雷電4和USB4物理層的規(guī)范是一致的，都是參照TBT4。他們關(guān)于速率的兼容性理論上都是一樣的。雷電4和USB4使用的協(xié)議不同，USB4是用的隧道協(xié)議。雷電4用的是DP、PCIe協(xié)議。在實(shí)際使用中，這種功能性的差異應(yīng)該體現(xiàn)不出來。從測試層面來說，雷電4、3 和USB4 可以使用同一個(gè)測試軟件。
當(dāng)我們連接PC時(shí)，您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)以下三個(gè)端口中的至少兩個(gè)或三個(gè)不同的組合：USB-A，USB-C和Thunderbolt。其中Thunderbolt的最新版本Thunderbolt 4是Thunderbolt 3的演變，仍然使用USB Type-C連接器。此外，Thunderbolt 4向后兼容所有以前的版本。
Thunderbolt 接口也就是我們常說的“雷電”接口，它的外觀與 USB Type-C 相同，不過也僅限外觀相同。通常雷電接口旁邊都會(huì)有一個(gè)雷電標(biāo)識，我們可以通過它來區(qū)分 USB Type-C 與 Thunderbolt 4接口。
雷電接口擁有十分強(qiáng)大的功能，最新的 Thunderbolt 4 最大帶寬可達(dá)40Gbps，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。并且還支持外接顯卡擴(kuò)展塢、(雙4K/單8K） 顯示屏、磁盤陣列等各種外部設(shè)備。同時(shí)，通過雷電接口，還可以為兼容設(shè)備供電以及反向供電手機(jī)、平板此類電子產(chǎn)品。
英特爾于2020年初正式宣布雷電4，并于當(dāng)年秋季晚些時(shí)候開始在基于酷睿的第11代筆記本電腦上發(fā)貨。與之前的Thunderbolt 3接口相比，雷電4接口將最低PCIe鏈路帶寬要求從16 Gbps提高到32 Gbps，并使用DisplayPort 1.4協(xié)議增加了對雙4K顯示器（60 Hz）的支持。與 Thunderbolt 3 相比的其他進(jìn)步包括能夠?qū)?PC 從睡眠狀態(tài)喚醒，支持具有多達(dá)四個(gè) Thunderbolt 端口的附件，以及支持虛擬機(jī)的 Intel VT-d DMA（直接內(nèi)存訪問）保護(hù)。Thunderbolt 4支持高達(dá)40 Gbps的雙向帶寬，使其成為PC到PC數(shù)據(jù)傳輸，最佳SSD存儲解決方案和Razer Core X等外部GPU塢站的理想接口。筆記本電腦至少有一個(gè)雷電4接口能夠?yàn)樵O(shè)備充電。
這種通用兼容性擴(kuò)展到支持所有當(dāng)前和以前的USB標(biāo)準(zhǔn)，包括USB4。USB4外設(shè)也使用USB- 型連接器，可以直接插入Thunderbolt 4端口，并以全速運(yùn)行，Thunderbolt 4 還可以使用 USB Type-C 或 Type-A 連接器（通過適配器或擴(kuò)展塢）容納較舊的 USB 外圍設(shè)備。對接解決方案特別適用于外部端口數(shù)量有限的筆記本電腦。此外，Thunderbolt 4可以為筆記本電腦提供高達(dá)98瓦的充電功率。
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雷電4的理論傳輸速率是40Gbps，為了更好的兼容DisplayPort (簡稱DP)，預(yù)留了一部分不容侵占的視頻輸出專屬帶寬，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)木椭挥?2Gbps，大致相當(dāng)于 PCleQ 3.04的標(biāo)準(zhǔn)，因此使用雷電4的理論最高速度只有3200 MB/S，使用外置顯卡擴(kuò)展塢時(shí)也存在一定的性能耗損，顯卡越高端損失越大。(雷電3為DP預(yù)留18Gbps的帶寬，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸挘玉g顯卡時(shí)的損失更大)雷電4收錄了當(dāng)前所有的USB標(biāo)準(zhǔn)，包括USB4 20USB4 401USB4 40可以視為雷電3的通用版)。雷電4接口在搭配非雷電協(xié)議的存儲外設(shè)最高的傳輸速度就只有USB3.2 Gen2的水平，只有10Gbps，也就是1000MB/s以內(nèi)。
“USB4 全名為Universal Serial Bus Generation 4。USB 這個(gè)介面在1996 年發(fā)布USB 1.0 規(guī)格, 傳輸速度支援低速1.5 Mbps 與全速12 Mbps，以及之后陸續(xù)發(fā)表支援速度480 Mbps、5Gbps、10Gbps、20Gbps 等，并在2019年9 月發(fā)布最新一代USB4 規(guī)格，支援20 Gbps 與40 Gbps。
USB 介面演進(jìn)及相對應(yīng)的logo，請參考圖表一。
USB4.0 直接采用的是 Intel 和 Apple 從 2015 年在高端筆記本電腦上推出的、基于 Type-C USB接口的“雷電”Thunderbolt3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率支持 10 Gbps/lane 和 20G bps/lane 兩種速率，選擇性地支持 TBT3-compatible 10.3125 Gbps/lane 和20.625 Gbps/lane兩種速率；同時(shí)，通過交替模式 (ALT mode)支持 DisplayPort，PCIE 等信號標(biāo)準(zhǔn)。為了避免混淆，Intel將未來準(zhǔn)備在高端筆記本電腦上部署的Thunderbolt接口，統(tǒng)一命名為 Thunderbolt4。
USB 4.0 最新的規(guī)范是 2021 年 5 月份發(fā)布的“USB4 Specification Version 1.0 with Errata and ECN through Oct. 15, 2020”；測試規(guī)范是 2021 年 7 月份發(fā)布的“USB4 Electrical Compliance Test Specification V1.02”。
