Brief https://thunderbolttechnology.net/tech/solution-briefs
6. Granite River Labs, USB4® 测试 https://graniteriverlabs.com.tw/usb4/

作者：

GRL 中国台湾区测试工程师赵婉伶 Linda Zhao

国立东华大学。在 GRL 担任 Thunderbolt Electrical、Functional 测试工程师，同时擅长 USB 3.2，USB 2.0 认证测试，协助客户取得认证。GRL 技术文章作者

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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 2020/07/09 AN-200701-TW

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