By GRL team on Jul 26, 2021

USB4®被动线缆测试与认证(USB4® Passive Cable)

   

Granite River Labs, GRL
Sandy Chang 张静宜

 

  1. 明明是新买的 USB4 20G 线缆,接上 USB4 电脑跟 USB3 Gen2 硬盘,为什么跳出视窗显示不是以最高速连接呢?
  2. 用新电脑附的 USB Type-C 线缆,传输速度更慢了?
  3. 到底什么样的 USB Type-C 线缆,才可以享受到高速传输呢?

若要解释上面的问题,首先我们必须了解一下 USB 线缆规格与相互差异:

 

USB Type-C 线缆的规格

如下表 1,列出 USB 版本及对应可支持线缆长度,我们可以看出各个 USB 版本可支持的被动线缆长度。整理如下:

  • USB4 Gen2 被动线缆:长度小于 2m,最高传输速度为 20G (10Gx2) bps
  • USB 3.2 Gen1 被动线缆:长度小于 2m,最高传输速度为 5Gbps
  • USB 3.2 Gen2 被动线缆:长度小于 1m,最高传输速度为 20G (10Gx2) bps

表 1: USB Type-C Standard Cable Assemblies

 

接着我们就来解答开头的三个问题:

 

1. 明明是新买的 USB4 20G 线缆,接上 USB4 电脑跟 USB3 Gen2 硬盘,为什么跳出视窗显示不是以最高速连接呢?

如下表 2,以长度的角度来解析。长度 2m 的 USB4 Gen2 被动线缆,可传送最高资料速度 USB4 20G,但若接上 USB 3.2 Gen2 硬盘,最高只能传送 USB 3.2 Gen1,也就是 5G 速度。因为 USB3 Gen2 硬盘最高速可支持 10G,但降速度到 5G,此时硬盘的 Billboard 应跳出讯息,告知使用者此装置可以更高速传送。

表 2:USB4 Gen2 线缆长度与支持速度

 

  • 为何同样是传送 20G,USB3 与 USB4 支持长度差一倍?

如下表 3,以系统损耗的角度来解析。 USB4 Gen2 与 USB3 Gen2 的传输速度都是 20Gbps,但所支持的被动线缆长度却不同,主要原因是系统损耗配置不同。 USB4 规格源自于 Thunderbolt 3(简称 TBT3),主要是传送 DisplayPort 以及 PCIe 信号,为了支持大萤幕,TBT3 Gen2 要求支持 2m 被动线缆,所以 USB4 Gen2 也必须支持 2m。而在 USB3 与 USB4 传送端及接收端的部分,都必须至少要容忍系统损耗(包括 Host PCB,线缆,与 Device PCB)在 Nyquist 频率损耗约为 23dB。

表 3:USB 3.2 Gen2 与 USB4 Gen2 系统损耗配置

 

先来看 USB 3.2 Gen2 插损(Insertion Loss)配置:

  • USB3 Gen2 规格 23dB@5GHz(Nyquist 频率)插损配置是:
    • Host(8.5dB)–Cable(6dB)–Device(8.5dB)。此处 Cable 6dB@5GHz 插损,相当于是 1m 线缆长度。

USB4 Gen2 需支持 2m,在相同的系统损耗下,只好缩减 Host 端及 Device 端的损耗,这也是为什么 USB4 或 TBT3 的 IC 都非常接近 USB-C 连接器的原因。

  • USB4 Gen2 规格 23dB@5GHz(Nyquist 频率)插损配置是:
    • Host(5.5dB)–Cable(11.5dB)–Device(5.5dB)。此处 11.5dB@5GHz 插损,相当于是 2m 线缆长度。

 

2. 用新电脑附的 USB Type-C 线,连接速度更慢了?

随着新型轻薄电脑的充电改采 USB Type-C 充电器,新电脑配件也附有一条长约 1.5m 到 2m 的 USB Type-C 线缆,这个长度是为了方便使用者作为充电的用途,但大部分线缆本身并不具备高速传输的能力,若有需要高速传输则需要在市面上另外购买 USB Type-C 支持 USB4 或 TBT3 的高速线缆。

而此充电线缆的基本要求是以 USB Type-C(USB 2.0)线缆为标准,支持速度 480Mbps。

 

3. 到底什么样的 USB Type-C 线,才可以享受到高速传输呢?

