By GRL team on Sep 28, 2021

USB4 LRD Active Cable主动线缆测试与认证

   

Granite River Labs, GRL
Sandy Chang 张静宜

 

目前支持USB4速度40G (20Gx2) 的被动线缆长度长约为1公尺,对于外接至大尺寸屏幕或VR应用等需要高速且更长线缆的应用,就需要用到主动线缆。

USB4 Active Cable规格依循USB Type-C Connector and Cable Spec, 目前新版本为Rev.2.1,新增EPR(Extended Power Range) Cable定义,并将过往Active Cable的ECN (Engineer Change Notice)整合到此版本。我们就来了解一下USB Type-C主动线缆。

本篇介绍USB4主动线缆,如需被动线缆介绍及测试请参考另一篇技术文章「USB4 被动线缆测试与认证(USB4 Passive Cable)

 

USB Type-C主动线缆,主要有3个类型

  1. USB 3.2 Short Active Cable
  2. USB4 Short Active Cable
  3. USB 3.2 Optically Isolated Active Cable (OIAC)

其中OIAC是长度达50公尺的光纤线缆,目前定义可支持USB 3.2 Gen2速度(但不支持USB 2.0与VBUS 供电),主要用于工业端、机器视觉、远程传感器、专业视频和医疗应用等。而USB4 Linear Optical Active Cable电气规格则尚未定义;接着来介绍Short Active Cable的部分。

表1

 

Short Active Cable主动线缆重点

  • 长度在5公尺以内
  • 需支援Full-Feature Type-C与USB PD 3.0 eMarker
  • 需支援双向及正反插
  • 依支持能力,可分为USB 3.2与USB4 主动线缆
    •   USB 3.2主动线缆:
      • 必须支持USB 3.2 Gen 2×2(10GHz双通道) * 不允许仅支持单通道(x1)的主动线缆
      • Alt-mode可选择性支持
    • USB4主动线缆:
      • 必须支持所有USB 3.2 与USB4速度(双信道)
      • 且必须支持TBT3 Alt-Mode
  • Vbus, Vconn, CC及USB 2.0的线材要求,与被动线缆要求一致
  • 主动线缆需由Vconn供电

Active Cable为含有Repeater组件,如re-timer 或re-driver,主要针对高速讯号 Tx1、Tx2、Rx1、Rx2。其中Re-timer开发较为复杂且价格昂贵。而以Re-driver为主的    Linear Re-Driver线缆(简称LRD),拥有低复杂性、低功耗、低成本的特性,虽然是后期才加入USB生态系统、纳入USB Type-C规格,LRD线缆却是率先推出于市面上,如支持40Gbps两公尺的Thunderbolt 4线缆即是支援USB4的LRD线缆。

 

Linear Re-Driver Cable架构

LRD cable主要组件包括 Rx Equalizer与Output Driver,分别负责补偿线缆Cable loss、调整DC Gain,以及调整输出Pre-emphasis与讯号的大小,如下图。

图1: Linear Re-Driver Cable 架构

 

LRD cable 设计考虑

LRD Cable因不具备CDR(Clock Data Recovery),线缆输入端接收到的Jitter以及Noise会转嫁到线缆的输出端;同时Rx EQ也有可能会将高频噪声放大;Paddle Card因加入主动组件,会有阻抗不连续的问题;以及较长的线缆,在生产过程中容易造成长度不匹配,P-N skew大,导致AC Common mode超过规范等,基于以上几点设计时须考虑以下:

  1. 线缆造成的高频噪声
  2. 线缆内部EQ是否适当的均衡,信号是否有不足或是过度均衡?
  3. 主动线缆内部额外的组件的阻抗匹配
  4. 线缆高速对的P-N skew
 

LRD Cable功能支持及eMarker的宣告

在USB Type-C Connector & Cable Rev 2.1规格Table 6-3载明(如表2),USB4被动线缆与USB4主动线缆 (OIAC除外),都必须支持USB4、USB3、USB2与TBT3。

