Granite River Labs, GRL
張靜宜 Sandy Chang
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。
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）」。
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。
表 1
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。
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。
圖 1：Linear Re-Driver Cable 架構
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：
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”。
表 2：USB4線纜總覽
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）。
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：
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：
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：
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：
LRD Cable 需支援TBT3，須確認在TBT3宣告以及SOP’回應是否正確
3. Active Cable Power Requirements
3.1. VBUS和 Ground 線纜的IR Drop與被動線纜規格一樣
3.2. 主動線纜的供電主要是透過VCONN，消耗功率最高限制
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：
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。
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。
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：
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。
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。
圖8：線纜本體測試連接圖
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。
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。
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。
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
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
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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。
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