隨著通信的發(fā)展，歐盟會(huì)強(qiáng)制要求Apple 使用USB 4。隨著USB4 v2.0規(guī)范正式發(fā)布，最高支持120Gbps速率。USB4 V2 會(huì)采用PAM3的編碼方式，而雷電4 是用的NRZ。而搭載該項(xiàng)技術(shù)的終端廠商越來越多。是德科技爲(wèi)您帶來了Type-C?USB一致性測試解決方案，供您參考。
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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(xié)議提供高達(dá) 240W 的動(dòng)態(tài)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(shè)備和未來設(shè)備的 DisplayPort、PCIe?等協(xié)議。2021年底，歐洲議會(huì)以壓倒性優(yōu)勢通過了一項(xiàng)法案：自2024年底開始，所有便攜智能設(shè)備都必須使用USB Type-C?接口；2026年起，筆記本電腦的標(biāo)準(zhǔn)接口也將成為USB Type-C?。也就是說，USB Type-C?接口將基本統(tǒng)一所有消費(fèi)電子設(shè)備USB接口。
USB標(biāo)準(zhǔn)由 USB-IF (USB Implementers Forum) 組織指定和維護(hù)，并被最新的電子設(shè)備廣泛采用。為了證明符合標(biāo)準(zhǔn)，用戶需要按照USB一致性測試規(guī)范 (CTS: Compliance Test Specification) 執(zhí)行全面的發(fā)射器、接收器、中繼器和電纜測試。而設(shè)計(jì)和測試工程師在將USB Type-C? 集成到他們的產(chǎn)品中同時(shí)確保互操作性和測試合規(guī)一致性時(shí)面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)。由于更高的數(shù)據(jù)傳輸速度、更大的功率和更多的功能，USB Type-C? 一致性測試標(biāo)準(zhǔn)變得更加復(fù)雜，因此成功的測試需要高度準(zhǔn)確且符合標(biāo)準(zhǔn)的測試儀器、軟件和夾具。
上圖為USB3.x和USB4標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)。在本文中，引用了各代 USB4， USB4 Gen2 和 Gen3 是指傳統(tǒng)的USB4標(biāo)準(zhǔn)(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(biāo)準(zhǔn)(每通道 40 Gb/s)。
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USB Type-C（或 USB-C）是現(xiàn)代電子設(shè)備中普遍采用的接口。該連接器支持更小的外形尺寸、更高的數(shù)據(jù)速率、更多的電力輸送能力以及與其他協(xié)議的靈活連接。USB Type-C 的主要重點(diǎn)領(lǐng)域包括連接設(shè)備、管理電源和確保有效的數(shù)據(jù)傳輸。USB Type-C 連接器提供可逆性，易于使用，使用 USB4 協(xié)議時(shí)動(dòng)態(tài)功率高達(dá) 240 W，向后兼容（USB 2.0、USB 3.2、USB 3.1 和 USB4），以及備用模式，以支持許多新設(shè)備和未來設(shè)備的 DisplayPort、HDMI 和 PCIe? 協(xié)議。設(shè)計(jì)和測試工程師在將 USB Type-C 集成到其產(chǎn)品中并確保互操作性和測試合規(guī)性時(shí)面臨多項(xiàng)挑戰(zhàn)。隨著 USB Type-C 合規(guī)性測試標(biāo)準(zhǔn)變得越來越復(fù)雜，成功的測試需要高度準(zhǔn)確且符合標(biāo)準(zhǔn)的測試儀器、軟件和裝置。
本應(yīng)用說明涵蓋了測試 USB Type-C 替代模式所面臨的挑戰(zhàn)和解決方案的各個(gè)方面，包括可通過 Type-C 連接器和電纜承載的最新 DisplayPort、HDMI 和 PCIe? 協(xié)議。
Thunderbolt 4和USB4非常相似，很容易混淆。
它們都使用USB-C接口，傳輸速度都可達(dá)40Gbps，能傳輸視頻信號，還能給設(shè)備充電。雖然它們很像，但還是有一些區(qū)別。在購買設(shè)備時(shí)，你需要注意設(shè)備的最低傳輸速度和供電功率。你可以查看設(shè)備的規(guī)格說明，因?yàn)閁SB4設(shè)備可以選擇20Gbps或40Gbps的速度，而Thunderbolt 4設(shè)備有32Gbps的速度。
如上所示，USB4.0 采用的是 Thurderbolt3 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，電氣測試也不例外。從物理層電氣信號質(zhì)量驗(yàn)證角度來看，USB4.0=TBT4.0=TBT3.0。為了保證高達(dá) 20G bps 信號質(zhì)量測試的精度、一致性，USB 4.0 繼承了很多 TBT 3.0 開始引入的測試方法，包括：Transmitter Preset Calibration；Equalization Calibration 和 Transmitter Return loss 等。
USB4.0電氣測試簡介
如上所示，USB4.0 采用的是 Thurderbolt3 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，電氣測試也不例外。從物理層電氣信號質(zhì)量驗(yàn)證角度來看，USB4.0=TBT4.0=TBT3.0。為了保證高達(dá) 20G bps 信號質(zhì)量測試的精度、一致性，USB 4.0 繼承了很多 TBT 3.0 開始引入的測試方法，包括：