其中比较特别的是USB4 LRD Cable为Active Cable,但eMarker在ID Header VDO设定上,B29…B27须宣告为Passive Cable (011b),并使用Passive Cable VDO进行宣告。因为LRD Cable是后期才纳入USB规格,主要为了兼容目前市面上TBT3的产品,须以Passive宣告,虽然Product Type宣告为Passive,在USB4 Discover沟通过程,也会接续进行TBT3 Discover_SVID (0x8087),进而判断是否为 “USB4 with TBT3 Gen3 Active Cable”。

表2: USB4线缆总览

 

USB-IF发布新的USB4 Logo与Icon

USB-IF上周在西雅图举办USB DevDays 2021研讨会,结合EPR(Extended Power Range)的规格发布新的USB Type-C Cable额定功率的Logo与Icon如下表,让用户可以快速辨别USB产品支持的速度及功率。原先支持100W(20V/5A)的Cable已不再使用;支持5A的Cable则必须支持EPR 240W(48V/5A)。

表3: New Certified USB Type-C Cable logo and Icon  (来源:USB DevDays 2021)

 

新USB4 Cable Logo范例如下图:

图2: USB Type-C EPR Cable logo and Icon  (来源:USB DevDays 2021)

 

LRD cable主动线缆增加了主动组件Re-driver,让线缆支持长度更长,在实际使用以及认证测试的概念是LRD cable应该与被动线缆性能一致,甚至更好。也就是说,在相同的测试环境设定下,LRD cable与被动线缆作比较,必须等于或优于被动线缆。

LRD认证测试项目包括:

  1. USB-C Functional 测试
  2. USB PD E-Marker 测试
  3. Active Cable Power:IR Drop 与功耗
  4. Thermal 过热保护
  5. LRD Electrical 电气特性测试
  6. LRD Cable 兼容性测试(仍在讨论中)

详细的LRD Cable Electrical测试如下:

  1. USB-C Functional测试

依据USB-C Function 测试规格,针对Cable测试如下:

  • 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
    • TD 4.14.5 Cable USB4 Test
 
  1. USB PD: E-Marker 测试

依据USB PD CTS,测试以下3大项目与Cable相关测试:

  • Common Procedures and Checks
  • Physical Layer Specific Tests
  • Protocol Specific Tests

LRD Cable 需支持TBT3,须确认在TBT3宣告以及SOP’回应是否正确

  • Cable SOP’ Discover Identity response
    • [ID Header VDO] B26 (model operation) set to 1b (alt mode)
    • [ID Header VDO] B29..27 (product type)set to 11b (passive cable)
    • [Cable VDO] B2..0 (USB highest speed) set to 010b (USB3.2/USB4 Gen2)
  • Cable SOP’ TBT Discover Mode VDO response
    • B20.19 (rounded/rounded & none) set to 01b (both)
    • B21 (Optical/none) set to 0 (none)
    • B22 (Re-timer/Re-driver) set to 0b (Re-driver)
    • B23 (Uni/Bi-directional) set to 1b (Uni)
    • B25 (Active/Passive) to 1b (Active)

 

  1. Active Cable Power Requirements 

3.1 VBUS和 Ground 线缆的IR Drop与被动线缆规格一样

  • VBUS IR Drop:≤500 mV
  • Ground IR Drop:≤250 mV

3.2主动线缆的供电主要是透过VCONN,消耗功率Max限制

  • VCONN 消耗功率Power ≤1.5W
 
  1. Thermal Test

基于安全考虑,主动线缆内部必须设置有温度感应。当主动线缆塑料外壳表面温度达到80˚C或金属表面温度达到55˚C,则必须停止USB 3.2/USB4数据传送。

另外,主动线缆插头的表面温度,外壳表面工作温度不得超过环境温度30˚C,或金属外壳表面温度15˚C。

而影响Active Cable塑料外壳表面温度(TS)主要有连接的Host与Device主板的工作温度(TMB)、cable内的主动组件、及当下的环境温度(TA)。在实际认证测试,主要分为两部分,表面温度(Surface Temperature,TS),以及过热保护(Thermal shutdown)。测试环境示意如下图:

图3: Thermal Shutdown过热保护测试连接示意图

 

