極簡連接之Type-C新技術及接口芯片測試

  ICC訊 自從USB-IF協(xié)會于2014年發(fā)布新一代接口Type-C，其優(yōu)異的性能，極簡連接以及可擴展和多功能立刻受到整個業(yè)內(nèi)消費者的矚目，近幾年Type-C技術更是憑借以上的諸多優(yōu)點，在消費類電子行業(yè)得到蓬勃發(fā)展，其特點總結(jié)如下：

  極簡連接：相比之前A/B口可以實現(xiàn)約8.3mm x 2.5mm小尺寸、扁平輕薄、支持正反連接;

  可擴展性：可用于不同終端設備諸如電腦，手機，顯示器，U盤，擴展塢等等;

  多功能性：支持USB 2.0、USB 3.2、USB4、DP 1.4a、DP 2.0/2.1、PCIe和PD功能;

  生態(tài)多樣：包括芯片和終端產(chǎn)品，比如臺式機及筆記本、手機、擴展塢、U盤、顯示器、嵌入式板卡、無源線纜、有源線纜等。

  從2014年8月USB-IF協(xié)會初次發(fā)布USB Type-C技術規(guī)范支持USB2.0、3.1和PD 2.0，歷經(jīng)多年迭代更新，Type-C目前已經(jīng)可以支持USB4、DP 2.1等新技術，其研發(fā)及測試的復雜度也隨之大幅提高，下面的篇幅，我們就和大家分別介紹基于Type-C的USB4及DP 2.1等新技術的測試概覽。

  USB4技術

  談到Type-C，先談談USB4技術。USB-IF協(xié)會在2019年3月宣布開發(fā)新技術，同年9月發(fā)布USB4規(guī)范，時間如此之短，得益于借鑒了Intel貢獻的TBT3技術(是德科技多年前已發(fā)布TBT測試相關的軟硬件方案)。

  USB4是面向互連的技術，相比USB 3.2技術更加復雜，其一，可利用現(xiàn)有USB Type-C線纜，但需注意線纜不同帶來的損耗差異，若要支持2通道bonding/40Gbps，則需使用經(jīng)過USB4認證的線纜，其二，借助隧道技術承載多協(xié)議，支持時間同步、帶寬動態(tài)分配等機制，其三，可以兼容USB 3.2、USB 2.0等，其四，更高速率使得收發(fā)架構(gòu)更復雜，體現(xiàn)在電氣子層復雜的發(fā)送加重和接收均衡機制，邏輯子層使用precoder和fec技術，降低DFE可能引起的突發(fā)連續(xù)錯誤，提高魯棒性。

  再介紹USB Type-C連接器和線纜，它承載USB4數(shù)據(jù)，是設計、測試的重要部分。2014年8月USB-IF協(xié)會初次發(fā)布USB Type-C技術規(guī)范,支持USB 2.0、USB 3.1和PD2.0，歷經(jīng)多年迭代更新，2019年8月發(fā)布v2.0版本新增支持USB4，2021年5月發(fā)布v2.1版本新增支持USB PD 3.1擴展功率能力。

  Type-C連接器和線纜在高速收發(fā)互連中起到非常重要的作用，如下展示了USB Type-C線纜和傳統(tǒng)USB線纜在電源、信號速率、線纜長度方面的特點，電源方面USB Type-C連接器電流可到5A，Type-C線纜若支持USB PD標準功率范圍那么可達3A/60W,若支持擴展功率范圍(必須具備電子標簽)那么可達5A/240W;線纜類型方面為方便USB4終端產(chǎn)品擴展支持顯示等應用通過使用redriver或retimer實現(xiàn)有源線纜，延長傳輸距離，提高用戶體驗;信號速率方面速率更高相對損耗更大同樣材質(zhì)線纜傳輸距離變短，USB 2.0 Type-C線纜支持480Mbps，可實現(xiàn)至多4m傳輸距離，USB4 速率提升至單lane 20Gbps，使用無源線纜傳輸距離僅0.8m，另外相同傳輸速率USB 3.2 Gen2 10Gbps和USB4 Gen2 10Gbps，由于遵循標準的系統(tǒng)鏈路損耗budget不同，傳輸距離也有所差異。

  *Mini B:500mA

  圖：USB Type-C與傳統(tǒng)USB線纜差異對比

  最后談談規(guī)范與測試。USB4規(guī)范為芯片和產(chǎn)品設計提供了重要參考，為保證良好品質(zhì)，提高穩(wěn)定性，保證兼容，并支持新功能等要進行認證，認證需要進行多種一致性測試(參考“USB4 認證測試”)，USB4物理層電氣一致性測試是其中重要一環(huán)。該一致性測試規(guī)范CTS歷經(jīng)0.96、1.0、1.01不同版本，目前最新的是2021年7月發(fā)布的1.02版本，更新了Clock Switch測試項。

