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By GRL Team on 九月 28, 2021
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Thunderbolt

USB4® LRD Active Cable主動線纜測試與認證

Granite River Labs, GRL
張靜宜 Sandy Chang

 

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目前支援USB4®速度40G（20Gx2）的被動線纜長度最長約為1公尺，對於外接至大尺寸螢幕或VR應用等需要高速且更長線纜的應用，就需要用到主動線纜。

USB4 Active Cable規格依循USB Type-C Connector and Cable Spec，目前最新版本為Rev.2.1，新增EPR（Extended Power Range）Cable定義，並將過往Active Cable的ECN（Engineer Change Notice）整合到此版本。我們就來了解一下USB Type-C主動線纜。

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本篇介紹USB4主動線纜，如需被動線纜介紹及測試請參考另一篇技術文章「USB4 被動線纜測試與認證（USB4 Passive Cable）」。

 

USB Type-C主動線纜，主要有3個類型

  1. USB 3.2 Short Active Cable
  2. USB4 Short Active Cable
  3. USB 3.2 Optically Isolated Active Cable （OIAC）

其中OIAC是長度達50公尺的光纖線纜，目前定義最高可支援USB 3.2 Gen2速度（但不支援USB 2.0與VBUS 供電），主要用於工業端、機器視覺、遠端傳感器、專業視頻和醫療應用等。而USB4 Linear Optical Active Cable電氣規格則尚未定義；接著來介紹Short Active Cable的部分。

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表 1

 

Short Active Cable主動線纜重點

  • 長度在5公尺以內
  • 需支援Full-Feature Type-C與USB PD 3.0 eMarker
  • 需支援雙向及正反插
  • 依支援能力，可分為USB 3.2與USB4 主動線纜
    • USB 3.2主動線纜：
      • 必須支援USB 3.2 Gen 2×2（10GHz雙通道）
        ＊不允許僅支援單通道（x1）的主動線纜
      • Alt-mode可選擇性支援
    • USB4主動線纜：
      • 必須支援所有USB 3.2 與USB4速度（雙通道）
      • 且必須支援TBT3 Alt-Mode
  • Vbus, Vconn, CC及USB 2.0的線材要求，與被動線纜要求一致
  • 主動線纜需由Vconn供電

Active Cable為含有Repeater元件，如re-timer 或re-driver，主要針對高速訊號 Tx1、Tx2、Rx1、Rx2。其中Re-timer開發較為複雜且價格昂貴。而以Re-driver為主的 Linear Re-Driver線纜（簡稱LRD），擁有低複雜性、低功耗、低成本的特性，雖然是後期才加入USB生態系統、納入USB Type-C規格，LRD線纜卻是率先推出於市面上，如支援40Gbps兩公尺的Thunderbolt 4線纜即是支援USB4的LRD線纜。

 

Linear Re-Driver Cable架構

LRD cable主要元件包括 Rx Equalizer與Output Driver，分別負責補償線纜Cable loss、調整DC Gain，以及調整輸出Pre-emphasis與訊號的大小，如下圖。

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圖 1：Linear Re-Driver Cable 架構

 

LRD cable 設計考量

LRD Cable因不具備CDR（Clock Data Recovery），線纜輸入端接收到的Jitter以及Noise會轉嫁到線纜的輸出端；同時Rx EQ也有可能會將高頻雜訊放大；Paddle Card因加入主動元件，會有阻抗不連續的問題；以及較長的線纜，在生產過程中容易造成長度不匹配，P-N skew大，導致AC Common mode超過規範等，基於以上幾點設計時須考慮以下：

  1. 線纜造成的高頻雜訊
  2. 線纜內部EQ是否適當的均衡，信號是否有不足或是過度均衡？
  3. 主動線纜內部額外的元件的阻抗匹配
  4. 線纜高速對的P-N skew

 

LRD Cable功能支援及eMarker的宣告

在USB Type-C Connector & Cable Rev 2.1規格Table 6-3載明（如表2），USB4被動線纜與USB4主動線纜 （OIAC除外），都必須支援USB4、USB3、USB2與TBT3。

