USB4 Active Cable规格与Linear Re-Driver Cable认证细节

USB4 Active Cable 最新重点规范

USB速度从最一开始USB 1.1最快的12M，到USB 2.0的480M，再到USB 3.2时期的单lane 10G，一直到最近USB4的单lane 20G。随着传输速度不断上升，Passive Cable长度也从USB 1.1/ 2.0的最长5m，到USB 3.2 Gen2 Type-C的最长1m，再到USB4 Gen3 Type-C的0.8m（协会建议）。不过，随着各家厂商Cable产品长度不同，USB协会也欢迎厂商突破建议长度。举例来说，百佳泰曾协助厂商2.1m（目前全球最长）的Full-Featured USB-C to C Cable (USB4 Gen2) C-C Passive Cable成功取证，另有厂商在百佳泰取得Full-Featured USB-C to C Cable (USB4 Gen3) C-C Passive Cable 1m认证。

USB-IF注意到了Cable长度的问题，便开始着手于Active Cable规范的定义以及认证测试的制定。Active Cable除可以补偿因传输速度愈来愈高所带来的Channel Loss，也可以增进整个Ecosystem的Data Signal Integrity。

在2021年2月中旬USB-IF发布的USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0中，有三个Engineering Change Notice (ECN)跟USB4 Active Cable有关，分别为：

• USB Type-C ECR USB4 Active Cable Requirements
• Section 6.6.5 USB Active Cable Electrical Requirements for LRD-based Cables
• Requirements for USB4™ Re-timer based Active Cables

第一个ECN「USB Type-C ECR USB4 Active Cable Requirements」主要是增加USB4 Short Active Cable的要求，分别针对Table 6-1与Table 6-2修改如下红字：

Active Cable规格重点节录

• Active Cable的种类主要以传输介质来分类，一种是以光来传递数据的方式，称为Active Optical Cable（AOC），目前只定义到USB 3.2传输速度。
• 另一种则是以铜加上Re-driver/ Re-timer来传递数据的方式，称为Active Copper Cable（ACC），该Cable长度限制在5m以内。
• 以USB 3.2 ACC以及USB4 ACC来做比对，相异之处在于USB4 ACC多了USB4速度的支持，在Alt mode的支持方面则将Thunderbolt列为必支持。
• 在SBU支持的方面，两种类ACC Cable在Alt mode下的支持均为非必要，而USB4 ACC在SBU的传输可以是Passive，也可以是Active。
• USB 3.2 AOC的长度端赖于是否符合USB 3.2规范的Latency，因为线长过长所以不需要供Vbus，Vconn则规定跟Cable接续的两个USB devices都需要提供电力给Cable两端的E-Marker芯片，使PD E-Marker能正常沟通。
• USB 3.2 AOC在CC的PD沟通也规定要使用光来传输。
• USB 2.0传输在USB 3.2 AOC则不被允许，当侦测到运行速度降到USB 2.0并reset 3次后，需要枚举USB billboard并跳出警示讯息来警告用户。

USB4 Linear Re-Driver Cable电气测试与认证细节

上文谈到Type-C Passive Cable发布2个Engineering Change Notice (ECN)，其中一项新增有关USB4 Active Cable的规范。现在来介绍第二个ECN「USB Active Cable Electrical Requirements for LRD-based Cables」，也就是USB Type-C Linear Re-Driver (LRD) Cable的电气要求。

USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0的第6章，过去只有USB Type-C Re-Timer Cable相关规范。2019年时，Intel本以Re-Timer做为开发重心，但因单价较Re-Driver为高，做成Active Cable之后的单价尤为可观，故之后均以Re-Driver为重点，USB-IF也藉此ECN补完USB Type-C LRD Cable的Electrical Requirement。

下面节录Table 1-1与Table 1-2关于LRD Cable的Electrical Requirement：

LDR Cable Compliance与测项进度

根据USB-IF Annual Meeting得到的消息，LRD Cable Compliance包含以下测项，各测项相关进度亦简述如下：

• USB Type-C Functional: 会利用两台LeCroy M310P，一台模拟为DFP/ SRC，另一台则模拟为UFP/ SNK来执行相对应速度USB数据传输的测试。
• USB PD: 也就是PD E-Marker 测试，USB-IF规划初期Compliance可能不会执行，某些测试则会用USB Type-C Functional来涵盖。
• USB Cable and Connector: 参考Passive Cable的标准来执行测试。
• USB Type-C Thermal: Fixture & Chamber Box尚在规划故没有进展。
• LRD Electrical: 目前USB 3.2还在每周Working Group的Meeting讨论改进。USB4目前最新版是8，稍后会做介绍。
• USB LRD interoperability: 疫情关系造成USB-IF活动全面停办，相关活动也随之无法举办，端看2021年8月在美国的USB Compliance Workshop是否举办来决定。