1. USB4.0發(fā)射端測試?
下圖是 USB4.0發(fā)射端測試的連接示意圖。和其他的高速串行總線接口發(fā)射端一致性測試方案類似，主要有夾具、低損耗相位匹配電纜、實(shí)時(shí)示波器組成。
因?yàn)?USB4.0需要支持有源電纜和無源電纜兩種應(yīng)用場景，針對的測試點(diǎn)分別是 TP2 和 TP3，即通俗講的近端測試和遠(yuǎn)端測試。在進(jìn)行遠(yuǎn)端測試時(shí)，需要考慮無源電纜的影響。因?yàn)橐桓鶎?shí)體的無源電纜很難完整的表征所有最惡劣的場景，包括插入損耗、回波損耗、串?dāng)_等，為了保證測試的一致性和可重復(fù)性，發(fā)動(dòng)端測試都是用軟件的算法，利用示波器嵌入S參數(shù)/傳遞函數(shù)的方式，實(shí)現(xiàn)參考鏈路的模擬。
同時(shí)，為了保證測試精度，USB4.0要求示波器在進(jìn)行信號捕獲前，需要通過去嵌(De-embedded)的方式去除測試電纜的影響。
下圖是 USB-IF 新推出的USB4ETT(USB4.0 Electrical Test Tool)工具的實(shí)際界面，它可以通過USB4ElectricalTestTool.exe(GUI model；手動(dòng)控制)或者USB4 ElectricalTestToolCLI.exe (command line interface；自動(dòng)化編程控制) 兩種方式，使被測設(shè)備產(chǎn)生必須的測試碼型。
USB4.0信號為了補(bǔ)償有損鏈路帶來的損耗，定義了 16 種發(fā)射端均衡，測試規(guī)范規(guī)定在做發(fā)射端測試前，需要對每一個(gè)USB接口的每一對高速信號支持的每一種速率分別做預(yù)設(shè)校準(zhǔn)，選擇能夠提供最小 DDJ 值的 Preset值，把它設(shè)定到被測體的固件里，作為后續(xù)驗(yàn)證的基礎(chǔ)。
針對無源電纜的應(yīng)用場景，USB 的發(fā)射端測試點(diǎn)在 TP3。示波器在進(jìn)行信號質(zhì)量分析前，需要模擬真實(shí)設(shè)備，引入一個(gè)參考均衡算法，減輕有損電纜對信號質(zhì)量的惡化。
USB4.0 定義了這種參考均衡算法可以有多種不同的連續(xù)時(shí)間線性均衡 (CTLE: Continuous-Time-Linear-Equalizer) 和判決反饋均衡 (DFE:Decision-Feedback-Equalizer) 組成。在做 TP3測試前，需要sweep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(yōu)算法，以此為基礎(chǔ)，得到 TP3 相關(guān)的測試結(jié)果。
為了更好表征高達(dá) 20Gbps 的 USB4.0信號質(zhì)量，不同于 USB3.2 僅僅測試 Tj, Rj 和 Dj 三個(gè)抖動(dòng)指標(biāo)，USB4.0定義了嚴(yán)格的 TJ, UDJ, DDJ, LPUDJ, DCD 等抖動(dòng)指標(biāo)，并且對每個(gè)指標(biāo)如何做抖動(dòng)分離、如何測量做了詳細(xì)的規(guī)定。
USB4.0標(biāo)準(zhǔn)定義了非常詳細(xì)、復(fù)雜的發(fā)射端測試要求，需要對每個(gè) Type-C接口、每一條lane、每一種速率下信號做預(yù)設(shè)校準(zhǔn)Preset Calibration、均衡校準(zhǔn)Equalization Calibration；然后以次為基礎(chǔ)，測試所有抖動(dòng) (TJ/UDJ/DDJ/LPUDJ/DCD)、眼圖、上升時(shí)間/下降時(shí)間、SSC 等指標(biāo)；并且每一個(gè)測試都伴隨著測試碼型的切換。如果用手動(dòng)方式，做一次完整的測試，這幾乎是不可能的任務(wù)。
是德科技D9040USBC 一致性測試軟件完美地解決了整個(gè)問題。
如下所示，可以將示波器作為控制 PC，USB-IF 的 USB4ETT 軟件安裝在示波器上，USB4.0 Microcontroller 也連在示波器上。這樣?D9040USBC 一致性測試軟件就可以利用 USB4ETT command line interface，通過 USB4.0 Microcontroller 在捕獲/分析完所需的信號后，控制被測體產(chǎn)生下一個(gè)測試項(xiàng)目所需的測試碼型。從而形成一個(gè)閉環(huán)的全自動(dòng)化測試解決方案。
D9040USBC 一致性測試軟件的測試報(bào)告如下圖所示：
是德科技基于磷化銦(InP)工藝的Infiniium系列高帶寬示波器，憑借其優(yōu)異的低噪聲、低抖動(dòng)底噪等硬件性能和專利的尾部擬合”Tail-fit”抖動(dòng)分離算法等軟件，一直是唯一被Intel和Thunderbolt認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可和批準(zhǔn)使用的高帶寬示波器。
進(jìn)入到 USB4.0時(shí)代，大家如果仔細(xì)通讀每一個(gè)版本的測試規(guī)范，都可以發(fā)現(xiàn)，所以的儀表截屏、設(shè)定和算法，采用的都是德科技高帶寬示波器。
2019年，是德科技基于第二代磷化銦（InP工藝，推出了110GHz帶寬，256GSa/s采樣率，硬件10bit ADC，25fs抖動(dòng)底噪的UXR系列示波器，將高速信號量測精度推到了另外一個(gè)高度。如下所示，是是德科技 UXR示波器和已是業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的是德科技V系列示波器，測試同一個(gè)USB4.0信號的測試結(jié)果比較，UXR示波器提供了更優(yōu)的信號測試余量。
