USB Type-C連接器沒有方向性，易于使用，并且可以通過 USB PD(Power Delivery)協議提供高達 240W 的動態功率。它向后兼容 USB2.0、USB3.2、USB3.1 和USB4，交替(ALT)模式支持許多新設備和未來設備的 DisplayPort、PCIe等協議。2021年底，歐洲議會以壓倒性優勢通過了一項法案：自2024年底開始，所有便攜智能設備都必須使用USB Type-C接口；2026年起，筆記本電腦的標準接口也將成為USB Type-C。也就是說，USB Type-C接口將基本統一所有消費電子設備接口。

USB 標準由 USB-IF (USB Implementers Forum) 組織指定和維護，并被最新的電子設備廣泛采用。為了證明符合標準，用戶需要按照一致性測試規范 (CTS: Compliance Test Specification) 執行全面的發射器、接收器、中繼器和電纜測試。而設計和測試工程師在將USB Type-C 集成到他們的產品中同時確保互操作性和測試合規一致性時面臨多項挑戰。由于更高的數據傳輸速度、更大的功率和更多的功能，USB Type-C 一致性測試標準變得更加復雜，因此成功的測試需要高度準確且符合標準的測試儀器、軟件和夾具。

上圖為USB3.x和USB4標準的演進。在本文檔中，引用了各代 USB4， USB4 Gen 2 和 Gen 3 是指傳統的USB4標準(每通道分別為 10 Gb/s 和 20 Gb/s, USB4=USB4V1)，而 USB4 Gen 4 特指的是最新的USB4 V2.0標準(每通道 40 Gb/s)。

篇幅所限，本文主要涵蓋最新的USB4 V2.0發射端、接收端和互連/電纜測試的各種關鍵挑戰和解決方案，包括支持更高數據傳輸和附加功能的新合規性測試要求。

感興趣的同學可以擴展參考2021年的“USB4測試白皮書”和2022年的“USB Type-C 互連一致性測試方案介紹白皮書”。

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什么是USB4 Version 2.0？

USB-IF于 2022年10月發布了USB4 2.0版規范。根據這一最新規范，每個鏈路都有四個以 25.6 GBaud PAM3(Pluse Amplitude Modulation 3-level)或40 Gb/s 速度運行的雙向差分通道。在對稱模式下，每個鏈路都有兩個以 40 Gb/s 速度運行的通道，每個方向上的聚合速度為 80 Gb/s。通過一種新的非對稱模式，鏈路可以在一個方向上傳輸三個通道，最終結果是一個方向為 120 Gb/s，另一方向為 40 Gb/s。

USB4 Gen4每通道以25.6 GBaud進行傳輸，發送端將二進制 bit信號，透過11-bits to 7-trits (三進制) 的映射配置進行編碼，以 PAM3 信號傳輸，達到雙通道80 Gbps傳輸速度，基頻從 10 GHz 略微增加到 12.8 GHz，使用現有的 USB4 和 Thunderbolt 4 電纜和連接器；在接收端部分，Gen4要求在沒有FEC（Forward Error Correction向前糾錯）的條件下，誤碼率 TER (Trit Error Ratio) 須以 1E-8 或更低的誤碼率進行接收。下表顯示了 USB4 V2.0(Gen4)和 USB4(Gen2和Gen3)之間的主要差異。

為什么USB4 Gen4采用PAM3？

USB4 Gen4 想要達到 80 Gbps 且沿用與 Gen3 相同的 PCB 線纜，必須采用新的編碼方式如 PAM3 或 PAM4，并且從下列兩大方向考量：

1.總損耗考量

信號從 Host的TX 端經由連接器、線纜，再到Device的RX端，以 Gen3 相同線纜及PCB 最大允許損耗下，若采用 NRZ 以 40 Gbps 傳輸，其傳輸損耗在 Nyquist頻率(20GHz) 將會超過 40dB，IC無法補償此過高損耗，導致信號無法正確接收，NRZ無法符合 Gen4 要求。而 PAM4 與 PAM3 在 Gen4 Nyquist 頻率為 10GHz 與 12.8GHz，其總傳輸損耗分別約為 23dB 與 28dB，IC可以補償此損耗，納入分析考量。

