【技術文章】解讀 USB4 與 TBT4 認證測試中的 Transmitter Preset Calibration

Granite River Labs, GRL
Linda Zhao 趙婉伶

 

          USB-IF 在 2019 年 9 月發表 USB4® 規格,傳輸速率達到 40Gbps,USB4 規格主要依據 Thunderbolt™ 3 架構設計,並且相容 TBT3。Thunderbolt™ 4(以下簡稱 TBT4)傳輸速度 40Gbps 與 TBT3 相同,其獨特優勢是支援 TBT3 且相容 USB4。由於 USB4 與 TBT4 都源自於 TBT3 的架構,所以在電氣(Electrical)測試部分,整合後的 USB4 電氣測試規範成為 USB4、TBT4 以及 TBT3 共同電氣測試規範。

          嚴謹的電氣測試規範,會針對每款 USB4 / TBT4 產品的輸出訊號品質,個別設定最優化的初始訊號,好讓 USB4 產品一接上,就可以快速連接溝通。也就是電氣測試規範中 Transmitter Preset Calibration(以下簡稱 Tx Preset Cal)。

          USB4 規範中載明,高頻輸出端需支援 16 組 Presets(預設值)如下表,也就意味著有 16 組不同訊號品質的輸出。在 USB4 電氣訊號認證測試,到底該選用哪一組 Preset 來測試,確保輸出訊號品質?還是 16 組 Presets 全測呢?

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表 1:16 組 Transmitter Equalization

 

          Tx Preset Cal 是進行傳輸端輸出電氣測試時的首要步驟,也是非常重要的一環,因為選錯 Preset 來做測試,可能導致測試結果不符合規範,要避免這樣情形發生,我們首先需要了解一下訊號傳輸衰減的原因及解決方法,以便了解訊號品質與 Preset 之間的關係。

 

» 訊號傳輸衰減原因與解決方法

          高速串列傳輸訊號受限於傳輸通道的頻寬而導致衰減,下圖一為訊號經過傳輸通道前、後的衰減結果。訊號在經過線纜後因為介質的低通性、非理想性、集膚效應、阻抗不連續等效應,造成訊號衰減、反射等問題。且隨著高、低頻訊號衰減比例差異過大,讓一位元訊號長度不等於理想的 1UI(Unit Interval 單位週期),使前後的訊號位元成為當前訊號的雜訊,進而導致了符碼間干 ISI 效應(inter-symbol interference),訊號在接收端,無法正確判讀 0 或 1。

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圖 1: 訊號 ISI 效應示意圖(匡選的信號,臨近判定邏輯一與零的門檻,易導致判讀錯誤)

 

          在高頻傳輸中,為了克服通道衰減,讓訊號正確傳送到接收端,一般採用訊號等化器解決訊號衰減的問題。在 USB4 規範裡在傳輸端及接收端運用等化器(圖二),分別是發送端的 FFE(Feed Forward Equalizer),接收端 CTLE(Continues Time Linear Equalizer)、及 DFE(Decision Feedback Equalizer)。

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圖 2:高頻訊號傳遞處理架構圖

 

          在傳輸端 FFE 將訊號作預加強(Pre-shoot)、預衰減(De-emphasis),當通道衰減過大,FFE 的等化效果不足以補償通道產生的衰減時,還需接收端 CTLE 和 DFE 等化器還原訊號。兩端的等化器目的皆是均衡高低頻訊號在傳輸過程中的損耗,有利於接收正確訊號。與此同時也可以得到最佳的眼圖。

 

» USB4 與 TBT4 如何挑選最優化的 Preset 來進行 Transmitter 測試?

          USB4 的傳輸速率每個通道達到 20Gbps,如圖三所示,訊號在 Tx 端(TP1)通過 PCB 到 USB Type-C 連接器,藉由 Tx Preset 適當的補償,在 TP2 所量到的 DDJ(Data Dependent Jitter)將相對應的減小。USB4 認證測試中的 Tx Preset Cal,測試 Preset 0 ~ Preset 15,共 16 組 Presets 的 DDJ,需選出最小 DDJ 的 Preset。USB4 訊號所支援的速度 10Gbps 及 20Gbps,及通道 Lane 0、Lane 1 需分別進行 Tx Preset Cal。

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圖 3:測試點定義

 

          下表是待測物 16 組 Preset 的 DDJ 在 TP2 測試的結果,挑選其中最佳的 Preset 1 和最差的 Preset 9 比較其眼圖(表三),若選錯 Preset 會使得 ISI 效應無法得到適當補償(如 Preset 9,De-emphasis -8.0 dB,低頻預衰減 8dB,過補償,導致低頻訊號觸碰到中心 eye mask),眼圖過小且分岔,訊號 DDJ 的值超過 SPEC 規範,導致測試結果 FAIL。

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表 2:16 組 presets DDJ 在 TP2 測試結果 (USB4 Spec: DDJ≦210 mUI)

 

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表 3:USB4 Tx Preset Cal, Preset-1 與 Presdet-9 測試結果比較

 

          選定最佳的 Preset 後,將此 Preset 設定為 TP2 及 TP3 的開機預設值*(如圖四)並以此組預設值進行所有 USB4 Tx 相關測試。

註*:Tx 訊號品質測試 TP2 與 TP3 皆是以同一組 preset 做測試,只是在做 Tx TP3 遠端測試時,需另外嵌入 2 米 (供 USB4 Gen2) 及 0.8 米 (供 USB4 Gen3) S 參數進行量測。

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圖 4:TP2 與 TP3 設定同一組 Preset 值

 

» 總結

          在 Thunderbolt 4 及 USB4 高頻測試中,因為高頻訊號在經過通道後大幅衰減,須藉由 Tx FFE 等化器讓高、低頻成分訊號得到不同程度的預補償、預衰減,解決部分通道導致訊號衰減的問題。Tx Preset Cal 設定開機時最佳預設訊號,讓您的 Thunderbolt 4/USB4 產品可以在最佳訊號狀態進入連結溝通,且順利通過測試。

          GRL 為 USB-IF 及 Intel 官方授權的 Thunderbolt 4 及 USB4 認證實驗室,隨著 Intel 與 USB-IF 極力合作開發的最新應用 Thunderbolt 4 / USB4 問世,GRL 技術團隊與時俱進的鑽研新技術且協助各界廠商取得認證。

 

參考文獻

  • Universal Serial Bus 4 (USB4®) Specification, Version 1.0, August 2019
  • Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.0, August 2019
  • Universal Serial Bus 4 (USB Type-C) Router Assembly Electrical Compliance Test Specification, Version 0.96, Jan 20, 2020
  • USB Type-C Thunderbolt Alternate Mode Electrical Host\Device Compliance Test Specification
    Revision 1.5 Version 0.9
  • Intel Thunderbolt™ Tech Brief

 

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作者
GRL 台灣技術工程師 趙婉伶 Linda Zhao

國立東華大學。在 GRL 擔任 Thunderbolt Electrical、Functional 測試工程師,同時擅長 USB 3.2,USB 2.0 認證測試,協助客戶取得認證。

 

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本文件中規格特性及其說明若有修改恕不另行通知。                        發佈日期 2020/07/09 AN-200701-TW