下圖是 USB4.0 接收端測試的連接示意圖。同樣的，和其他的高速串行總線接口接收端一致性測試方案類似，USB4.0接收端測試也是由誤碼儀、夾具、低損耗相位匹配電纜等組成。這個(gè)方案和傳統(tǒng)的USB3.2、PCIE G5/4等USB一致性測試方案相比最大的不同是，USB4.0接收端測試只需要誤碼儀的碼型產(chǎn)生單元，誤碼比較單元在被測芯片內(nèi)部，控制電腦運(yùn)行USB4ETT軟件，通過Microcontroller讀取誤碼測試時(shí)Bert和USB4.0芯片Preset和鏈路協(xié)商過程、以及最后的誤碼測試結(jié)果。
另外，還需要一個(gè)微波信號源，產(chǎn)生一個(gè) 400 MHz 的 AC共模干擾。是德科技提供基于M8020A誤碼儀?+ M8062A 32Gbps BERT前端?或者 M8040A 32/64Gbaud 誤碼儀兩套方案，供客戶靈活選擇。
和發(fā)射端測試類似，USB4.0需要支持有源電纜(Case 1)和無源電纜(Case 2)兩種應(yīng)用場景，接收端對應(yīng)的測試點(diǎn)分別是TP3’和TP3。既然信號源需要提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的符合規(guī)范的壓力信號進(jìn)行接收端測試，就必須采用示波器對壓力信號進(jìn)行校準(zhǔn)，保證信號源發(fā)出的信號經(jīng)過不同的夾具、電纜后到達(dá)測試點(diǎn)各壓力成分均滿足規(guī)范的要求。同時(shí)在接收端測試時(shí)，我們需要準(zhǔn)備兩條被USB-IF協(xié)會(huì)認(rèn)證過的無源電纜，2M長的USB4.0 Gen2(10Gb/s)無源電纜和0.8M長的USB4 Gen3(20Gb/s)無源電纜，模擬最惡劣的鏈路環(huán)境。
需要指出的是在TP3(Case 2)遠(yuǎn)端校準(zhǔn)時(shí)，除了Type-C cable外，還需要ISI boards，利用網(wǎng)絡(luò)分析實(shí)測，保證ISI boards+Type-C cable+Test fixture整個(gè)測試鏈路的插入損耗滿足18-19 dB at 5GHz for Gen 2 (10Gbps)和16-17 dB at 10GHz for Gen3 (20Gbps)的要求。
同時(shí)，是德科技提供N5991U40A USB4.0 全自動(dòng)化接收端軟件，幫助客戶非常方便的控制示波器對誤碼儀輸出的加壓信號進(jìn)行校準(zhǔn)，通過USB4.0 Microcontroller和USB4ETT軟件讀取誤碼測試時(shí)誤碼儀和被測芯片Preset和鏈路協(xié)商過程、以及最后的誤碼測試結(jié)果，生成完整的測試報(bào)告。
高速串行信號傳輸速率越高，信號的射頻微波化趨勢就越明顯，20Gb/s 的數(shù)字信號的Nyquist 頻率已經(jīng)高達(dá) 10 GHz。這種情況下，僅僅測試信號的時(shí)域指標(biāo)已經(jīng)越來越難以保證信號的質(zhì)量；因此從Thunderbolt 3.0 開始，發(fā)射端在正常傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的回波損耗測試也變成了一個(gè)必須的測試項(xiàng)目，USB4.0 當(dāng)然也不例外。USB4.0 定義了發(fā)射端和接收端差分回波損耗及共模回波損耗四個(gè)測試項(xiàng)目。
下圖是 USB4.0回波損耗測試的實(shí)際連接和結(jié)果示意圖。它需要一臺至少 20 GHz 帶寬、帶TDR 選件的網(wǎng)絡(luò)分析儀，同時(shí)被測體通過 USB4ETT 軟件和 USB4.0 Microcontroller 產(chǎn)生PRBS31 的測試碼型。是德科技提供詳細(xì)的操作步驟和網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)定文件 (State File) 供大家參考。
因?yàn)?USB4.0 需要通過 Type-C 連接器的 SBU1、SBU2 等 sideband 信號完整復(fù)雜的初始化和協(xié)議控制，所以測試規(guī)范對它們的電氣特性測試做了詳細(xì)的要求。這部分測試比較簡單，使用通用示波器和萬用表就可以很方便的完成，感興趣的同學(xué)可以直接參考測試規(guī)范。
是德科技提供了完整的 USB4.0電氣測試方案，包括發(fā)射端測試、接收端測試、回波損耗測試Sideband信號測試。并且，這些方案已經(jīng)在實(shí)際中得到驗(yàn)證，表現(xiàn)優(yōu)異。
USB-IF于 2022年10月發(fā)布了USB4 2.0版規(guī)范。根據(jù)這一最新規(guī)范，每個(gè)鏈路都有四個(gè)以 25.6 GBaud PAM3(Pluse Amplitude Modulation 3-level) 或40 Gb/s 速度運(yùn)行的雙向差分通道。在對稱模式下，每個(gè)鏈路都有兩個(gè)以 40 Gb/s 速度運(yùn)行的通道，每個(gè)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(gè)方向上傳輸三個(gè)通道，最終結(jié)果是一個(gè)方向?yàn)?120 Gb/s，另一方向?yàn)?40 Gb/s。