其中比較特別的是USB4 LRD Cable為Active Cable，但eMarker在ID Header VDO設定上，B29…B27須宣告為Passive Cable (011b)，並使用Passive Cable VDO進行宣告。因為LRD Cable是後期才納入USB規格，主要為了相容目前市面上TBT3的產品，須以Passive宣告，雖然Product Type宣告為Passive，在USB4 Discover溝通過程，也會接續進行TBT3 Discover_SVID (0x8087)，進而判斷是否為 “USB4 with TBT3 Gen3 Active Cable”。

圖片4 (2)

表 2：USB4線纜總覽

 

USB-IF發布新的USB4 Logo與Icon

USB-IF上週在西雅圖舉辦USB DevDays 2021研討會，結合EPR（Extended Power Range）的規格發布新的USB Type-C Cable額定功率的Logo與Icon如下表，讓使用者可以快速辨別USB產品支援的速度及功率。原先支援100W（20V/5A）的Cable已不再使用；支援5A的Cable則必須支援EPR 240W（48V/5A）。

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表3: New Certified USB Type-C Cable logo and Icon

（來源:  USB-IF Logo License – USB4® Logo Usage Guidelines）

 

新USB4 Cable Logo範例如下圖：

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圖2: USB Type-C EPR Cable logo and Icon

（來源:  USB-IF Logo License – USB4® Logo Usage Guidelines）

 

LRD cable主動線纜增加了主動元件Re-driver，讓線纜支援長度更長，在實際使用以及認證測試的概念是LRD cable應該與被動線纜性能一致，甚至更好。也就是說，在相同的測試環境設定下，LRD cable與被動線纜作比較，必須等於或優於被動線纜。

LRD認證測試項目包括：

  1. USB-C Functional 測試
  2. USB PD E-Marker 測試
  3. Active Cable Power：IR Drop 與功耗
  4. Thermal 過熱保護
  5. LRD Electrical 電氣特性測試
  6. LRD Cable 相容性測試（仍在討論中）

 

詳細的LRD Cable Electrical測試如下：

1. USB-C Functional 測試

依據USB-C Function 測試規格，針對Cable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
    • TD 4.14.5 Cable USB4 Test

 

2. USB PD: E-Marker 測試

依據USB PD CTS，測試以下3大項目與Cable相關測試：

  • Common Procedures and Checks
  • Physical Layer Specific Tests
  • Protocol Specific Tests

LRD Cable 需支援TBT3，須確認在TBT3宣告以及SOP’回應是否正確

  • Cable SOP’ Discover Identity response
    • [ID Header VDO] B26 (model operation) set to 1b (alt mode)
    • [ID Header VDO] B29..27 (product type)set to 11b (passive cable)
    • [Cable VDO] B2..0 (USB highest speed) set to 010b (USB3.2/USB4 Gen2)
  • Cable SOP’ TBT Discover Mode VDO response
    • .19 (rounded/rounded & none) set to 01b (both)
    • B21 (Optical/none) set to 0 (none)
    • B22 (Re-timer/Re-driver) set to 0b (Re-driver)
    • B23 (Uni/Bi-directional) set to 1b (Uni)
    • B25 (Active/Passive) to 1b (Active)

 

3. Active Cable Power Requirements

3.1. VBUS和 Ground 線纜的IR Drop與被動線纜規格一樣

  • VBUS IR Drop：≤500 mV
  • Ground IR Drop：≤250 mV

3.2. 主動線纜的供電主要是透過VCONN，消耗功率最高限制

  • VCONN 消耗功率Power ≤1.5W

 

4. Thermal Test

基於安全考量，主動線纜內部必須設置有溫度感應。當主動線纜塑料外殼表面溫度達到80˚C或金屬表面溫度達到55˚C，則必須停止USB 3.2/USB4資料傳送。

另外，主動線纜插頭的表面溫度，外殼表面最高工作溫度不得超過環境溫度30˚C，或金屬外殼表面溫度15˚C。

而影響Active Cable塑料外殼表面溫度（TS）主要有連接的Host與Device主板的工作溫度（TMB）、cable內的主動元件、及當下的環境溫度（TA）。在實際認證測試，主要分為兩部分，表面溫度（Surface Temperature，TS），以及過熱保護(Thermal shutdown）。測試環境示意如下圖：

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圖3: Thermal Shutdown過熱保護測試連接示意圖

 

