Granite River Labs, GRL
Linda Zhao 趙婉伶
USB-IF 在 2019 年 9 月發表 USB4 規格，傳輸速率達到 40Gbps，USB4 規格主要依據 Thunderbolt™ 3 架構設計，並且相容 TBT3。Thunderbolt™ 4（以下簡稱 TBT4）傳輸速度 40Gbps 與 TBT3 相同，其獨特優勢是支援 TBT3 且相容 USB4。由於 USB4 與 TBT4 都源自於 TBT3 的架構，所以在電氣（Electrical）測試部分，整合後的 USB4 電氣測試規範成為 USB4、TBT4 以及 TBT3 共同電氣測試規範。
嚴謹的電氣測試規範，會針對每款 USB4 / TBT4 產品的輸出訊號品質，個別設定最優化的初始訊號，好讓 USB4 產品一接上，就可以快速連接溝通。也就是電氣測試規範中 Transmitter Preset Calibration（以下簡稱 Tx Preset Cal）。
USB4 規範中載明，高頻輸出端需支援 16 組 Presets（預設值）如下表，也就意味著有 16 組不同訊號品質的輸出。在 USB4 電氣訊號認證測試，到底該選用哪一組 Preset 來測試，確保輸出訊號品質？還是 16 組 Presets 全測呢？
表 1：16 組 Transmitter Equalization
Tx Preset Cal 是進行傳輸端輸出電氣測試時的首要步驟，也是非常重要的一環，因為選錯 Preset 來做測試，可能導致測試結果不符合規範，要避免這樣情形發生，我們首先需要了解一下訊號傳輸衰減的原因及解決方法，以便了解訊號品質與 Preset 之間的關係。
訊號傳輸衰減原因與解決方法
高速串列傳輸訊號受限於傳輸通道的頻寬而導致衰減，下圖一為訊號經過傳輸通道前、後的衰減結果。訊號在經過線纜後因為介質的低通性、非理想性、集膚效應、阻抗不連續等效應，造成訊號衰減、反射等問題。且隨著高、低頻訊號衰減比例差異過大，讓一位元訊號長度不等於理想的 1UI（Unit Interval 單位週期），使前後的訊號位元成為當前訊號的雜訊，進而導致了符碼間干 ISI 效應（inter-symbol interference），訊號在接收端，無法正確判讀 0 或 1。
圖 1： 訊號 ISI 效應示意圖（匡選的信號，臨近判定邏輯一與零的門檻，易導致判讀錯誤）
在高頻傳輸中，為了克服通道衰減，讓訊號正確傳送到接收端，一般採用訊號等化器解決訊號衰減的問題。在 USB4 規範裡在傳輸端及接收端運用等化器（圖二），分別是發送端的 FFE（Feed Forward Equalizer)，接收端 CTLE（Continues Time Linear Equalizer）、及 DFE（Decision Feedback Equalizer）。
圖 2：高頻訊號傳遞處理架構圖
在傳輸端 FFE 將訊號作預加強（Pre-shoot）、預衰減（De-emphasis），當通道衰減過大，FFE 的等化效果不足以補償通道產生的衰減時，還需接收端 CTLE 和 DFE 等化器還原訊號。兩端的等化器目的皆是均衡高低頻訊號在傳輸過程中的損耗，有利於接收正確訊號。與此同時也可以得到最佳的眼圖。
USB4 與 TBT4 如何挑選最優化的 Preset 來進行 Transmitter 測試？
USB4 的傳輸速率每個通道達到 20Gbps，如圖三所示，訊號在 Tx 端（TP1）通過 PCB 到 USB Type-C 連接器，藉由 Tx Preset 適當的補償，在 TP2 所量到的 DDJ（Data Dependent Jitter）將相對應的減小。USB4 認證測試中的 Tx Preset Cal，測試 Preset 0 ～ Preset 15，共 16 組 Presets 的 DDJ，需選出最小 DDJ 的 Preset。USB4 訊號所支援的速度 10Gbps 及 20Gbps，及通道 Lane 0、Lane 1 需分別進行 Tx Preset Cal。
圖 3：測試點定義
下表是待測物 16 組 Preset 的 DDJ 在 TP2 測試的結果，挑選其中最佳的 Preset 1 和最差的 Preset 9 比較其眼圖（表三），若選錯 Preset 會使得 ISI 效應無法得到適當補償（如 Preset 9，De-emphasis -8.0 dB，低頻預衰減 8dB，過補償，導致低頻訊號觸碰到中心 eye mask），眼圖過小且分岔，訊號 DDJ 的值超過 SPEC 規範，導致測試結果 FAIL。
表 2：16 組 presets DDJ 在 TP2 測試結果 （USB4 Spec: DDJ≦210 mUI）
表 3：USB4 Tx Preset Cal, Preset-1 與 Presdet-9 測試結果比較
選定最佳的 Preset 後，將此 Preset 設定為 TP2 及 TP3 的開機預設值*（如圖四）並以此組預設值進行所有 USB4 Tx 相關測試。
註*：Tx 訊號品質測試 TP2 與 TP3 皆是以同一組 preset 做測試，只是在做 Tx TP3 遠端測試時，需另外嵌入 2 米 (供 USB4 Gen2) 及 0.8 米 (供 USB4 Gen3) S 參數進行量測。
圖 4：TP2 與 TP3 設定同一組 Preset 值
總結
在 Thunderbolt 4 及 USB4 高頻測試中，因為高頻訊號在經過通道後大幅衰減，須藉由 Tx FFE 等化器讓高、低頻成分訊號得到不同程度的預補償、預衰減，解決部分通道導致訊號衰減的問題。Tx Preset Cal 設定開機時最佳預設訊號，讓您的 Thunderbolt 4/USB4 產品可以在最佳訊號狀態進入連結溝通，且順利通過測試。
GRL 為 USB-IF 及 Intel 官方授權的 Thunderbolt 4 及 USB4 認證實驗室，隨著 Intel 與 USB-IF 極力合作開發的最新應用 Thunderbolt 4 / USB4 問世，GRL 技術團隊與時俱進的鑽研新技術且協助各界廠商取得認證。
參考文獻
- Universal Serial Bus 4 (USB4) Specification, Version 1.0, August 2019
- Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.0, August 2019
- Universal Serial Bus 4 (USB Type-C) Router Assembly Electrical Compliance Test Specification, Version 0.96, Jan 20, 2020
- USB Type-C Thunderbolt Alternate Mode Electrical Host\Device Compliance Test Specification
Revision 1.5 Version 0.9 - Intel Thunderbolt™ Tech Brief
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作者
GRL 台灣技術工程師 趙婉伶 Linda Zhao
國立東華大學。在 GRL 擔任 Thunderbolt Electrical、Functional 測試工程師，同時擅長 USB 3.2，USB 2.0 認證測試，協助客戶取得認證。
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 2020/07/09 AN-200701-TW
