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。欲了解更多信息，請查看USB4 商標要求圖表。（註：此更改僅適用於被動線纜）
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。
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
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。
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