2. 誤碼率考量

PAM3 傳送眼高為 NRZ 的一半，PAM4 傳送眼高為 NRZ 的 1/3，增加接收端還原信號困難度，而PAM3 在信號噪聲失真比 (SNDR) 優于PAM4，經由模擬以及實際線路的實驗結果，原始BER分別為 10E-8 與 10E-6，因而選擇采用更適合的 PAM3。

USB4 Gen4規格的“帶寬”優化

USB4 Gen4 支援「非對稱傳輸」，速度可提升至 120 Gbps。為了維持高影像解析傳輸，在高數據傳輸情況下，不降低顯示品質，Gen4 新增非對稱傳輸 (Asymmetric Link)。只有 Gen4 可以支援非對稱傳輸，Gen2 與 Gen3 僅支援對稱傳輸。

對稱傳輸指的是 TX 通道數 (Lane) 與 RX 通道數一致。USB4 Gen4 必須為雙通道傳輸，只有 Gen2 與 Gen3 可以是單通道傳輸 (1*TX/1*RX)，也就是在 Lane 0 傳輸、Lane 1 停用的狀態下傳輸；而雙通道對稱傳輸 (2*TX/2*RX) 可以在 Gen2、Gen3、Gen4 任何速度運行。Gen4 除了支持對稱雙通道傳輸外，為了可以支持高解析度影像DP 2.1 傳輸，且同時高速傳輸數據，Gen4 新增非對稱傳輸，也就是將其中的一對TX/RX 通道，作為影像傳輸通道，以 TX/TX 或 RX/RX 傳送，如下圖所示。也就是一邊傳輸“3*TX/1*RX”，而另一邊為“1*TX/3*RX”。使得其在一個方向提供高達120Gbps (40Gbps x3)，同時在另一個方向保持 40Gbps的速率。對稱傳輸轉換到非對稱傳輸，是由連接管理 (Connection Manager) 負責控制。

USB 標準的這些綜合變化創造了額外具有挑戰性的 USB 發送端、接收端和互連一致性測試要求。需要指出的是：USB4 Gen4 CTS規范仍在指定中，尚未正式發布。初步草案版本表明，該測試方法將利用成熟的USB4 Gen2/3 CTS 的許多內容和測試方法，包括Gen4 控制器、Gen4 電氣測試工具 (ETT) 和 Gen4 SigTest等。

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USB4 V2.0 仿真

為了實現早期設計階段仿真和廣泛的系統級布局后分析，從而降低芯片的制造成本。USB4 V2.0仿真解決方案結合了IBIS-AMI(Input/output Buffer Information Specification-Algorithmic Modeling Interface) 模型制作器，以促進 USB 設備模型的開發。設計人員可以在通道仿真中使用 IBIS-AMI 模型來預測和仿真 BER/TER、眼圖指標和其他設計參數。

隨著 USB4 V2.0標準的推出，印刷電路板 (PCB) 的信號頻率和速度不斷提高，因此信號和電源完整性是任何設計的關鍵考慮因素。與傳輸線效應相關的損耗會導致 USB4 Gen4 設備出現故障，對走線、過孔和互連進行建模以準確模擬電路板也至關重要。該流程通過為電源和信號完整性分析定制的集成電路設計和電磁模擬器，提高了 PCB 設計中的高速鏈路性能。

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USB4 V2.0發送端測試挑戰

驗證 USB4產品要比 USB 3.2 復雜得多。USB4 V2.0 將復雜性提升到了一個更高的水平，增加了額外的測試要求和與更快的多級電平信號(PAM3)相關的信號完整性挑戰，從而增加了產品驗證時間。發送端一致性測試對 USB4 V2.0或 USB4 Gen4 PHY 設計提出了新的挑戰。USB4 Gen 4 PHY 測試規范的更改包括以下內容：

