【技術文章】USB4®被動線纜測試與認證(USB4® Passive Cable)

Granite River Labs, GRL
Sandy Chang 張靜宜

 

1. 明明是新買的 USB4 20G 線纜,接上 USB4 電腦跟 USB3 Gen2 硬碟,為什麼跳出視窗顯示不是以最高速連接呢?

2. 用新電腦附的 USB Type-C 線纜,傳輸速度更慢了??

3. 到底什麼樣的 USB Type-C 線纜,才可以享受到高速傳輸呢???

若要解釋上面的問題,首先我們必須了解一下 USB 線纜規格與相互差異:

 

» USB Type-C 線纜的規格

          如下表 1,列出 USB 版本及對應可支援線纜長度,我們可以看出各個 USB 版本可支援的被動線纜長度。整理如下:

  • USB4 Gen2 被動線纜:長度小於 2m,最高傳輸速度為 20G (10Gx2) bps
  • USB 3.2 Gen1 被動線纜:長度小於 2m,最高傳輸速度為 5Gbps
  • USB 3.2 Gen2 被動線纜:長度小於 1m,最高傳輸速度為 20G (10Gx2) bps

 

表 1: USB Type-C Standard Cable Assemblies

 

接著我們就來解答開頭的三個問題:

1. 明明是新買的 USB4 20G 線纜,接上 USB4 電腦跟 USB3 Gen2 硬碟,為什麼跳出視窗顯示不是以最高速連接呢?

如下表 2,以長度的角度來解析。長度 2m 的 USB4 Gen2 被動線纜,可傳送最高資料速度 USB4 20G,但若接上 USB 3.2 Gen2 硬碟,最高只能傳送 USB 3.2 Gen1,也就是 5G 速度。因為 USB3 Gen2 硬碟最高速可支援 10G,但降速度到 5G,此時硬碟的 Billboard 應跳出訊息,告知使用者此裝置可以更高速傳送。

 

表 2:USB4 Gen2 線纜長度與支援速度

 

為何同樣是傳送 20G,USB3 與 USB4 支援長度差一倍?

如下表 3,以系統損耗的角度來解析。USB4 Gen2 與 USB3 Gen2 的傳輸速度都是 20Gbps,但所支援的被動線纜長度卻不同,主要原因是系統損耗配置不同。USB4 規格源自於 Thunderbolt 3(簡稱 TBT3),主要是傳送 DisplayPort 以及 PCIe 訊號,為了支援大螢幕,TBT3 Gen2 要求支援 2m 被動線纜,所以 USB4 Gen2 也必須支援 2m。而在 USB3 與 USB4 傳送端及接收端的部分,都必須至少要容忍系統損耗(包括 Host PCB,線纜,與 Device PCB)在 Nyquist 頻率損耗約為 23dB。

 

表 3:USB 3.2 Gen2 與 USB4 Gen2 系統損耗配置

 

先來看 USB 3.2 Gen2 插損(Insertion Loss)配置:

• USB3 Gen2 規格 23dB@5GHz(Nyquist 頻率)插損配置是:

◦ Host(8.5dB)–Cable(6dB)–Device(8.5dB)。此處 Cable 6dB@5GHz 插損,相當於是 1m 線纜長度。

USB4 Gen2 需支援 2m,在相同的系統損耗下,只好縮減 Host 端及 Device 端的損耗,這也是為什麼 USB4 或 TBT3 的 IC 都非常接近 USB-C 連接器的原因。

• USB4 Gen2 規格 23dB@5GHz(Nyquist 頻率)插損配置是:

◦ Host(5.5dB)–Cable(11.5dB)–Device(5.5dB)。此處 11.5dB@5GHz 插損,相當於是 2m 線纜長度。

 

2. 用新電腦附的 USB Type-C 線,連接速度更慢了??

隨著新型輕薄電腦的充電改採 USB Type-C 充電器,新電腦配件也附有一條長約 1.5m 到 2m 的 USB Type-C 線纜,這個長度是為了方便使用者作為充電的用途,但大部分線纜本身並不具備高速傳輸的能力,若有需要高速傳輸則需要在市面上另外購買 USB Type-C 支援 USB4 或 TBT3 的高速線纜。

而此充電線纜的基本要求是以 USB Type-C(USB 2.0)線纜為標準,支援速度 480Mbps。

 

3. 到底什麼樣的 USB Type-C 線,才可以享受到高速傳輸呢???