USB4 Gen4每通道以25.6 GBaud進(jìn)行傳輸，發(fā)射端將二進(jìn)制 bit信號，透過11-bits to 7-trits (三進(jìn)制) 的映射配置進(jìn)行編碼，以 PAM3 信號傳輸，達(dá)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(xiàn)有的 USB4 和 Thunderbolt4 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(cuò)）的條件下，誤碼率 TER (Trit Error Ratio) 須以 1E-8 或更低的誤碼率進(jìn)行接收。下表顯示了 USB4 V2.0(Gen4)和 USB4(Gen2和Gen3)之間的主要差異。
USB4 Gen4 想要達(dá)到 80 Gbps 且沿用與 USB4 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(jīng)由連接器、線纜，再到Device的RX端，以 USB4 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(huì)超過 40dB，IC無法補(bǔ)償此過高損耗，導(dǎo)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(bǔ)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(yōu)于PAM4，經(jīng)由模擬以及實(shí)際線路的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guī)格的“帶寬”優(yōu)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(shù)據(jù)傳輸情況下，不降低顯示品質(zhì)，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(shù) (Lane) 與 RX 通道數(shù)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(tài)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(yùn)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(shí)高速傳輸數(shù)據(jù)，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(gè)方向提供高達(dá)120Gbps (40Gbps x3)，同時(shí)在另一個(gè)方向保持 40Gbps的速率。對稱傳輸轉(zhuǎn)換到非對稱傳輸，是由連接管理 (Connection Manager) 負(fù)責(zé)控制。
USB標(biāo)準(zhǔn)的這些綜合變化創(chuàng)造了額外具有挑戰(zhàn)性的 USB發(fā)射端、接收端和互連一致性測試要求。需要指出的是：USB4 Gen4 CTS規(guī)范仍在指定中，尚未正式發(fā)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(nèi)容和測試方法，包括Gen4 控制器、Gen4電氣測試工具 (ETT) 和 Gen4 SigTest等。
USB4 V2.0仿真
為了實(shí)現(xiàn)早期設(shè)計(jì)階段仿真和廣泛的系統(tǒng)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(jié)合了IBIS-AMI(Input/output Buffer Information Specification-Algorithmic Modeling Interface) 模型制作器，以促進(jìn) USB 設(shè)備模型的開發(fā)。設(shè)計(jì)人員可以在通道仿真中使用 IBIS-AMI 模型來預(yù)測和仿真 BER/TER、眼圖指標(biāo)和其他設(shè)計(jì)參數(shù)。隨著 USB4 V2.0標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵考慮因素。與傳輸線效應(yīng)相關(guān)的損耗會(huì)導(dǎo)致 USB4 Gen4設(shè)備出現(xiàn)故障，對走線、過孔和互連進(jìn)行建模以準(zhǔn)確模擬電路板也至關(guān)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(shè)計(jì)和電磁模擬器，提高了 PCB 設(shè)計(jì)中的高速鏈路性能。
驗(yàn)證 USB4產(chǎn)品要比 USB 3.2 復(fù)雜得多。USB4 V2.0 將復(fù)雜性提升到了一個(gè)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(guān)的信號完整性挑戰(zhàn)，從而增加了產(chǎn)品驗(yàn)證時(shí)間。發(fā)射端一致性測試對 USB4 V2.0或 USB4 Gen4 PHY 設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。
USB4 Gen 4 PHY 測試規(guī)范的更改包括以下內(nèi)容：?