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不同的測試點定義

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PAM3 信號的新垂直裕量測量及表征

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更多的均衡預設(Equalization Presets)

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新的重定時器(Retimer)測量

測試點

為了確保精確地表征發射機特性，開發人員需要了解關鍵的測試點 (TPs: Test Points)。USB4 V2.0標準定義了 TP2 一致性測試夾具的輸出。下圖說明了所有發射機測量發生的位置。與 USB4 Gen 2 和 USB4 Gen 3 相比，USB4 Gen 4 不再需要在 TP3 處進行測量。但是，開發人員需要在 TP3 處執行固定/被束縛電纜設備(Captive/Tethered cable device)測量，因為唯一可訪問的測量點位于 TP3 處。

垂直噪聲裕量

新標準繼承了 USB4 Gen 2 和 USB4 Gen 3 對 PAM3 信號執行的傳統抖動和時序測量。下圖說明了對Gen 4最重大的挑戰是如何測量垂直信號裕量。

Gen 4引入了多種新的垂直測量方法和測試項目，確保可接受的誤碼率 (BER) 性能：

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電平失配(levelmismatch) 比較頂部和底部 PAM3 眼圖之間的眼圖張開度差異

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信號和噪聲失真比 (SNDR: Signal and Noise Distortion Ratio) 是另一個關鍵的垂直裕量參數，需要使用線性擬合脈沖響應 (LFPR: Linear Fit Pulse Response ) sigma n 和 sigma e。

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新的集成回波損耗 (IRL: Integrated Return Loss)測試，作為另一個重要的垂直裕量參數，要求同時考慮發射機處的信號質量和通道的插入損耗 (IL)。

均衡預設(Equalization Presets)

USB4 Gen2 和 USB4 Gen3 有 16 個發射器均衡預設。為了適應增加的損失，Gen4 有 42 個預設。與前幾代一樣，所有 42 個預設都需要單獨掃描以確定最小數據相關抖動 (DDJ) 的最佳預設。

重定時器(Retimer)測量

為了保證80Gb/s USB4 Gen4信號長距離的可靠傳輸，重定時器(Retimer)會被廣泛采用，這就要求增加像頻率變化訓練測量那樣的時鐘切換測量。隨著 USB-IF更新標準，您可以期待更多有關重定時器測量的信息。

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USB4 V2.0接收端測試挑戰

因為需要對多個信號損傷進行微調，接收端壓力信號校準一直是比較繁瑣的。和USB4 Gen2 和 USB4 Gen3類似，Gen4 要求注入類似的壓力組件，例如啟動電壓、交流共模 (ACCM)、周期性抖動 (PJ)、隨機抖動 (RJ) 和損耗通道。同時，Gen4接收機測試引入了新的垂直壓力分量，例如 SNDR、電平失配、差模正弦干擾 (DMSI) 和共模正弦干擾 (CMSI)。開發人員需要調整損傷信號以及差模干擾和近端串擾，以獲得根據 SNDR 和抖動定義的正確壓力水平。

帶有 USB-IF SigTest 分析軟件的高帶寬示波器可校準來自碼型發生器的加壓信號。USB-IF SigTest 是一款命令行工具，它將示波器捕獲的波形文件和大量配置參數作為輸入來執行時鐘恢復和均衡（如果適用），并返回噪聲、抖動和上述其他測量結果。

校準壓力眼圖后，接收機就可以進行測試了。接收端測試過程包括兩個階段：鏈路訓練和錯誤計數。在鏈路訓練階段，被測設備 (DUT) 向碼型發生器請求各種均衡設置，同時DUT調整其接收端均衡以提高接收信號的質量。