– USB4 线缆标志

USB IF 在推出 USB4 规格后,因为 SuperSpeed USB 10Gbps(10Gx1)、SuperSpeed USB 20Gbps(10Gx2)和 USB4 20Gbps(10Gx2)线缆都具有高达 20Gbps 的传输性能,但多种 logo 商标会让消费者混淆,协会对此解决方案是弃用 SS USB 10Gbps 和 SS USB 20Gbps 线缆认证和标志,统一使用 Certified USB 20Gbps 线缆认证及标志(如图 1 右)。 (注:此更改仅适用于被动线缆)

图 1:USB Cable 新旧 Logo

(来源:  USB-IF Logo License – Trademark Requirements Chart

 

要享受到高速传输,在选购线缆时除了认明包装盒上的 Certified USB 20 Gbps 外,由上表 2 得知,还需选择 1m 或以下的可支持 USB 3.2 Gen2 被动线缆(或参考厂商详细线缆支持能力)。也可以直接选择购买 Certified USB 40Gbps 线缆,但价格也会相对高一点。还有另一个选择就是主动线缆,请参考 GRL USB Type-C 主动线缆介绍。

表 4:USB4 Logo

(来源:  USB-IF Logo License – Trademark Requirements Chart

 

USB4 Gen3 线缆证认要点

USB4 线缆认证,必须使用过认证的连接器。

USB3 Gen1/2 & USB4 Gen2 Type-C 线缆测试主要是以 B-1~B7 等 6 大项目(参考下表 5),而 USB4 Gen3 线缆需额外加测 B-8。

USB Type-C 线缆认证测试项目包括有:

  • B-1 eMarker 测试,插拔测试,摇摆测试,及 Vbus/Gnd 压降测试
  • B-2 USB 2.0 电气特性
  • B-3 USB 3.2 电气特性
  • B-4 EMI/RFI 屏蔽效应测试
  • B-5 连接器包覆成形尺寸及 EMC 弹片
  • B-7 扭力测试
  • B-8 USB4 电气特性(USB4 Gen3)

表 5:Primary Qualification Approval Testing(截取自 USB-C CableConn CTS 2.1b)

 

USB4 线缆新增测试

USB4 线缆认证测试,除了需要依循 USB3 线缆所有测试规范,新增的测试包括有 B-1 e-Marker 与 B-8。其中 B-8 为高频信号品质测试,认证测试须由客户提供的 50 条线缆中,实验室任选 10 条来进行测试,且此 10 条皆需通过测试,才能判定为通过。可见 USB 协会对 USB4 线缆在高速传输品质要求,让客户在市面上购买到认证过的线缆,可以尽情享受 40G 高速传送。详细更新测试如下:

  • B-1 e-Marker(USB4)测试,依据 USB-C Function Test 0.88 版,对线缆测试如下:
    • 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

 

  • Test Group B-8(USB4 电气特性)测试,基本上与 B-3(USB 3.2 电气特性)测试项目一样,但规格要求更为严谨,以及新增 COM 测试,详细的比较表请参考表 6。主要重点有:
    • USB4 Gen3 线缆测试以向量网路分析仪撷取 S4P,以 Get_iPar 软体分析
    • Insertion Loss Fit 最高频率点由 10GHz 提高到 15GHz
    • Crosstalk(串音)测试,以往 USB3 仅支持单通道传输,因为 USB4 支持双  通道传输,所以加入双通道间的 Port to Port crosstalk,以及 DP Alt-mode 下的 crosstalk 测试
    • COM(Channel Operation Margin)通道余裕测试,COM 的测试方法源自于 IEEE 802.3,撷取线缆 S 参数,结合 USB4 Tx/Rx Equalizer, Jitter 以及 Noise,透过类似于统计分析的方法计算出信号杂讯比(Signal-to-Noise Ratio),来推估通道(线缆)特性。 COM 结果必须大于 3。

图 2:COM Analysis

 

表 6:Cable CTS Test Group B-3 and B-8 Test Compare

另外值得一提的是,USB4 被动线缆必须支持 TBT3,也需要加测 TBT3 相容性测试。

 

结论

USB Type-C 线缆虽然支持相同传输速度,线缆的长度却不一定相同,主要是根据系统损耗来决定;在充电方面,线缆最低需符合 USB 2.0 USB Type-C 规格。

在 USB4 Gen3 线缆认证方面,需同时相容 TBT3 与传输速度提升,新增 e-Marker、串音与 COM 等测试项目验证。 GRL 为 USB IF 授权认证实验室,提供 USB 线缆与产品完整测试与认证,在台北、东莞、上海等地皆有实验室可提供服务。

 

参考文献

  • USB Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.1, May 2021
  • USB Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document, Revision 2.1b, June 2021
  • USB4™ Specification, Ver 1.0 with Errata and ECN through May 19, 2021
  • USB Type-C Functional Test Specification, Chapter 4 and 5, May 23, 2021, Rev 0.88

 

作者

GRL 技术总监 张静宜 Sandy Chang

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。熟悉 Thunderbolt、USB Type-C 等高速接口与测试规范。

 

联系我们了解更多

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 2021/07/26 AN-210726-TW

Published by GRL team Jul 26, 2021

Related Post