4.1 Surface Temperature (Ts) 表面温度

如图3测试连接,在室温环境下,透过Thermal Test Fixture Heater board模拟Host/Device主板,让TMB升温到(TA+ 25˚C),然后接上Active Cable并进行Host到Device的全载设定(包括同时高速数据传送,以及PD 100W负载)。此时利用红外线摄像先找出cable plug温度Max区域(图4),将 “Thermal Couple” 贴片黏贴于此高温处进行温度测试(图5)。检测cable plug塑料外壳表面温度,测试结过判定: TS < TA +30˚C

图4: 红外线摄像找出Max Temperature区域/图5:“Thermal Couple”贴片黏贴到Max Temperature区域

 

4.2 Thermal Shutdown 过热保护

过热保护的测试环境同上,另外包覆加热贴片在cable plug塑料外壳上(图6),在室温环境下,开始对加热贴片进行加热,当温度到达 85˚C时,进行测试结过判定:Active Cable需停止USB 3.2/USB4数据传送。

图6: Flexible heater 加热贴片

Note: Active Cable Thermal 测试设备及相关配件,洽询 Od.Liao@luxshare-ict.com

 

5. Electrical Test 电气特性测试

LRD线缆,在USB 2.0, SBU,CC线缆配置仍采用被动线缆,测试方法及规格,与被动线缆相同。在高速讯号对Tx1/Rx1/Tx2/Rx2配置有Re-driver主动组件,测试规格依照LRD Active Cable CTS 0.8版,测试项目如下主要可分为下列三大项目:

  • Frequency Domain 频域测试
  • Time domain – Cable Stand-Alone线缆本身测试
  • Time domain – Cable Output Eye Test线缆输出端眼图测试

5.1 Frequency Domain频域测试

  • Integrated Return-Loss (IRL)
  • Integrated Multi-Reflection (IMR)
  • Channel Operation Margin (COM)

频域测试项目,测试方法与被动线缆相同,以向量网络分析仪VNA撷取S参数,高速差动对共8个S4P 档案(Tx1/Rx1/Tx2/Rx2,双向),并透过Get_iPar_v0p91a 软件进行分析。

图7: 向量网络分析仪VNA撷取S参数连接图

 

5.2 时域–线缆本体测试 (Cable Stand-alone Test)

  • Cable ILfit Mask(DC/f1/Nq/f2/f3/WB):插损
  • OUTPUT_NOISE(𝝈𝒏):输出噪声标准偏差(不包含非线性噪声)
  • SIGMA_E(𝝈𝒆):输出非线性噪声标准偏差
  • Cable CM_NOISE:AC共模

线缆本体测试(不含系统ISI及抖动),主要测试线缆本身插损,输出噪声,非线性噪声,及AC共模。测试连接如下图,讯号产生器在TP2输出 (如表4) Pattern、Swing、以及无Jitter、无SSC、无Tx EQ设定下,例如 “Pattern: PRBS15, Swing 800mV, SSC off, Jitter off, Preset 0”,先接上Worst-Case被动线缆进行测试,示波器撷取波形*.bin,接着换上LRD Cable测试,透过软件进行以下参数分析,然后比较LRD Cable测试结果必须等于或优于Passive Cable。测试需涵盖USB4 Gen2/Gen3,以及USB 3.2 Gen2等三个速度。

注:“Worst-Case 被动线缆” 指的是线缆规格内Max插损的被动线缆,如1m的USB 3.2 Gen2被动线缆,2m的USB4 Gen2被动线缆,以及0.8m的USB4 Gen3被动线缆。

图8: 线缆本体测试连接图

 

表4: 线缆本体测试环境设定要求

 

5.3 时域 – 线缆输出眼图测试(Cable output Eye Test)

5.3.1.  USB4 Gen2/ Gen3 测试:

线缆输出眼图测试(含系统ISI及抖动等)连接如下图,测试环境与USB4 Host/ Device Rx接收端认证测试环境相同,需要先进行USB4 Rx测试环境校正,可以直接透过GRL-USB4-Rx Test APP,如图9,自动化控制Anritsu MP1900 Pattern Generator,搭配Keysight或Tektronix示波器进行USB4 Rx测试环境校正。

图9: GRL USB4 Rx自动化测试APP

 

