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

原创声明

作者:GRL实验室/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,个别设定最优化的初始讯号,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最佳的眼图。

 

USB4™ TBT4 如何挑选最优化的 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,需选出最小 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,挑选其中最佳的 Preset 1 和最差的 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

 

选定最佳的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。

 

总结:

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 设定开机时最佳默认讯号,让您的 Thunderbolt™ 4/USB4™ 产品可以在最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 ThunderboltTM Tech Brief https://thunderbolttechnology.net/tech/solution-briefs
  6. Granite River Labs, USB4™ 测试 https://graniteriverlabs.com.tw/usb4/

 

IntelThunderbolt™ Intel的注册商标及研发产品

USB4™、USB、USB-C®、USB Type-C®和USB-IF是USB Implementers Forum的注册商标

 

作者:

GRL 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