USB4.0 Compliance 測試解析--發送端測試篇

2023/02/27

USB4.0 技術簡介

USB全稱為通用串行匯流排（Universal Serial Bus），早在1994年被眾多電腦製造商採納，用以解決當時介面不統一的問題。在隨後二十多年的時間裡，USB技術不斷發展，標準經歷了USB1.0/1.1、USB2.0、USB3.0、USB3.1到 USB3.2，直到現在最新的USB4.0，標準的演進如下圖所示

USB4.0 直接採用的是 Intel 和 Apple 自2015年在高端筆記本電腦上推出的、基於Type-C介面的「雷電」Thunderbolt 3 協議標準，數據傳輸速率支持10 Gbps/lane 和 20 Gbps/lane 這兩種速率，選擇性地支持 TBT3-compatible 10.3125 Gbps/lane 和 20.625 Gbps/lane這兩種速率；同時，通過交替模式 (ALT mode)支持 DisplayPort、PCIE 等信號標準。為了避免混淆，Intel將未來準備在高端筆記本電腦上部署的 Thunderbolt 介面，統一命名為 Thunderbolt 4.0。

USB 4.0 最新的規範是 2022 年 6 月份發布的「USB4 Specification Version 1.0 with Errata and ECN through Oct. 15, 2020」；測試規範是 2022 年 6 月份發布的「USB4 Electrical Compliance Test Specification V1.03。

從架構上來看USB4.0 在端口上都放上一個Controller 以便於接口之間的溝通，因此在接下來的測試裡controller 將扮演著非常重要角色。

USB4.0 電氣測試簡介

USB4.0採用Thunderbolt 3協議標準，其電氣測試也不例外。從物理層電氣信號質量驗證角度來看，USB4.0=TBT4.0=TBT3.0。為了確保高達20G bps信號質量測試的精度和一致性，USB4.0採用了許多自TBT 3.0開始引入的測試方法，包括：發射端預設校準；等化校準和發射端回波損耗等。

簡單來說，USB4.0電氣測試主要包括以高性能示波器為基礎的發送端測試、以誤碼儀為基礎的接收端測試、以網絡分析儀為基礎的回波損耗測試和以通用示波器和萬用表為基礎的Sideband信號測試。下面我們來介紹發送端測試：

USB4.0 發送端 (Tx) 測試

下圖是USB4.0發送端測試的連接示意圖。和其他高速串行總線接口發送端一致性測試方案類似，主要由治具、低損耗相位匹配電纜、實時示波器組成。

USB4.0發送端測試需要一個USB4.0 Microcontroller (Wilder USB4 controller洽詢克達科技) ，這樣在控制PC上運行USB4ETT軟件(https://www.usb.org/document-library/usb4ett)，通過控制被測設備產生相應的測試碼型RPBS15/PRBS31/SQ128等。
• Software : USB-IF USB4ETT
• Controller : Wilder USB4/TBT4 控制器

治具 : Wilder USB4 測試治具

由於 USB4.0 需要支援有源電纜和無源電纜兩種應用場景，針對的測試點分別是 TP2 和 TP3，即通俗來說的近端測試和遠端測試。在進行遠端測試時，需要考慮無源電纜的影響。因為一根實體的無源電纜很難完整的表徵所有最惡劣的場景，包括插入損耗、回波損耗、串擾等，為了保證測試的一致性和可重複性，發動端測試都是用軟體的演算法，利用示波器嵌入S參數/傳遞函數的方式，實現參考鏈路的模擬。

同時，為了保證測試精度，USB4.0 要求示波器在進行信號擷取前，需要通過去嵌(De-embedded)的方式去除測試電纜的影響。

A. USB-IF USB4ETT 軟體

下圖是USB-IF新推出的USB4ETT（USB4.0電氣測試工具）軟體的實際界面，可透過USB4 Electrical Test Tool.exe（GUI模式；手動控制）或USB4 Electrical Test Tool CLI.exe（命令列介面；自動化程式控制）兩種方式，使被測設備產生必要的測試碼型。

B. Transmitter Preset Calibration

USB4.0信號為了補償有損鏈路帶來的損耗，定義了16種發送端均衡(Preset0~Preset15)。測試規範規定，在進行發送端測試之前，需要對每一個接口的每一對高速信號支持的每一種速率分別做Preset的校準，選擇能夠提供最小DDJ值的Preset值，將其設定到被測體的固件中，作為後續驗證的基礎。

C. Equalization Calibration

針對無源電纜的應用場景，USB 的發送端測試點在 TP3。示波器在進行信號品質分析前，需要模擬真實的裝置，引入一個參考均衡算法，減輕有損電纜對信號品質的惡化。USB4.0 定義了這種參考均衡算法可以由多種不同的連續時間線性均衡 (CTLE: Continuous-Time-Linear-Equalizer) 和判斷反饋均衡 (DFE: Decision-Feedback-Equalizer) 組成。在做 TP3 測試前，需要掃描這些組合，找到能提供最大眼圖面積（如果面積相等，參考眼高）的最優算法，以此為基礎，得到 TP3 相關的測試結果。

D. USB4.0 抖動分離

為了更好表徵高達20Gbps的USB4.0信號質量，不同於USB3.2僅僅測試Tj、Rj和Dj三個抖動指標，USB4.0定義了嚴格的TJ、UDJ、DDJ、LPUDJ、DCD等抖動指標，並且對每個指標如何做抖動分離、如何測量做了詳細的規定。

USB4.0標準定義了非常詳細、複雜的發送端測試要求，需要對每個Type-C口、每一條lane、每一種速率下的信號做Preset Calibration、Equalization Calibration；然後以此為基礎，測試所有抖動(TJ/UDJ/DDJ/LPUDJ/DCD)、眼圖、上升時間/下降時間、SSC等指標；並且每個測試都伴隨著測試碼型的切換。如果用手動方式，做一次完整的測試，這幾乎是不可能的任務。德科技D9040USBC一致性測試軟體完美地解決了整個問題。

如下所示，可以將示波器作為控制PC，USB-IF的USB4ETT軟體安裝在示波器上，USB4.0 Microcontroller也連在示波器上。這樣D9040USBC一致性測試軟體就可以利用USB4ETT command line interface，通過USB4.0 Microcontroller在捕獲/分析完所需的信號後，控制被測體產生下一個測試項目所需的測試碼型。從而形成一個閉環的全自動化測試解決方案。

結語

USB4.0 傳輸端(Tx)測試相當煩雜大部分工程師會藉由儀器商所推出的自動化測試方案來減低測試時間, USB-IF 要求使用的Wilder USB4 controller 已與各家儀器商如Keysight / Tektronix / Teledyne LeCroy 完成軟體上的整合因此無論使用哪個品牌 WIlder USB4.0 Controller 都能完美適配。

Wilder Technology USB4.0 Microcontroller

USB-IF 指定使用的Wilder USB4 test fixture set 提供了USB4.0 Tx / Rx 所需的各項測試模式及夾具；並與各大儀器商Keysight / Tektronix / Teledyne LeCroy / Anritsu 完成自動化測試軟體的整合並完美適配。

Rx 測試

Return Lose :

Calibration :

2022年末USB-IF 推出新的測試方式將ISI board / Side Band 等相關測試方式進行更新並預期於2023年進行揭露。有鑑於此Wilder 正式推出新版USB4.0 測試治具來符合協會要求,治具種類將高達 13 個種類, 符合新版規格要求的 ISI 規格及 Side Band 所需的專用治具。