高频线缆数据与过眼图的区别（USB4LRDActive）

目前支持USB4速度40G (20Gx2) 的被动线缆长度最长约为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， 目前最新版本为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，目前定义最高可支持USB 3.2 Gen2速度（但不支持USB2.0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: 主动线缆特性总览

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

o USB 3.2主动线缆：

- 必须支持USB 3.2 Gen 2x2（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

o 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与信号的大小，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 在西雅图举办USB DevDays 2021研讨会（9月30日至10月1日），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：USBDevDays 2021)

新USB4 Cable Logo范例如下图：

图2: USB Type-CEPR 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，LRDcable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

o TD 4.14.1 Cable Vconn Swap Test

o TD 4.14.2 Cable Reset Test

o TD 4.14.3 Cable Alternate Mode Test

o TD 4.14.4 Cable USB 3.2 Test

o TD 4.14.5 Cable USB4 Test

2. 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

o [ID Header VDO] B26 (model operation) set to 1b(alt mode)

o [ID Header VDO] B29..27 (product type)set to 11b(passive cable)

o [Cable VDO] B2..0 (USB highest speed) set to 010b(USB3.2/USB4 Gen2)

• Cable SOP’ TBT Discover Mode VDO response

o B20..19 (rounded/rounded & none) set to 01b(both)

o B21 (Optical/none) set to 0 (none)

o B22 (Re-timer/Re-driver) set to 0b (Re-driver)

o B23 (Uni/Bi-directional) set to 1b (Uni)

o B25 (Active/Passive) to 1b (Active)

3. 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，消耗功率最高限制

VCONN 消耗功率Power ≤1.5W

4. 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，外壳表面最高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温度最高区域（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: 红外线摄像找出最高温区域

图5:“ThermalCouple”贴片黏贴到最高温区域

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: Flexibleheater 加热贴片

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

Electrical Test

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)

图7: 向量网络分析仪VNA撷取S参数连接图

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。

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（）：输出噪声标准偏差（不包含非线性噪声）
• SIGMA_E（）：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” 指的是线缆规格内最大插损的被动线缆，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最佳眼图区域面积 ≥ Passive Cable最佳眼图区域面积

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

1.3.2. USB 3.2 Gen2测试：

测试环境与USB3.2 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-RxTest 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 3.2Gen2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USB3SigTest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最佳眼图区域面积 ≥ Passive Cable最佳眼图区域面积

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

总结

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最大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 台湾技术总监张静宜 Sandy Chang

Thunderbolt™ 4, USB4™, USB 3, 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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