校正完后,测试时先接上“Worse Case被动线缆”,测试条件设定包括在Pattern Gen输出 PRBS31,设定USB4 Preset(共16组),讯号经过线缆后,在示波器撷取五次波形,每组高速对需撷取80个波形;然后在相同的测试条件下,取下被动线缆,换上LRD Cable后,在示波器撷取波形;然后以USB4 SigTest软件进行眼图、眼宽、及眼区域测试分析。

图10:  USB4 Gen3/Gen2线缆输出眼图测试连接

 

USB4 Gen2/Gen3测试结果的判定 (5次撷取的平均值):

LRD Cable极佳眼图区域面积 ≥ Passive Cable极佳眼图区域面积

而且其中 LRD Cable眼宽 ≥ 0.9 * Passive Cable眼宽

 

5.3.2. USB 3.2 Gen2测试:

测试环境与USB 3.2 Rx接收端认证测试环境相同,需要先进行USB 3.2 Rx测试环境校正(如图11),可以直接透过GRL-USB3-Rx Test APP,自动化控制Anritsu MP1900 Pattern Generator,搭配Keysight或Tektronix示波器进行校正。

图11: USB 3.2 Gen2线缆输出眼图测试连接图

校正完后,在USB 3.2 Gen2 Rx测试条件,选用Rx校正在 Pj@100MHz的环境,由Pattern Gen透过治具,经过LRD Cable后,示波器撷取五次波形,再以USB3 SigTest软件,及7个CTLE template进行分析。(USB3 SigTest初始只有一个CTLE_5dB template, 需要另外手动设定补齐CTLE_0dB ~ CTLE_6 dB template)

USB 3.2 Gen2测试结果的判定,(5次撷取的平均值): LRD Cable极佳眼图区域面积 ≥ Passive Cable极佳眼图区域面积 而且其中 LRD Cable眼宽 ≥ 0.9 * Passive Cable眼宽

 

结论

USB Type-C的应用广泛,在计算机及相关周边装置,还有被动线缆与主动线缆等,有些仅支持USB 2.0与充电、有些可支持USB 3.2、USB4;都是USB Type-C连接器,支持的能力、速度不尽相同,很容易让使用者混淆。USB协会也着重于使用者体验,致力于一条Type-C线缆,能满足所有应用迈进,在主动线缆部分,规范必须支持双向传输、支持正反插,支持双通道(x2)等。以USB4 LRD主动线缆为例,可以支持USB4,USB 3.2,USB 2.0,Thunderbolt 3,以及PD充电等,满足一条线搞定USB Type-C应用。

USB Type-C主动线缆与被动线缆主要差异是有无主动组件,这也造成在测试高速差动讯号的方法不同,主动缆线测试采用现有USB4 Host与Device的高频测试的方法,使用高频讯号产生器与高频示波器来进行测试,测试环境及手法都相对复杂,GRL在USB4测试上提供自动化测试解决方案,可以降低测试复杂度,在调整EQ、Gain等参数及协助客户除错有丰富经验,更可以提供USB4 Host 与Device,USB4 Passive Cable,与USB4 Active Cable等测试认证服务。

GRL专业认证团队,在台北、上海、东莞等地皆有认证实验室,协助客户从开发到取得认证,秉持专业与热忱为您服务,希望各位先进不吝指教,谢谢。

 

参考文献

  • USB Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021
  • USB Type-C Connectors and Cable Assemblies CTS, Revision 2.1b, June 2021
  • USB4™ Thunderbolt3™ Compatibility Requirements Spec, Version 1.0, January 2021.
  • USB4™ Thunderbolt3™ Compatibility CTS, Revision 1.0, January 2021.
  • USB Power Delivery CTS, Revision: 1.2, Ver 2, June 20, 2021
  • USB Type-C Functional Test Specification, Chapter 4 and 5, May 23, 2021, Rev 0.88
 

作者

GRL 中国台湾技术总监 张静宜 Sandy Chang

Thunderbolt™ 4, USB4™, USB3, DisplayPort, HDMI, PCI Express等高速接口测试领域的专家,拥有业界十年以上专业经验,现担任 GRL 技术总监,带领 GRL 各测试团队。

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本文件中规格特性及其说明若有修改恕不另行通知。

发布日期 2021/10/06 AN-210928-TW

Published by GRL team Sep 28, 2021

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