在錯誤計數階段，接收機內部錯誤計數器執行誤碼率 (BER: Bit Error Rate) 測試（在 Gen 2 和 Gen 3 的情況下），在 Gen 4 的情況下執行 三進制誤碼率 (TER: Trit Error Rate) 測試。USB4 邊帶通道通過 USB-IF 的 USB4 電氣測試工具 (ETT: Electrical Test Tool) 和 USB4 微控制器與 DUT 進行通信，讀取誤碼測試結果。

與Gen 2和Gen 3一樣，Gen4有兩個主要測試用例：

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用于低損耗產品或通過有源電纜連接的短通道

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用于通過無源電纜連接鏈路伙伴的長通道

Gen 4為連接到線性轉接驅動器 (LRD: Liner Redriver) 電纜的產品添加了第三個測試用例。與Gen 4發射端測試一樣，還有一個針對固定/被束縛電纜設備(Captive/Tethered cable device)設備的特殊測試用例。合規性測試規范 (CTS) 草案版本要求添加串擾源以進行接收端測試。

與Gen 2和Gen 3一樣，需要進行邊帶(Sideband)測試以確保正確的鏈路協商。USB-IF 計劃在Gen 4中引入新的發射端和接收端低頻周期信號 (LFPS) 測試要求。同時，針對非對稱操作模式，Gen 4增加了專門的測試。

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USB4 V2.0發射端和接收端回波損耗

回波損耗（反射功率與入射功率之比）是傳輸阻抗匹配的直接衡量標準。滿足測試限制要求對于合規性認證并確保產品性能和互操作性至關重要。USB4 Gen2和Gen3為發射端和接收端測試引入了新的差模和共模回波損耗要求，這一要求延續到了Gen 4。

在 USB4 V2.0中，為了支持將比特率提高到 80 Gb/s而帶來了額外的信號完整性挑戰，USB-IF 引入了全新的、更為嚴格的IRL(Integrated Return Loss)測量，相對于基線波特率頻率范圍上的入射/反射行為集成功率譜密度的積分（求和）回波損耗測試。

您可以按如下方式計算發送端 IRL：

其中：

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Sdd22(f) 是 TP2 處發射端的回波損耗，以 42.5 Ω 的單端負載阻抗為參考。

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Vin(f) 是斜率為20% 的理想PAM 信號的頻譜，定義為

其中 Tb = 39.0625 ps，Tr = 0.2?Tb。

下圖顯示了發送端和接收端差分回波損耗 (Sdd22) 和 IRL 設置。矢量網絡分析儀 (VNA) 測量 S 參數文件 (S2P)，同時發射端/接收端 DUT 處于活動模式，并由 USB4 測試微控制器和 ETT 工具驅動產生PRBS7 碼型。SigTest 工具分析測量的 S 參數以提供測試結果。

發射端 IRL 最大限制是測得的發射機碼間干擾 (ISI)裕量(transmitter_ISI_margin) 的函數，該裕量對應于發射機信號與殘余 ISI 的比率。USB SigTest 工具必須編譯用于發送端的時序和電壓測量測試ui_jitter_vertical 的波形文件 (.bin)，以驗證發送端 IRL的結果是否滿足規范要求，如下圖所示：

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USB4 Gen 3 和 Gen 4 電纜的新測試要求

與之前的USB 3.2 Type-C CTS相比，USB4的Type-C電纜CTS要復雜得多。將比特率提高到 40Gbps/80Gbps 以支持 USB4 和 USB4 V2協議，這帶來了額外的信號完整性挑戰，并且需要與頻率范圍內的入射/反射行為相對應的更嚴格的集成測試參數。

針對USB4 Type-C連接器和電纜，在CTS中，新的測試組 B-8 和測試組 A-8 要求集成 S 參數計算（插入損耗和差模到共模轉換除外），以避免功能正常但可能在某些頻率下不符合傳統的 S 參數規格的電纜組件被誤判不合格。在積分回波損耗 (IRL) 的情況下，它現在可以控制電纜組件與系統其余部分（主機和設備）之間的反射，如果電纜損耗較小，則允許更多 IRL。