4.1 Surface Temperature (Ts) 表面溫度

如圖3測試連接，在室溫環境下，透過Thermal Test Fixture Heater board模擬Host/Device主板，讓TMB升溫到（TA+ 25˚C），然後接上Active Cable並進行Host到Device的全載設定（包括同時高速資料傳送，以及PD 100W負載）。此時利用紅外線攝像先找出cable plug溫度最高區域（圖4），將 “Thermal Couple” 貼片黏貼於此高溫處進行溫度測試（圖5）。檢測cable plug塑料外殼表面溫度，測試結過判定： TS < TA +30˚C。

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圖4: 紅外線攝像找出最高溫區域／圖5:“Thermal Couple”貼片黏貼到最高溫區域

 

4.2 Thermal Shutdown 過熱保護

過熱保護的測試環境同上，另外包覆加熱貼片在cable plug塑料外殼上（圖6），在室溫環境下，開始對加熱貼片進行加熱，當溫度到達 85˚C時，進行測試結過判定：Active Cable需停止USB 3.2/USB4資料傳送。

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圖6: Flexible heater 加熱貼片

Note: Active Cable Thermal 測試設備及相關配件，洽詢 Od.Liao@luxshare-ict.com

 

5. Electrical Test 電氣特性測試

LRD線纜，在USB 2.0, SBU,CC線纜配置仍採用被動線纜，測試方法及規格，與被動線纜相同。在高速訊號對Tx1/Rx1/Tx2/Rx2配置有Re-driver主動元件，測試規格依照LRD Active Cable CTS 0.8版，測試項目如下主要可分為下列三大項目：

  • Frequency Domain 頻域測試
  • Time domain – Cable Stand-Alone線纜本身測試
  • Time domain – Cable Output Eye Test線纜輸出端眼圖測試

5.1 Frequency Domain 頻域測試

– Integrated Return-Loss (IRL)
– Integrated Multi-Reflection (IMR)
– Channel Operation Margin (COM)

頻域測試項目，測試方法與被動線纜相同，以向量網路分析儀VNA擷取S參數，高速差動對共8個S4P 檔案（Tx1/Rx1/Tx2/Rx2，雙向），並透過Get_iPar_v0p91a 軟體進行分析。

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圖7：向量網路分析儀VNA擷取S參數連接圖

 

5.2 時域–線纜本體測試 （Cable Stand-alone Test）

– Cable ILfit Mask（DC/f1/Nq/f2/f3/WB）：插損
– OUTPUT_NOISE（𝝈𝒏）：輸出噪聲標準差（不包含非線性噪聲）
– SIGMA_E（𝝈𝒆）：輸出非線性噪聲標準差
– Cable CM_NOISE：AC共模

線纜本體測試（不含系統ISI及抖動），主要測試線纜本身插損，輸出噪聲，非線性噪聲，及AC共模。測試連接如下圖，訊號產生器在TP2輸出（如表4）Pattern、Swing、以及無Jitter、無SSC、無Tx EQ設定下，例如 “Pattern: PRBS15, Swing 800mV, SSC off, Jitter off, Preset 0”，先接上Worst-Case被動線纜進行測試，示波器擷取波形*.bin，接著換上LRD Cable測試，透過軟體進行以下參數分析，然後比較LRD Cable測試結果必須等於或優於Passive Cable。測試需涵蓋USB4 Gen2/Gen3，以及USB 3.2 Gen2等三個速度。

註：“Worst-Case 被動線纜” 指的是線纜規格內最大插損的被動線纜，如1m的USB 3.2 Gen2被動線纜，2m的USB4 Gen2被動線纜，以及0.8m的USB4 Gen3被動線纜。

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圖8：線纜本體測試連接圖

 

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表4：線纜本體測試環境設定要求

 

5.3 時域 – 線纜輸出眼圖測試（Cable output Eye Test）

5.3.1. USB4 Gen2/ Gen3 測試：

線纜輸出眼圖測試（含系統ISI及抖動等）連接如下圖，測試環境與USB4 Host/ Device Rx接收端認證測試環境相同，需要先進行USB4 Rx測試環境校正，可以直接透過GRL-USB4-Rx Test APP，如圖9，自動化控制Anritsu MP1900 Pattern Generator，搭配Keysight或Tektronix示波器進行USB4 Rx測試環境校正。

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圖9：GRL USB4 Rx自動化測試APP

 