  圖：USB4 認證測試(摘自www.usb-if.org)

  USB4工作原理與測試難點

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  USB4是通過USB Type-C實現(xiàn)互連的技術，在樹型拓撲結(jié)構(gòu)中支持多達6個Routers，通過隧道技術實現(xiàn)USB3、PCIE、DP多種協(xié)議傳輸，同時兼容TBT3技術的產(chǎn)品，因此USB4技術復雜。

  USB4相比USB 3.2，相同點是兩者都支持主機和各種外設進行數(shù)據(jù)交換，不同點是USB4允許主機建立外設之間的數(shù)據(jù)交換，USB4面向連接、實現(xiàn)隧道架構(gòu)，通過協(xié)議適配器將USB3、DP、PCIE等數(shù)據(jù)包放入隧道中，各協(xié)議可以獨立工作(經(jīng)傳輸層和物理層)，也可通過CM(Connection Manager)實現(xiàn)帶寬管理，通過TMU實現(xiàn)時間同步。Router是USB4的核心，有Host router和Device router兩種類型，包括一個支持點到點、可配置開關，可在雙方適配器之間建立單向邏輯連接。

  以典型USB4 Host為例，內(nèi)部組成包括1個Host Router、1個USB 2.0 Host、1個USB 3.2 Host、1個DisplayPort Source，可選支持PCIE controller，接口速率方面必須支持20G Gen2 x2，可選支持40G Gen3x2，對外物理接口典型支持2個Port，至少一個必須支持DFP，功能上支持Tunnel技術承載來自于DP source、PCIe Controller、SuperSpeed Host的DP、PCIe、USB3.0數(shù)據(jù)包，支持USB2.0 Host功能，可選兼容TBT3產(chǎn)品和USB Type-C Alternate Mode產(chǎn)品(參考“USB 2.0/USB 3.2/USB4數(shù)據(jù)技術對比”)，USB4功能復雜。

  使用復雜技術的產(chǎn)品進行物理層電氣一致性測試難點多，參考“USB4技術變化”，涉及測試點、收發(fā)架構(gòu)、測試模式、測試碼型、測試參數(shù)，另外還有線纜/連接器等變化帶來的測試挑戰(zhàn)。

  其一，要明確電氣一致性測試點，TP1是IC芯片引腳，這個位置通常無法直接探測，對于發(fā)送一致性測試，測試組網(wǎng)環(huán)境僅一種，選擇TP2(以終端PC為例，用插頭夾具測量)和TP3(示波器中嵌入S參數(shù)文件，支持2m和0.8m兩種cable的S參數(shù))，對于接收一致性測試來需要選擇TP3’和TP3，不正確選擇測試點會影響測試結(jié)果，如下是USB4規(guī)范提及的測試點說明：

  圖：USB4物理層電氣一致性測試點

  其二，物理電氣子層發(fā)送加重和接收均衡更復雜。發(fā)送支持16種不同presets，通過3個系數(shù)的FIR濾波器實現(xiàn)，接收支持CTLE和DFE，參考CTLE支持10種模板，可“補償”高頻損耗，參考DFE是1個抽頭的濾波器，可修正碼間干擾影響，該抽頭調(diào)整系數(shù)限制調(diào)整電壓幅度在50mV以內(nèi)。

  其三，測試模式不同，相比USB 3.2，USB4產(chǎn)品都需要硬件控制器借助USB ETT軟件工具配置DUT產(chǎn)生測試碼型和實現(xiàn)誤碼率測試。

  其四，測試碼型復雜，相比USB 3.2，USB4產(chǎn)品要支持并能產(chǎn)生SQ128、PRBS15、PRBS31、SQ2、SQ4、Electrical Idle mode等測試碼型。

  其五，測試參數(shù)復雜，相比USB 3.2，USB4產(chǎn)品測試要進行時域、頻域和BER多方面測試。從時域角度看，支持10Gbps、20Gbps，可選10.3125bps、20.625Gbps;取消LFPS碼型測試，需要去嵌夾具到示波器那段射頻線纜;由于收發(fā)架構(gòu)復雜，Tx一致性測試需要驗證16種presets的Pre-shoot/de-emphasis，P15還需要驗證Swing，增加UI、SSC Phase Deviation(Phase jitter)、Tx Freq Variation Training(僅在包含retimer時需要、考察本地時鐘和恢復時鐘切換)，TJ(要外推到1E-13)、UJ、UDJ、LF-UDJ、DDJ、DCD Jitter(EOJ)、Eye mask(其中Gen3 TP3眼張開度在98mV/27ps對儀器底噪和抖動要求較高)、增加AC Common mode。