除了一系列積分 S 參數之外，還首次引入了一項名為信道操作裕量 (COM: Channel Operation Margin) 的新測試來鑒定 USB4 Gen3 和 USB4 Gen4 電纜。COM 是衡量通道電氣質量的品質因數，它本質上是信道信噪比。如下式所示，其中 A 是信號幅度，N 是 BER（誤碼率）下的組合噪聲，其中包括來自 ISI（符號間干擾）的噪聲源、串擾、發送端抖動、接收器端均衡等。所有 TX 抖動和均衡設置均來自USB4規范中該工具的 COM 配置文件。

計算 COM 所需的內容如下：

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測量的電纜 S 參數

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參考主機/設備

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參考 Tx/Rx 端接

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COM配置文件

COM 的技術細節基于 IEEE Std 802.3bj-2014 Clause 93a，廣泛應用于高速千兆位以太網收發器和互連。

為了編譯 COM 和集成 S 參數結果，引入了一種新的基于 Matlab 的一致性測試工具，稱為 Get_iPar.exe。相同的合規工具將適用于USB4 Gen3和USB4 Gen4有源線性轉接驅動器(LRD)電纜和LRD組件測試。

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鏈路啟動

建立和優化USB4 Gen3 20Gbps NRZ 鏈路極其復雜，使用Gen4 25.6Gbaud PAM3 鏈路執行此操作會更加復雜。為此，必須使用多種工具來連接、調試、解碼低速邊帶和高速通道。

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是德科技發送端測試解決方案

為 USB 一致性測試選擇正確的測量解決方案對于確保其滿足 USB-IF 一致性測試規范和最高的互操作性性能至關重要。下圖顯示了用于 USB4 V2.0發送端一致性測試、滿足USB4 V2.0規范要求的Keysight D9050USBC 發送端測試應用軟件。該解決方案提供了一種快速、簡單的方法來測試、調試和表征您的 USB 80 Gbps 產品。

D9050USBC 軟件執行的測試使用 USB-IF 要求的USB4 V2.0 CTS 和 SigTest。該測試應用程序提供用戶友好的設置向導和綜合報告。除了一致性測試軟件之外，測量還需要 Keysight D9020ASIA 高級信號完整性分析軟件來解嵌 PAM3 通道。

自動化測試軟件在 Keysight Infiniium UXR 系列示波器上運行，支持發射端測試和接收端壓力信號校準。USB4 V2.0一致性測試需要至少具有 25 GHz 帶寬和至少兩個通道的示波器。芯片開發人員則需要支持 50 GHz 帶寬的示波器來進行精準表征和測試。

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是德科技全新UXR B Model示波器

如前文所述，采用PAM3信號的USB4 V2.0測試，將引入很多全新的測試項目，比如SNDR(信號失真比)、LFPR(線性擬合脈沖響應)、42個發送端均衡預設等；并且USB-IF的SigTest軟件對PC性能有了更高的要求(SigTest V0.86要求48GB或者更高的內存)。考慮到PCIEG6和USB4 V2.0等全新的應用，是德科技對UXR示波器硬件進行了全新的升級，在今年7月份推出了全新的UXR-B系列旗艦級示波器，UXR-B示波器上PC擴展至64GB及以上，可以直接運行USB-IF SigTest軟件，給出USB4 V2.0信號分析結果。

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是德科技接收端測試解決方案

Keysight N5991U42A 接收端一致性測試自動化軟件可簡化 USB 設備的校準和接收端測試。該軟件引導開發人員完成接收器測試設置，并自動測試整個 USB4 V2.0 一致性測試規范。下圖顯示了 N5991U42A 直接與 DUT 通信以實現全自動校準和測試。該軟件還支持合規性測試套件之外的其他測試，包括抖動容限表征和靈敏度測試。該解決方案可確保 USB 設備與市場上的任何其他產品互操作。與手動測試相比，一體化解決方案提高了測試速度，降低了測試成本，并確保了更高的準確性和可重復性。

