Granite River Labs, GRL
Jimmy Lin 林致均
USB-IF於2022的6月8日發布了USB4 Electrical認證測試規範1.03版，其中與USB4 Electrical認證測試規範1.0版最大的差別在於測試項目–USB4 Receiver Signal Frequency Variation Training Test（接收端訊號頻率變化訓練測試），前後兩版無論在校準手法或測試手法都有改變，本文將帶大家探討兩者之間的差異。
USB4 Receiver Signal Frequency Variation Training Test主要是在量測產品的接受端，在收到展頻時脈 (Spread Spectrum Clock, SSC) 有變化的訊號時，是否依然能保持連接狀態並且沒有錯誤出現，而根據認證測試規範，Bit Error Rate需要小於1E−6此測項才能算是通過。
在規範1.03版，USB4 Receiver Signal Frequency Variation Training Test中接收端收到的測試訊號，為模擬Re-timer的運作過程。請參考下圖1，在最初Re-timer動作時，會先傳送使用Local clock的資料，如圖中紅色區域，此時Frequency Variation需要維持在正負300 ppm之間。接著Re-timer會開始切換成使用Recovered Clock來傳送資料，切換的過程如圖中的綠色區域。而後Re-timer會進入穩定的運行階段，如圖中的藍色區域。
圖1: Re-timer Frequency Variation之變化圖 (來源: Universal Serial Bus 4 (USB4) Specification Version 1.0, May 2021)
表1: Transmitter Frequency Variation Limits (來源: Universal Serial Bus 4 (USB4) Specification Version 1.0, May 2021)
接下來的章節會介紹兩個版本的測試手法有何不同。
認證測試規範1.0–測試手法
在測試規範1.0版本中，USB4 Receiver Signal Frequency Variation Training Test的測試環境與Receiver Rx BER Test TP3的測試環境相同。
圖2: Receiver Rx BER Test TP3 測試環境圖 (來源: Universal Serial Bus 4 (USB4) Router Assembly Electrical Compliance Test Specification Revision 1.0, June 2020 )
測試方式為使用Receiver Rx BER Test Case 2在PJ 1MHz校驗的設置，並將BERT中產生SSC的模組關閉。將PJ的頻率改成0.4MHz，針對USB4 Gen2使用的Jitter大小為22.4UI，而USB4 Gen3使用的Jitter為44.8UI，其餘設置保持不變，即完成環境的設置。接著使用ETT (Electrical Test Tool) 來執行BER的測試，測試的時間為10秒，並記錄測試後的BER是否小於1E−6。此測項需要在USB4 Type-C端口上的兩個Lane所支援的速度來執行。
認證測試規範1.03–測試手法
而在測試規範1.03版本中，USB4 Receiver Signal Frequency Variation Training Test需要在Case1及Case2的環境下進行測試。在校準的部分，開啟對應的Case在PJ 100MHz校驗的設置，並且將使用的Pattern改為PRBS15。關掉原有產生SSC的模組，使用特別針對Clock Switch的SSC模組，並將參數設定如圖2和圖3。需要注意的是，圖中所示的參數設定為Rounded Speed (10G & 20G) 使用，Legacy Speed (10.3123G & 20.625G)將不再進行此項測試。
圖3: Case1 SSC模組設置參數 (來源: Universal Serial Bus 4 (USB4) Router Assembly Electrical Compliance Test Specification Revision 1.03, June 8 2022 )
圖4: Case2 SSC模組設置參數 (來源: Universal Serial Bus 4 (USB4) Router Assembly Electrical Compliance Test Specification Revision 1.03, June 8 2022 )
在測試方式的部分，開啟上述設置好的環境，並且先將特別針對Clock Switch的SSC模組關掉。執行ETT來進行BER測試。在開始測試前，會跳出視窗＂to turn on clk-switch over the Generator＂，按下確認鍵後，開啟各別針對Clock Switch的SSC模組並進行測試。測試的時間一樣為10秒，並記錄測試後的BER是否小於1E−6。此規範版本的測試同樣需要在USB4 Type-C 端口上的兩個Lane所支援的速度來執行，並且需重複此測試20次，再以Error數最大的那次作為結果。但在近期Intel所制定的Streamline中，考量到測試時間，測試的次數降為5次。
表2: Frequency Variation Test在不同CTS比較
結論
有鑑於現今筆記型電腦的設計，CPU至連接器的距離較長，進而導致訊號傳輸的衰減，因此常會採用在線路中加入Re-timer的方法來改善此問題，也能使設計上有更多彈性。因此驗證Re-timer的重要性不言而喻，而USB4 Receiver Signal Frequency Variation Training Test的測試手法從1.0版進化至1.03版，也使得驗證過程更符合實際Re-time的行為。GRL擁有豐富的USB認證測試經驗，可以根據最新的測試手法為客戶進行USB4認證測試，為消費者嚴格把關產品品質。
參考文獻
- Universal Serial Bus 4 (USB4) Router Assembly Electrical Compliance Test Specification Revision 1.03, June 2022
- Universal Serial Bus 4 (USB4) Router Assembly Electrical Compliance Test Specification Revision 1.0, June 2020
- Universal Serial Bus 4 (USB4) Specification Version 1.0, May 2021
作者
GRL台灣技術工程師 林致均 Jimmy Lin
現任 GRL Thunderbolt 3/4 及 USB4 認證測試工程師，具四年的高頻測試經驗，熟悉 Thunderbolt、USB 的測試規範及其原理，協助客戶解決測試問題並且取得認證。
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 2022/11/08 AN-221108-TW