  從頻域角度看，增加SDD11和SCC11，SDD11表示差分回波損耗，要通過板級設計約束Tx和Rx差分阻抗，消費類電子產(chǎn)品除交流耦合電容、對地放電電阻外，還會增加防護器件，這對該項測試提出了挑戰(zhàn)，SCC11表示共?；夭〒p耗，要約束并考慮單端阻抗。

  從BER測試看，Rx一致性測試時需要通過SBTRX信號配置被測件進入測試模式并使能內(nèi)置error counter計數(shù)器，測試需要構(gòu)建case1和case2不同損耗場景，這個損耗需要通過20GHz頻率范圍的矢量網(wǎng)絡儀器E5080B進行標定，實時示波器校準case1和case2不同場景下的壓力參數(shù)，case1場景下找到DDJ最小的Preset并以此校準AC CMSI、RJ、PJ并驗證TJ(可調(diào)整RJ或PJ)最終找到符合標準的最小眼張開度的參數(shù)(可調(diào)整幅度)，case2場景類似,在case1和case2場景下連接到DUT進行未編碼的誤碼率測試，這里通過讀取DUT內(nèi)部error counter計算誤碼率是否符合10-12要求。

  其六，同一個物理端口支持不同標準、不同線損，挑戰(zhàn)很大。談到損耗，對比USB 3.2和USB4損耗(參考“USB 3.2與USB4損耗分配對比”)，以Type-C到Type-C互連為例，USB 3.2 10G要求目標總損耗是23 dB，Host/Cable/Device分配是8.5、6、8.5，USB4 10G目標總損耗相同，Host/Cable/Device分配不同(5.5、12、5.5)，USB4 20G目標損耗是22.5，Host/Cable/Device分配是7.5、7.5、7.5,更高速率要克服“長鏈路”影響，鏈路包含DIE的負載、封裝、過孔、走線、連接器、線纜等，會引入阻抗匹配、碼間干擾、串擾等影響，芯片、板卡等設計挑戰(zhàn)大。

  圖：USB 2.0/USB 3.2/USB4數(shù)據(jù)技術對比(摘自www.usb-if.org)

  圖：USB 3.2與UBS4目標損耗對比

  圖：USB4技術變化

  USB4物理層測試方案

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  談到USB4物理層電氣一致性測試，發(fā)送、接收、互連通道都需要關注。

  USB4發(fā)送端一致性測試，要在TP2和TP3進行測量和計算。相比USB 3.2除眼圖、SSC、TJ、RJ、DJ外，值得注意USB4規(guī)范采用了不同的抖動分解方法：TJ分解為UJ(計算/TJ-DDJ)和DDJ(測量)，UJ分解為RJ(測量)和UDJ(計算/UJ-RJ)，另外還有DCD jitter(EOJ)、LF-UDJ、Phase Jitter、Tx Freq Variation、Sdd11/Scc11等相關的測試項目，如下圖是發(fā)送端的測試組網(wǎng)圖：

  圖：USB4發(fā)送端電氣一致性測試組網(wǎng)

  圖：USB4端口回波損耗測試組網(wǎng)

  是德科技研發(fā)的D9040USBC軟件支持Host、Device等不同類型DUT，支持1端口或2端口，每端口可支持1個lane或2個lane，支持10Gb/s、20Gb/s和TBT3的10.3125Gb/s、20.625Gb/s.不僅支持調(diào)試，而且可以搭配USB4控制器和USB ETT工具軟件進行自動化測試，極大提高效率，可以輸出包含測試裕量、測試門限和參考測試源的報告。

  對USB4接收端一致性測試而言，基于M8020A/M8040A誤碼儀和N5991U40A軟件的自動校準、測試的平臺，支持USB4 Router、TBT3 Host、TBT3 Device不同類型的DUT，支持10Gb/s、20Gb/s、10.3125Gb/s、20.625Gb/s 4種速率，支持case1、case2場景，支持BER測試、Multi Error-Busrt測試、Signal Frequency Variation Traing測試等，另外還支持專家模式，可以實現(xiàn)調(diào)測、抖動容限、靈敏度、定制BER測試等，如下是接收端的測試組網(wǎng)圖：

  圖：USB4接收端電氣一致性測試組網(wǎng)