??不同的測試點(diǎn)定義?
??PAM3 信號的新垂直裕量測量及表征?
??更多的均衡預(yù)設(shè)(Equalization Presets)?
??新的重定時(shí)器(Retimer)測量
USB4.0電氣測試方案測試點(diǎn)
為了確保精確地表征發(fā)射機(jī)特性，開發(fā)人員需要了解關(guān)鍵的測試點(diǎn) (TPs: Test Points)。USB4 V2.0標(biāo)準(zhǔn)定義了 TP2 一致性測試夾具的輸出。下圖說明了所有發(fā)射機(jī)測量發(fā)生的位置。與 USB4 Gen 2 和 USB4 Gen3 相比，USB4 Gen 4 不再需要在 TP3 處進(jìn)行測量。但是，開發(fā)人員需要在 TP3 處執(zhí)行固定/被束縛電纜設(shè)備(Captive/Tethered cable device)測量，因?yàn)槲ㄒ豢稍L問的測量點(diǎn)位于 TP3 處。
垂直噪聲裕量
新標(biāo)準(zhǔn)繼承了 USB4 Gen2 和 USB4 Gen3 對 PAM3 信號執(zhí)行的傳統(tǒng)抖動(dòng)和時(shí)序測量。下圖說明了對Gen 4最重大的挑戰(zhàn)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(xiàng)目，確保可接受的誤碼率 (BER) 性能：
??電平失配(level mismatch) 比較頂部和底部 PAM3 眼圖之間的眼圖張開度差異
??信號和噪聲失真比 (SNDR: Signal and Noise Distortion Ratio) 是另一個(gè)關(guān)鍵的垂直裕量參數(shù)，需要使用線性擬合脈沖響應(yīng) (LFPR: Linear Fit Pulse Response ) sigma n 和 sigma e。
??新的集成回波損耗 (IRL: Integrated Return Loss)測試，作為另一個(gè)重要的垂直裕量參數(shù)，要求同時(shí)考慮發(fā)射機(jī)處的信號質(zhì)量和通道的插入損耗 (IL)。
均衡預(yù)設(shè)(Equalization Presets)
USB4 Gen2 和 USB4 Gen3 有 16 個(gè)發(fā)射器均衡預(yù)設(shè)。為了適應(yīng)增加的損失，Gen4 有 42 個(gè)預(yù)設(shè)。與前幾代一樣，所有 42 個(gè)預(yù)設(shè)都需要單獨(dú)掃描以確定最小數(shù)據(jù)相關(guān)抖動(dòng) (DDJ) 的最佳預(yù)設(shè)。
重定時(shí)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(shí)器 (Retimer) 會(huì)被廣泛采用，這就要求增加像頻率變化訓(xùn)練測量那樣的時(shí)鐘切換測量。隨著 USB-IF更新標(biāo)準(zhǔn)，您可以期待更多有關(guān)重定時(shí)器測量的信息。
因?yàn)樾枰獙Χ鄠€(gè)信號損傷進(jìn)行微調(diào)，接收端壓力信號校準(zhǔn)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(dòng)電壓、交流共模 (ACCM)、周期性抖動(dòng) (PJ)、隨機(jī)抖動(dòng) (RJ) 和損耗通道。同時(shí)，Gen4接收機(jī)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(fā)人員需要調(diào)整損傷信號以及差模干擾和近端串?dāng)_，以獲得根據(jù) SNDR 和抖動(dòng)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(zhǔn)來自碼型發(fā)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(shù)作為輸入來執(zhí)行時(shí)鐘恢復(fù)和均衡（如果適用），并返回噪聲、抖動(dòng)和上述其他測量結(jié)果。
校準(zhǔn)壓力眼圖后，接收機(jī)就可以進(jìn)行測試了。接收端測試過程包括兩個(gè)階段：鏈路訓(xùn)練和錯(cuò)誤計(jì)數(shù)。在鏈路訓(xùn)練階段，被測設(shè)備 (DUT) 向碼型發(fā)生器請求各種均衡設(shè)置，同時(shí)DUT調(diào)整其接收端均衡以提高接收信號的質(zhì)量。
在錯(cuò)誤計(jì)數(shù)階段，接收機(jī)內(nèi)部錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器執(zhí)行誤碼率 (BER: Bit Error Rate) 測試（在 Gen2 和 Gen3 的情況下），在 Gen 4 的情況下執(zhí)行 三進(jìn)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(jìn)行通信，讀取誤碼測試結(jié)果。
與Gen2和Gen3一樣，Gen4有兩個(gè)主要測試用例：???用于低損耗產(chǎn)品或通過有源電纜連接的短通道???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(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器 (LRD: Liner Redriver) 電纜的產(chǎn)品添加了第三個(gè)測試用例。與Gen 4發(fā)射端測試一樣，還有一個(gè)針對固定/被束縛電纜設(shè)備(Captive/Tethered cable device)設(shè)備的特殊測試用例。合規(guī)性測試規(guī)范 (CTS) 草案版本要求添加串?dāng)_源以進(jìn)行接收端測試。