校正完後，測試時先接上“Worse Case被動線纜”，測試條件設定包括在Pattern Gen輸出 PRBS31，設定USB4 Preset（共16組），訊號經過線纜後，在示波器擷取五次波形，每組高速對需擷取80個波形；然後在相同的測試條件下，取下被動線纜，換上LRD Cable後，在示波器擷取波形；然後以USB4 SigTest軟體進行眼圖、眼寬、及眼區域測試分析。

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圖10：USB4 Gen3/Gen2線纜輸出眼圖測試連接

USB4 Gen2/Gen3測試結果的判定 （5次擷取的平均值）：
LRD Cable最佳眼圖區域面積 ≥ Passive Cable最佳眼圖區域面積
而且其中 LRD Cable眼寬 ≥ 0.9 * Passive Cable眼寬

 

5.3.2. USB 3.2 Gen2測試：

測試環境與USB 3.2 Rx接收端認證測試環境相同，需要先進行USB 3.2 Rx測試環境校正（如圖11），可以直接透過GRL-USB3-Rx Test APP，自動化控制Anritsu MP1900 Pattern Generator，搭配Keysight或Tektronix示波器進行校正。

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圖11：USB 3.2 Gen2線纜輸出眼圖測試連接圖

 

校正完後，在USB 3.2 Gen2 Rx測試條件，選用Rx校正在 Pj＠100MHz的環境，由Pattern Gen透過治具，經過LRD Cable後，示波器擷取五次波形，再以USB3 SigTest軟體，及7個CTLE template進行分析。（USB3 SigTest初始只有一個CTLE_5dB template, 需要另外手動設定補齊CTLE_0dB ~ CTLE_6 dB template）

USB 3.2 Gen2測試結果的判定，（5次擷取的平均值）：
LRD Cable最佳眼圖區域面積 ≥ Passive Cable最佳眼圖區域面積
而且其中 LRD Cable眼寬 ≥ 0.9 * Passive Cable眼寬

 

結論

USB Type-C的應用廣泛，在電腦及相關周邊裝置，還有被動線纜與主動線纜等，有些僅支援USB 2.0與充電、有些可支援USB 3.2、USB4；都是USB Type-C連接器，支援的能力、速度不盡相同，很容易讓使用者混淆。USB協會也著重於使用者體驗，致力於一條Type-C線纜，能滿足所有應用邁進，在主動線纜部分，規範必須支援雙向傳輸、支援正反插，支援雙通道(x2)等。以USB4 LRD主動線纜為例，可以支援USB4，USB 3.2，USB 2.0，Thunderbolt 3，以及PD充電等，滿足一條線搞定USB Type-C應用。

USB Type-C主動線纜與被動線纜最大差異是有無主動元件，這也造成在測試高速差動訊號的方法不同，主動纜線測試採用現有USB4 Host與Device的高頻測試的方法，使用高頻訊號產生器與高頻示波器來進行測試，測試環境及手法都相對複雜，GRL在USB4測試上提供自動化測試解決方案，可以降低測試複雜度，在調整EQ、Gain等參數及協助客戶除錯有豐富經驗，更可以提供USB4 Host 與Device，USB4 Passive Cable，與USB4 Active Cable等測試認證服務。

GRL專業認證團隊，在台北、上海、東莞等地皆有認證實驗室，協助客戶從開發到取得認證，秉持專業與熱忱為您服務，請各位先進不吝指教。

 

 

參考文獻

  • USB Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021
  • USB Type-C Connectors and Cable Assemblies CTS, Revision 2.1b, June 2021
  • USB4™ Thunderbolt3™ Compatibility Requirements Spec, Version 1.0, January 2021.
  • USB4™ Thunderbolt3™ Compatibility CTS, Revision 1.0, January 2021.
  • USB Power Delivery CTS, Revision: 1.2, Ver 2, June 20, 2021
  • USB Type-C Functional Test Specification, Chapter 4 and 5, May 23, 2021, Rev 0.88

 

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作者
GRL 台灣技術總監 張靜宜 Sandy Chang

Thunderbolt™ 4, USB4, USB3, DisplayPort, HDMI, PCI Express等高速介面測試領域的專家，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。

 

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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 2021/10/06 AN-211006-TW
Published by GRL Team 九月 28, 2021
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