  校準和接收BER測試時，相比USB 3.2，USB4有諸多不同點，新增AC CMSI noise(100mVpp@400MHz)壓力參數(shù)，修改了SSC參數(shù)(32kHz@+300ppm~-5300ppm)，支持2m和0.8m兩種無源線纜構(gòu)建的場景case1和case2，兩種場景對應的channel loss分別是18~19dB@5GHz和16~17dB@10GHz，需要用到20GHz矢量網(wǎng)絡分析儀進行標定，在case1和case2場景下開啟SSC校準壓力參數(shù)涉及DDJ、AC CMSI、RJ、PJ、TJ和Eye，精確校準是測試基礎，BER測試方法也不同，調(diào)用校準參數(shù)，誤碼儀使用校準中選用的Preset和DUT溝通，USB4控制器通過USB ETT軟件使用SBTRX信號配合高速鏈路進行鏈路協(xié)商，誤碼儀根據(jù)協(xié)商情況選擇合適的Preset，之后檢查DUT內(nèi)部error counter計數(shù)器是否正常，并完成計數(shù)器清零，最后進行誤碼率測試(完成PJ:1MHz/2MHz/10MHz/50MHz/100MHz@1E-12)。

  物理層除電氣子層外還有邏輯子層，對于芯片和終端產(chǎn)品調(diào)試還需了解電路上電lane初始化和鏈路建立情況，這就需要熟悉邏輯子層的狀態(tài)機(參考“USB4邏輯子層狀態(tài)機”)包含Disabled、CLd、Training、CL0、Lane Bonding和Low Power這6個狀態(tài)，其中CLd中涉及l(fā)ane初始化相關，Sideband Channel(SBTx和SBRx信號/1Mbps)借助3類事務完成初始化，初始化包括5個階段：P1-初始條件確定、P2-Router探測、P3-USB4端口特性確定、P4-lane參數(shù)同步和發(fā)送開始、P5-lane均衡。

  圖：USB4邏輯子層狀態(tài)機

  基于MXR/V/Z/UXR示波器平臺，借助N7019A硬件和D9010USBP軟件實現(xiàn)對USB4邏輯子層的解析和觸發(fā)設置等，如下圖：

  圖：USB4.0協(xié)議解析與觸發(fā)

  對線纜和連接器等一致性測試，其類型和信號種類復雜多樣，不但包括USB 2.0、USB 3.2、USB4等高速信號而且包括CC、SBU、VBUS等低速信號。表征高速信號的關鍵指標包括ILFit(插損擬合)、IMR(積分多次反射)、IRL(積分回損)、IXT(積分串擾)等，相比線纜通用的S參數(shù)，比如IL、RL等不同，涉及復雜的數(shù)學計算。

  另外還借鑒IEEE 802.3標準引入了COM技術通過SNR指標去評價。是德科技根據(jù)“USB Type-C Cable and Connector Specification“和”USB Type-C Connectors and Cable Assemblies Compliance Document“文檔，基于E5080B 4 Ports/P5000 USB VNA/M9804A Multiport VNA推出了USB Type-C線纜和連接器的一致性測試解決方案。

  圖：USB Type-C線纜和連接器一致性測試方案

  DP2.1技術

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  除支持USB4(Tunnel技術僅支持到DP1.4a/HBR3)，Type-C接口也可支持DP2.1用于音視頻傳輸。DisplayPort的發(fā)起組織是VESA，Genesis、Intel、AMD、Analogix、HP、Dell包括Keysight等都積極參與了標準的制定，其主要優(yōu)勢在于非常高的數(shù)據(jù)速率、方便的連接、完善的內(nèi)容保護及基于包交換的數(shù)據(jù)傳輸方式，支持4對差分通道，可以級聯(lián)多達32個顯示器。

  基于DP技術的通信架構(gòu)需要高速鏈路、低速Aux通道及HPD(全尺寸DP接口需要)等的參與。Aux Channel是差分信號，工作在雙向/1Mbps速率，進行鏈路管理和測試模式控制，可以獲取EDID和DPCD信息，鏈路訓練仍需高速通道參與。DP2.1支持1或2或4 lane通道數(shù)，可選支持SSC、擁有7種不同速率，其中借助Type-C連接器可支持高速率UHBR13.5、UHBR20，編碼使用128b/132b編碼效率提高到97%，同時收發(fā)物理層電氣架構(gòu)也變得復雜，發(fā)送使用3抽頭的FFE實現(xiàn)16種不同presets、接收使用CTLE和DFE的組合來克服高頻損耗，CTLE支持10種不同DC增益電平設置，考慮發(fā)送FFE，組合多達160種。