與Gen2和Gen3一樣，需要進(jìn)行邊帶(Sideband)測試以確保正確的鏈路協(xié)商。USB-IF 計(jì)劃在Gen4中引入新的發(fā)射端和接收端低頻周期信號 (LFPS) 測試要求。同時(shí)，針對非對稱操作模式，Gen4增加了專門的測試。
USB4 V2.0 發(fā)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(biāo)準(zhǔn)。滿足測試限制要求對于合規(guī)性認(rèn)證并確保產(chǎn)品性能和互操作性至關(guān)重要。USB4 Gen2和USB4 Gen3為發(fā)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(xù)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(zhàn)，USB-IF 引入了全新的、更為嚴(yán)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(jì)算發(fā)射端 IRL：
其中：???Sdd22(f) 是 TP2 處發(fā)射端的回波損耗，以 42.5 Ω 的單端負(fù)載阻抗為參考。???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(fā)射端和接收端差分回波損耗 (Sdd22) 和 IRL 設(shè)置。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA) 測量 S參數(shù)文件 (S2P)，同時(shí)發(fā)射端/接收端 DUT 處于活動(dòng)模式，并由 USB4 測試微控制器和 ETT 工具驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生PRBS7 碼型。SigTest 工具分析測量的 S參數(shù)以提供測試結(jié)果。
發(fā)射端 IRL 最大限制是測得的發(fā)射機(jī)碼間干擾 (ISI)裕量(transmitter_ISI_margin) 的函數(shù)，該裕量對應(yīng)于發(fā)射機(jī)信號與殘余 ISI 的比率。USB SigTest 工具必須編譯用于發(fā)射端的時(shí)序和電壓測量測試ui_jitter_vertical 的波形文件 (.bin)，以驗(yàn)證發(fā)射端 IRL的結(jié)果是否滿足規(guī)范要求，如下圖所示：
與之前的USB 3.2 Type-C CTS相比，USB4的Type-C?電纜CTS要復(fù)雜得多。將比特率提高到 40Gbps/80Gbps 以支持 USB4 和USB4 v2.0協(xié)議，這帶來了額外的信號完整性挑戰(zhàn)，并且需要與頻率范圍內(nèi)的入射/反射行為相對應(yīng)的更嚴(yán)格的集成測試參數(shù)。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(shù)計(jì)算（插入損耗和差模到共模轉(zhuǎn)換除外），以避免功能正常但可能在某些頻率下不符合傳統(tǒng)的 S參數(shù)規(guī)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(xiàn)在可以控制電纜組件與系統(tǒng)其余部分（主機(jī)和設(shè)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(shù)之外，還首次引入了一項(xiàng)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(zhì)量的品質(zhì)因數(shù)，它本質(zhì)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?dāng)_、發(fā)射端抖動(dòng)、接收器端均衡等。所有 TX 抖動(dòng)和均衡設(shè)置均來自USB4規(guī)范中該工具的 COM 配置文件。
計(jì)算信道操作裕量?(COM: Channel Operation Margin)所需的內(nèi)容如下：
??測量的電纜 S參數(shù)
??參考主機(jī)/設(shè)備
??參考 Tx/Rx 端接
??COM配置文件
信道操作裕量COM?的技術(shù)細(xì)節(jié)基于 IEEE Std 802.3bj?-2014 Clause 93a，廣泛應(yīng)用于高速千兆位以太網(wǎng)收發(fā)器和互連。為了編譯信道操作裕量COM和集成 S參數(shù)結(jié)果，引入了一種新的基于 Matlab 的USB一致性測試工具，稱為 Get_iPar.exe。相同的合規(guī)工具將適用于USB4 Gen3和USB4 Gen4有源線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器(LRD)電纜和LRD組件測試。
鏈路啟動(dòng)
建立和優(yōu)化USB4 Gen3 20Gbps NRZ 鏈路極其復(fù)雜，使用Gen4 25.6Gbaud PAM3 鏈路執(zhí)行此操作會(huì)更加復(fù)雜。為此，必須使用多種工具來連接、調(diào)試、解碼低速邊帶和高速通道。
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(guī)范和最高的互操作性性能至關(guān)重要。下圖顯示了用于 USB4 V2.0 發(fā)射端一致性測試、滿足USB4 V2.0規(guī)范要求的Keysight D9050USBC 發(fā)射端測試應(yīng)用軟件。該解決方案提供了一種快速、簡單的方法來測試、調(diào)試和表征您的 USB 80 Gbps 產(chǎn)品。D9050USBC 軟件執(zhí)行的測試使用 USB-IF 要求的USB4 V2.0 CTS 和 SigTest。該測試應(yīng)用程序提供用戶友好的設(shè)置向?qū)Ш途C合報(bào)告。除了USB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(dòng)化測試軟件在 Keysight Infiniium UXR 系列示波器上運(yùn)行，支持發(fā)射端測試和接收端壓力信號校準(zhǔn)。USB4 V2.0一致性測試需要至少具有 25 GHz 帶寬和至少兩個(gè)通道的示波器。芯片開發(fā)人員則需要支持 50 GHz 帶寬的示波器來進(jìn)行精準(zhǔn)表征和測試。
