Sandy Chang
Technical Director, GRL
現在、USBケーブルにはパッシブケーブルとアクティブケーブルの2種類が存在することは知られています。 しかし、この2種類のケーブルの違いを正確に説明できる人はそう多くはありません。 そこで、パッシブケーブルとアクティブケーブルについて、より詳しい情報をお伝えしたいと思います。 この記事では、パッシブケーブルに焦点を当てますが、USB4アクティブケーブルについてより深く知りたい場合は、アクティブケーブルに関連する私達の別の記事を参照してください。
「新しく買ったUSB4 20GケーブルをUSB4パソコンとUSB3 Gen2ハードディスクに接続すると、最高速度で接続されていないことを示すポップアップウィンドウが出るのはなぜ？」、「新しいパソコン用に付属するUSB Type-Cケーブルを使うと伝送速度が遅くなるのはなぜ？」、「高速伝送が楽しめるUSB Type-Cケーブルとはどんなものか？」など、さまざまな質問を耳にします。
上記の疑問を説明するためには、まず様々なUSBケーブルの仕様の違いを理解する必要があります。
USB Type-C®ケーブルの仕様
USBのバージョンと対応するケーブルの長さを表1に示します。USBバージョンによってサポートしているパッシブケーブルの長さを以下に示します。
- USB4 Gen2 パッシブケーブル：長さ2m以下、最大伝送速度20G（10Gx2）bps以上。
- USB 3.2 Gen1 パッシブケーブル：長さ2m未満、最大伝送速度5Gbps以上
- USB 3.2 Gen2 パッシブケーブル：長さ1m未満、最大伝送速度20G（10Gx2）bps以上。
表1 USB Type-C® 標準ケーブル
(Source: Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Release 2.1)
USB4 に関するよくある質問
このように様々な製品があることは、消費者にとって利便性が高い反面、疑問も生じます。よくある質問に対する回答は以下の通りです。
1.新しく購入したUSB4 20GケーブルをUSB4パソコンとUSB3 Gen2ハードディスクに接続したところ、ポップアップウィンドウに最大速度で接続されていないと表示されるのはなぜですか？
下記の表2のように、長さ2mのUSB4 Gen2パッシブケーブルは、USB4の最大速度20Gでデータを伝送できます。 しかし、USB3.2 Gen2ハードディスクに接続すると、USB3.2 Gen1の最大速度、すなわち5Gでしか伝送できなくなります。USB3 Gen2ハードディスクは最大10Gまで対応していますが、このケーブルでは5Gになるためハードディスクのビルボードに「この機器はもっと速い速度で伝送できますよ」というメッセージが表示されます。
表２ USB4 Gen2 ケーブル長と転送速度
2.20G伝送の場合、USB4のケーブル長がUSB 3の2倍に
なっているのはなぜですか？
下の表3、システムロスの観点から分析してみましょう。 USB4 Gen2とUSB3 Gen2の伝送速度は20Gbpsですが、対応するパッシブケーブルの長さが異なるのは、伝送特性の違いによるためです。 USB4の仕様はThunderbolt 3（略してTBT3）から派生したもので、主にDisplayPortとPCIeの信号を伝送しています。 大画面に対応するため、TBT3 Gen2では2mのパッシブケーブルに対応することが求められており、USB4 Gen2でも2mに対応する必要があります。ただし、USB 3やUSB4の送受信端子の部品は、少なくともナイキスト周波数で約23dBのシステム損失（ホストPCB、ケーブル、デバイスPCBを含む）を許容する必要があります。
表３ システム伝送特性： USB 3.2 Gen2、 USB4 Gen2
まず、USB 3.2 Gen2 挿入損失について見てみましょう。
- USB3 Gen2挿入損失23dB@5GHz (Nyquist frequency)：
ホスト (8.5dB) -ケーブル (6dB) -デバイス (8.5dB). ケーブル 6dB@5GHz。ここでのケーブルの挿入損失は、ケーブル長１ｍに相当します。
USB4 Gen2は2mをサポートしなければなりませんが、同じシステムロスの下では、Host側とDevice側のロスを減らすしかなく、USB4やTBT3のICがUSB-Cコネクタに極めて近い位置にあるのはこのためです。 - USB4 Gen2挿入損失 23dB@5GHz (Nyquist frequency)。
ホスト (5.5dB) -ケーブル (11.5dB) -デバイス (5.5dB). ケーブル11.5dB@5GHz。ここでのケーブルの挿入損失は、ケーブル長2mに相当します。
3.新しいパソコンにUSB Type-Cケーブルを装着すると、接続速度が遅くなるのはなぜですか？
新型の薄型軽量パソコンの充電にUSB Type-C充電器を使用するため、新型パソコンには1.5m～2m程度の長さのUSB Type-Cケーブルが1本同封されていることがあります。 このような充電を目的としたほとんどのケーブルは高速伝送能力を持ちません。 高速伝送が必要な場合は、市販のUSB4またはTBT3対応のUSB Type-C高速ケーブルを追加購入する必要があります。
充電に必要な要件は、480Mbpsの速度に対応したUSB Type-C（USB2.0）ケーブルが基本です。
4.高速伝送に使えるUSB Type-Cケーブルとは？
–USB4ケーブルのロゴ
USB IFがUSB4仕様を公開後、SuperSpeed USB 10Gbps (10Gx1), SuperSpeed USB 20Gbps (10Gx2), USB4 20Gbps (10Gx2) ケーブルは20Gbpsまでの伝送性能を持つことになりました。 様々なロゴの存在が消費者の混乱を招くため、USB IFは、解決策としてSS USB 10GbpsとSS USB 20Gbpsケーブルのロゴ （認定）をやめ、統一的にCertified USB 20Gbpsケーブル認定とロゴを使うことにしました（図1）。1のように）。(注：このような変更は、パッシブケーブルにのみ適用されます。）