– USB4 線纜標誌

USB IF 在推出 USB4 規格後,因為 SuperSpeed USB 10Gbps(10Gx1)、SuperSpeed USB 20Gbps(10Gx2)和 USB4 20Gbps(10Gx2)線纜都具有高達 20Gbps 的傳輸性能,但多種 logo 商標會讓消費者混淆,協會對此解決方案是棄用 SS USB 10Gbps 和 SS USB 20Gbps 線纜認證和標誌,統一使用 Certified USB 20Gbps 線纜認證及標誌(如圖 1 右)。(註:此更改僅適用於被動線纜)

圖 1:USB Cable 新舊 Logo

 

要享受到高速傳輸,在選購線纜時除了認明包裝盒上的 Certified USB 20 Gbps 外,由上表 2 得知,還需選擇 1m 或以下的可支援 USB 3.2 Gen2 被動線纜(或參考廠商詳細線纜支援能力)。也可以直接選擇購買 Certified USB 40Gbps 線纜,但價格也會相對高一點。還有另一個選擇就是主動線纜,請參考 GRL USB Type-C 主動線纜介紹

表 4:USB4 Logo

 

» USB4 Gen3 線纜證認要點

USB4 線纜認證,必須使用過認證的連接器。

USB3 Gen1/2 & USB4 Gen2 Type-C 線纜測試主要是以 B-1~B7 等 6 大項目(參考下表 5),而 USB4 Gen3 線纜需額外加測 B-8。

USB Type-C 線纜認證測試項目包括有:

  • B-1 eMarker 測試,插拔測試,搖擺測試,及 Vbus/Gnd 壓降測試
  • B-2 USB 2.0 電氣特性
  • B-3 USB 3.2 電氣特性
  • B-4 EMI/RFI 屏蔽效應測試
  • B-5 連接器包覆成形尺寸及 EMC 彈片
  • B-7 扭力測試
  • B-8 USB4 電氣特性(USB4 Gen3)

 

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

 

» USB4 線纜新增測試

          USB4 線纜認證測試,除了需要依循 USB3 線纜所有測試規範,新增的測試包括有 B-1 e-Marker 與 B-8。其中 B-8 為高頻信號品質測試,認證測試須由客戶提供的 50 條線纜中,實驗室任選 10 條來進行測試,且此 10 條皆需通過測試,才能判定為通過。可見 USB 協會對 USB4 線纜在高速傳輸品質要求,讓客戶在市面上購買到認證過的線纜,可以儘情享受 40G 高速傳送。詳細更新測試如下:

  • B-1 e-Marker(USB4)測試,依據 USB-C Function Test 0.88 版,對線纜測試如下:

✓ 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 電氣特性)測試,基本上與 B-3(USB 3.2 電氣特性)測試項目一樣,但規格要求更為嚴謹,以及新增 COM 測試,詳細的比較表請參考表 6。主要重點有:

✓ USB4 Gen3 線纜測試以向量網路分析儀擷取 S4P,以 Get_iPar 軟體分析

✓ Insertion Loss Fit 最高頻率點由 10GHz 提高到 15GHz

✓ Crosstalk(串音)測試,以往 USB3 僅支援單通道傳輸,因為 USB4 支援雙通道傳輸,所以加入雙通道間的 Port to Port crosstalk,以及 DP Alt-mode 下的 crosstalk 測試

✓ COM(Channel Operation Margin)通道餘裕測試,COM 的測試方法源自於 IEEE 802.3,擷取線纜 S 參數,結合 USB4 Tx/Rx Equalizer, Jitter 以及 Noise,透過類似於統計分析的方法計算出信號雜訊比(Signal-to-Noise Ratio),來推估通道(線纜)特性。COM 結果必須大於 3。

圖 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 被動線纜必須支援 TBT3,也需要加測 TBT3 相容性測試。

 

» 結論

          USB Type-C 線纜雖然支援相同傳輸速度,線纜的長度卻不一定相同,主要是根據系統損耗來決定;在充電方面,線纜最低需符合 USB 2.0 USB Type-C 規格。

          在 USB4 Gen3 線纜認證方面,需同時相容 TBT3 與傳輸速度提升,新增 e-Marker、串音與 COM 等測試項目驗證。GRL 為 USB IF 授權認證實驗室,提供 USB 線纜與產品完整測試與認證,在台北、東莞、上海等地皆有實驗室可提供服務。

 

 

參考文獻

  • 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

 

文章下載

 

作者
GRL 技術總監 張靜宜 Sandy Chang

擁有業界十年以上專業經驗,現擔任 GRL 技術總監,帶領 GRL 各測試團隊。熟悉 Thunderbolt、USB Type-C 等高速介面與測試規範。

 

想瞭解更多相關服務,歡迎聯絡:

11493台北市內湖區內湖路一段516號4樓
電話: +886 (2) 2657-2199 #105
Email: info_taiwan@graniteriverlabs.com
官網: www.graniteriverlabs.com.tw

 

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 2021/07/26 AN-210726-TW