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(xiàng)目，比如SNDR(信號失真比)、LFPR(線性擬合脈沖響應(yīng))、42個(gè)發(fā)射端均衡預(yù)設(shè)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(nèi)存)。考慮到PCIEG6和USB4 V2.0等全新的應(yīng)用，是德科技對UXR示波器硬件進(jìn)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(kuò)展至64GB及以上，可以直接運(yùn)行USB-IF SigTest軟件，給出USB4 V2.0信號分析結(jié)果。
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(dòng)化軟件可簡化 USB 設(shè)備的校準(zhǔn)和接收端測試。該軟件引導(dǎo)開發(fā)人員完成接收器測試設(shè)置，并自動(dòng)測試整個(gè) USB4 V2.0 一致性測試規(guī)范。下圖顯示了 N5991U42A 直接與 DUT 通信以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)校準(zhǔn)和測試。該軟件還支持合規(guī)性測試套件之外的其他測試，包括抖動(dòng)容限表征和靈敏度測試。該解決方案可確保 USB 設(shè)備與市場上的任何其他產(chǎn)品互操作。與手動(dòng)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(zhǔn)確性和可重復(fù)性。
該USB一致性測試軟件與 Keysight M8040A 高性能64 Gbaud BERT 一起運(yùn)行，該設(shè)備內(nèi)置了您所需的一切功能(去加重、碼型功能、連續(xù)時(shí)間線性均衡 (CTLE)、決策反饋均衡 (DFE)、創(chuàng)建各種碼型結(jié)構(gòu)和序列)。接收端壓力信號校準(zhǔn)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。
Keysight S94USBCB USB Type-C USB一致性測試軟件提供了一種快速、自動(dòng)化的方法來測試、表征和調(diào)試 USB Type-C 設(shè)計(jì)以滿足一致性要求。合規(guī)性測試軟件取代了遵循測試 MOI 的傳統(tǒng)手動(dòng)測試流程。當(dāng)與 L8990M 開關(guān)矩陣系統(tǒng)連接時(shí)，它可以實(shí)現(xiàn)4至20個(gè)端口的切換，無需手動(dòng)端口重新連接，從而實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的一致性測試。只需幾個(gè)簡單的步驟即可在幾分鐘內(nèi)完成測量，并將測試效率提高高達(dá)90%。
S94USBCB USB一致性測試軟件執(zhí)行的測試計(jì)劃基于USB-IF發(fā)布的最新 USB Type-C 電纜和連接器一致性測試規(guī)范 (CTS) 和線性轉(zhuǎn)接驅(qū)動(dòng)器 (LRD) 有源電纜 CTS 。
S94USBCB USB一致性測試軟件涵蓋最新USB4 v2.0、USB4、USB 3.2、USB 3.1 和 USB 2.0技術(shù)的 USB Type-C電纜組件、連接器和原始電纜測試參數(shù)。它還兼容 Thunderbolt，可測試 TBT3 和 TBT4協(xié)議。
本文介紹的仿真解決方案以及發(fā)射端、接收端和互連一致性測試和測量解決方案是芯片和系統(tǒng)集成商設(shè)計(jì)滿足龐大的USB Type-C?生態(tài)系統(tǒng)嚴(yán)格互操作要求的 USB4 V2.0產(chǎn)品所必需的基礎(chǔ)模塊。USB4 V2.0規(guī)范引入了許多新的 USB發(fā)射端和接收端測試挑戰(zhàn)。USB4 Gen2 10Gbps/ Gen3 20Gbps NRZ信號的實(shí)施仍然具有挑戰(zhàn)性，再此基礎(chǔ)上，更復(fù)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?dāng)_和相同的損耗通道。較小的垂直噪聲裕量及其相關(guān)測量、均衡預(yù)設(shè)的增加以及重定時(shí)器測量是發(fā)射機(jī)測試的關(guān)鍵方面。由于新的差模干擾、校準(zhǔn)過程中的近端串?dāng)_調(diào)整以及錯(cuò)誤計(jì)數(shù)階段的三進(jìn)制誤碼率 (TER)測量，接收器測試比 USB4 Gen2 和 USB4 Gen3 更加復(fù)雜。是德科技 USB一致性測試解決方案（軟件、儀器和夾具）已準(zhǔn)備好對這一通用USB接口進(jìn)行全面測試。無論您專注于設(shè)計(jì)還是驗(yàn)證，我們的解決方案都可以加速調(diào)試過程，幫助您進(jìn)行表征和測試USB4 V2.0產(chǎn)品的合規(guī)性。
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