  DisplayPort物理層電氣一致性測試涉及Source、Sink端測試、連接器/線纜。

  下圖是DisplayPort Source發(fā)送端一致性測試的連接示意圖。和其他的高速串行總線接口發(fā)送端一致性測試方案類似，主要有夾具、低損耗相位匹配電纜(或者SMA/2.92mm探頭套件)、實時示波器組成。

  根據(jù)CTS測試規(guī)范要求(DP2.1 Spec和CTS還未正式發(fā)布)，首先，測試要明確一致性測試點，Source在TP2測試，示波器要支持嵌入S參數(shù)和均衡能力實現(xiàn)TP3及均衡數(shù)據(jù)處理，其次，要求被測設備支持不同速率，比如UHBR10/13.5/20速率，支持測試碼型，比如PRBS15、PRBS31、SQ128，支持SSC，支持P0~P15 Presets，再次，明確測試參數(shù)，遍歷3種不同速率，包括TP2相關：Rise time fall time、EQ(PS/DE/Swing-P15)、Preset Cal(P0~P15)、UI、Main Link Frequency、SSC、Voltage、AC Common Mode、TJ、RJ、UJ、UDJ、ISI、DCD、DDJ、LFUDJ、Eye ;TP3相關：Eye-TP3、Preset&Eq Cal-TP3_EQ、TJ-TP3_EQ、RJ-TP3_EQ、UJ-TP3_EQ、DDJ-TP3_EQ、ISI-TP3_EQ。

  除芯片廠家有專門的軟件，可以配置DUT外，業(yè)內(nèi)通常會使用一個經(jīng)過協(xié)會認證的Reference AUX controller(DPR-100、UCD-323等)，配置示波器的DisplayPort一致性分析軟件D9040DPPPC/D9042DPPC通過AUX channel和DUT通訊，讓被測設備在合適的時間產(chǎn)生相應的相應速率和測試碼型，從而形成一個全自動化的閉環(huán)測試。測試速率多、碼型多、參數(shù)多，僅靠示波器仍需很長時間完成4 lane所有測試，是德科技推出測量解耦方法，示波器順序采集，通過更多外部電腦實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)處理，減少處理時間，提高效率。

  圖：DP一致性測試點和說明

  圖：DP Source電氣一致性測試組網(wǎng)圖

  圖：測量解耦

  對于DP Sink，進行電氣一致性測試，它作為接收機需要一臺能夠激勵信號并且壓力參數(shù)可調(diào)的設備。是德科技的誤碼儀M8000系列，內(nèi)置了經(jīng)過校準的抖動源，可以直接產(chǎn)生帶抖動的信號，如產(chǎn)生RJ、PJ/SJ、ISI的抖動和帶SSC的信號，同時可支持注入AC CMSI干擾。而如何保證Stressed Signal經(jīng)過不同的測試附件和測試夾具，在Sink設備的測試點嚴格滿足CTS的測試規(guī)范要求，就需要在進行Sink設備測試前，用高帶寬示波器對信號進行校準。是德科技N5991DP2A DP2.0 Sink一致性測試軟件，通過圖形化界面，可以準確的控制示波器和誤碼儀的輸出，全自動化完整信號校準。在進行Sink測試時，N5991DP2A軟件控制誤碼儀產(chǎn)生相應的帶壓力的碼型序列通過夾具注入到Sink設備，同時，控制Aux Controller完成和Sink設備的鏈路協(xié)商、Symbol lock和誤碼率測試(DUT內(nèi)有Error Counter)。因此，一個完整的DP Sink測試方案要求有誤碼儀、高帶寬示波器、自動化控制軟件、Aux Controller和必要的測試附件/夾具，如下所示

圖：DP Sink測試組網(wǎng)

  DP souce和sink實現(xiàn)互連，連接器/線纜必不可少，同樣需要網(wǎng)絡儀參考規(guī)范進行一致性測試。速率提高到10G、10.3125G、20G，高速測試的時域和頻域關鍵指標仍然可以借鑒USB Type-C提到的ILFit(插損擬合)、IMR(積分多次反射)、IRL(積分回損)、IXT(積分串擾)等。

  VESA DP2.1規(guī)范也提及增強型的mini DP和全尺寸DP連接可改善鏈路性能支持更高速率。目前DP2.1一致性測試規(guī)范還在制定之中，是德科技參與相關驗證測試，新發(fā)布的D9042DDPC和N5991DP2A可以支持UHBR速率。面對更高速率的接口技術、更復雜的收發(fā)架構(gòu)和新增測試參數(shù)，是德科技可以提供從仿真、調(diào)試、物理層電氣一致性測試到互聯(lián)通道測試等整體方案，如下圖：

  圖：是德科技Type-C整體測試方案框圖

作者：趙傳猛