図１ 新旧USBロゴ
（Source: USB-IF Logo License – Trademark Requirements Chart）
高速伝送を行うためには、ケーブルを選ぶ際に、梱包箱に記載されている “Certified USB 20Gbps” に加え、上記の表2に従って、USB 3.2 Gen2に対応した1m以下のパッシブケーブルを選ぶことが必要です（USB4 Gen2ケーブルの伝送速度とケーブル長は表２を参照）。 もちろん“Certified USB 40Gbps” ケーブルを購入することもできますが、価格は比較的高くなります。もう一つの選択肢は、アクティブケーブルです。GRL USB Type-Cアクティブケーブルの紹介を参照してください。
表４ USB4 ロゴ
（Source: USB-IF Logo License – Trademark Requirements Chart）
USB4パッシブケーブルについて説明してきました。 次はUSB4パッシブケーブルの認証と試験項目について説明しましょう。
USB4 Gen3ケーブル認証のポイント
USB4ケーブルの認証には、認証されたコネクタを使用する必要があります。
USB3 Gen1/2 & USB4 Gen2 Type-Cケーブルは主にB-1～B7の6項目（下記表5参照）、USB4 Gen3ケーブルはB-8の追加テストが必要です。
USB Type-Cケーブル認証の試験項目は以下の通りです。
- B-1 eMarker試験、挿入・引抜力試験、屈曲試験、Vbus/Gnd電圧降下試験
- B-2 USB2.0 電気的特性
- B-3 USB 3.2 電気的特性
- B-4 EMI/RFI シールド効果試験
- B-5 コネクタクラッド成形寸法とEMCドーム
- B-7 ねじれ試験
- B-8 USB4 電気特性 (USB4 Gen3)
表５ 一次認証試験
（Source：USB-C CableConn CTS 2.1b）
USB4ケーブル 追加テスト
USB4ケーブルの認証試験では、USB3ケーブルのすべての試験仕様に加え、B-1 e-Marker、B-8 USB4電気特性 などの追加試験も必要です。 B-8 は高周波信号品質試験です。 試験サンプルとして提供された50本のケーブルの中から任意の10本を選んで実験室で試験し、その10本がすべて合格しなければなりません。 USB4ケーブルの高速伝送品質に対するUSB IFの要求事項を示しています。 これにより、お客様は認定ケーブルを購入することで、40Gの高速伝送を安心して利用することができます。 なお、更新された試験の詳細は以下の通りです。
- B-1 e-Marker (USB4) のテストでは、USB-C Function Test Version 0.88 に準拠し、以下のようにケーブルテストを実施します。
- TD 4.1.3 Unpowered Cable Test
- TD 4.13.5 Cable EnterUSB and Data Reset Test
- TD 4.14.x Test
- 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 4.14.1 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 electrical characteristics) は基本的に B-3 (USB 3.2 electrical characteristics) と同じ試験項目ですが、より厳密な仕様要求が課せられさらにCOM 試験が追加されたものです。 USB-C 20Gと４０Gの比較を表6に示します。主なポイントは以下の通りです。
- USB4 Gen3 ケーブルテスト： ベクターネットワークアナライザーで S4P をキャプチャし、Get_iPar ソフトウェアで解析
- 挿入損失フィットの最大周波数： 10GHz から 15GHz に拡大
- クロストークテスト： USB4 は 2 チャンネル伝送をサポートしているため、2 チャンネル間の Port to Port クロストークと DP Alt モードでのクロストーク テストが追加
- COM (Channel Operation Margin) テスト： テスト方法は IEEE 802.3 を踏襲。ケーブルのS-パラメータを取り、USB4のTx/Rxイコライザ、ジッタ、ノイズと組み合わせ、統計解析と似た手法でS/N比を計算し、チャンネル（ケーブル）特性を推定。 COMの結果は3ｄBより大きくなければなりません。
図２ COM解析
表6 ケーブルCTS比較（テストグループ B-3、B-8）
さらに、USB4パッシブケーブルはTBT3に対応している必要があり、別途TBT3互換性テストが必要であることにも注意が必要です。
まとめ
USB Type-Cケーブルは同じ伝送速度に対応していても、ケーブルの長さに注意する必要があります。 これは主にシステムロスに依存します。 充電に関しては、USB 2.0 USB Type-C仕様に準拠したケーブルが最低限必要です。
USB4 Gen3ケーブル認証に関しては、TBT3への対応と伝送速度向上が同時に求められ、e-Marker、Crosstalk、COMの試験項目が検証のために追加されます。GRLはUSB IF認定認証機関として、USBケーブルと製品の試験・認証を一貫して行っています。
参考文献
- 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
著者
Sandy Chang – Technical Director, GRL
Sandyは業界で10年以上のプロフェッショナルな経験を持ち、現在はGRLのテクニカルディレクターに就任しています。GRLのテストチームのリーダーであり、ThunderboltやUSB Type-Cなどの高速インターフェースやテスト仕様に精通しています。