三大USB4 LRD Cable Electrical Test

• Frequency Domain Test: 确保LRD Cable加了Re-driver的每条lane，其高频特性能尽量符合Passive Cable。
• Time Domain Cable Stand-Alone Test: 验证高速讯号运行在LRD Cable上，其讯号质量能优于Passive Cable。
• Time Domain Cable Output Eye Test: LRD Cable讯号透过Receiver Long Channel所得到的分数能优于Passive Cable。

USB Frequency Domain Test测试重点

Frequency Domain Test目前使用的设备为Keysight E5071C，相信大家应该都不陌生，测试重点请参考如下：

• 需要得到LRD Cable每条lane正向反向的S参数，接着再利用S参数带入91a来取得测项的运算结果
• 取得S参数时跟Passive Cable一样，需要De-embedded 治具带来的影响，取得LRD cable only的S参数。
• 除了取得LRD cable各lane共8个方向的S参数之外，也需要额外取得USB4 Gen3/ Gen2以及USB 3.2 Gen2这些Passive Cable各一lane的S参数，为后续Time Domain Cable Stand-Alone Test做准备。

USB4 Linear Re-Driver Cable Time Domain 测试关键

Time Domain的相关测试项目，大致上包含2大部分：Time Domain Cable Stand-Alone Test以及Output Eye Test。

Time Domain Cable Stand-Alone Test

Time Domain Cable Stand-Alone Test使用的设备为Keysight 33GHz Scope与Keysight M8020 with M8062A模块。测试主要是取得LRD Cable Output端各lane trace加上LRD芯片的Noise，以及在USB4与USB 3.2速度下的反应。测试时需要针对LRD Cable的各lane正反向传输分别取得下面四个Pattern的波形，再用Get_iPar_v0.91a来判断：

• 400mV-pk PRBS15的Differential Mode Waveform
• 400mV-pk PRBS15的Common Mode Waveform
• 650mV-pk PRBS15的Differential Mode Waveform
• 150mV-pk SQ512的Differential Mode Waveform

Time Domain Test与Frequency Domain Test相同点之一，需在USB4 Gen3/ Gen2以及USB 3.2 Gen 2这3条Passive Cable各lane取得上述4个波形，搭配Frequency Domain Test所取得的S参数来做运算。

LRD Cable则需要分别在USB4 Gen3/ Gen2以及USB 3.2 Gen 2这3个速度，再加上正反向传输以及全部4个lane取得这4个波形，搭配Frequency Domain Test所取得的S参数来做运算。

Time Domain Cable Output Eye Test

Time Domain Cable Output Eye Test是USB4 LRD Electrical里最花时间的测试。用到的测试设备除了前面Time Domain Cable Stand-Alone Test的Keysight 33GHz scope与Keysight BERT之外，还需要Receiver Long Channel的Fixture Kits。

测试前需要执行USB4 Gen3/ Gen2与USB 3.2 Gen2在Receiver Long Channel的校正。该测试主要是用Receiver Long Channel测试环境，看BERT打出特定amplitude以及jitter量的讯号，经过待测LRD Cable进入scope，在scope经过CTLE与DFE之后眼高与眼宽的乘积（后称Eye Area Score）是否比Passive Cable所得到的Eye Area Score相同或更好。

USB4因为16组Presets，搭配10组CTLE加DFE，总共需取得160个Eye Area Score。再从中取得个最大的Eye Area Score，做为LRD Cable待测lane的分数。该Eye Area Score并没有标准，单纯代表该lane的分数。因为要执行160次再来比大小，所以一个lane需要5至6小时来完成。

验证USB 3.2时则需要对SigTest做一些修改，将7组CTLE放入SigTest。和USB4相比，USB 3.2测试不那么复杂，但也会将待测lane在scope撷取的波形存下来，带入SigTest套用7组CTLE取得7个Eye Area Score来比大小，最后取得分数最高的Eye Area Score。

测试时一样要先取得USB4 Gen 3/Gen 2与USB 3.2 Gen 2 Passive Cable其中一lane的最大Eye Area Score，接着改用LRD Cable验证各lane在各USB速度、正反向传输，搭配Presets与CTLE加上DFE所得到最大的Eye Area Score。

百佳泰执行USB4 LRD Cable Electrical Testing相关设备已经准备完毕，日前已协助多家USB-IF Cable Assembly 厂商完成测试。各位厂商如果有相关测试需求或对测试内容有疑问，欢迎洽询百佳泰以取得更多信息。