該一致性測試軟件與 Keysight M8040A 高性能64 Gbaud BERT 一起運行，該設備內置了您所需的一切功能(去加重、碼型功能、連續時間線性均衡 (CTLE)、決策反饋均衡 (DFE)、創建各種碼型結構和序列)。接收端壓力信號校準需要配備 D9020ASIA 高級信號完整性軟件的 25 GHz 帶寬 UXR 系列示波器。

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是德科技Type-C互連一致性測試解決方案

Keysight S94USBCB USB Type-C 互連一致性測試軟件提供了一種快速、自動化的方法來測試、表征和調試 USB Type-C 設計以滿足一致性要求。合規性測試軟件取代了遵循測試 MOI 的傳統手動測試流程。當與 L8990M 開關矩陣系統連接時，它可以實現4至20個端口的切換，無需手動端口重新連接，從而實現完全自動化的一致性測試。只需幾個簡單的步驟即可在幾分鐘內完成測量，并將測試效率提高高達90%。

S94USBCB 一致性測試軟件執行的測試計劃基于USB-IF發布的最新 USB Type-C 電纜和連接器一致性測試規范 (CTS) 和線性轉接驅動器 (LRD) 有源電纜 CTS 。

S94USBCB 互連一致性測試軟件涵蓋最新 USB4 V2、USB4、USB 3.2、USB 3.1 和 USB 2.0 技術的 USB Type-C 電纜組件、連接器和原始電纜測試參數。它還兼容 Thunderbolt，可測試 TBT 3 和 TBT 4 協議。

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小結

本文介紹的仿真解決方案以及發送端、接收端和互連一致性測試和測量解決方案是芯片和系統集成商設計滿足龐大的USB Type-C生態系統嚴格互操作要求的 USB4 V2.0產品所必需的基礎模塊。

USB4 V2.0規范引入了許多新的 USB 發送端和接收端測試挑戰。USB4 Gen 2 10Gbps/ Gen 3 20Gbps NRZ信號的實施仍然具有挑戰性，再此基礎上，更復雜的是 USB4 Gen 4，25.6 GBaud PAM3、40 Gb/s 11-bits to 7-trits 編碼，加上非對稱模式、串擾和相同的損耗通道。

較小的垂直噪聲裕量及其相關測量、均衡預設的增加以及重定時器測量是發射機測試的關鍵方面。由于新的差模干擾、校準過程中的近端串擾調整以及錯誤計數階段的三進制誤碼率 (TER)測量，接收器測試比 USB4 Gen 2 和 USB4 Gen 3 更加復雜。

是德科技 USB 測試解決方案（軟件、儀器和夾具）已準備好對這一通用接口進行全面測試。無論您專注于設計還是驗證，我們的解決方案都可以加速調試過程，幫助您進行表征和測試USB4 V2.0產品的合規性。

參考文獻：

1.Universal Serial Bus 4 (USB4) Specification Version2.0 Oct. 2022

2.Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification Release2.1

3.Universal Serial Bus Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document Revision 2.1b

4.3123-1382EN-How to Address USB4 Version 2.0 Transmitter and Receiver Test Challenges App. Note

5.3122-2000EN-D9050USBC USB80Gbps TX Test Application Software Datasheet

6.3120-1342EN-N5991U42A USB4 Rx Compliance Test Automation Software Datasheet

7.3122-1253EN-S94USBCB USB Type-C Interconnects Compliance Test Software Datasheet

8.USB4測試白皮書

9.USBType-C互連一致性測試方案介紹白皮書

10. AMI Modeling And Simulation ForPAM3 Signaling In USB4V2 Systems

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