芯片測(cè)試大講堂系列又和大家見(jiàn)面了。

本期，我們來(lái)聊聊基于消費(fèi)類接口芯片Type-C，以及支持Type-C的技術(shù)規(guī)范USB和DisplayPort技術(shù)，內(nèi)容涉及市場(chǎng)趨勢(shì)，標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)，設(shè)計(jì)與測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)以及是德科技的解決方案等。

前言

Type-C接口尺寸小、支持正反插和多用途使其在消費(fèi)類電子行業(yè)被廣泛使用，圍繞Type-C接口的生態(tài)蓬勃發(fā)展。僅Type-C接口上可支持USB4。USB4 V2規(guī)范將數(shù)據(jù)速率提升至80Gbps使得消費(fèi)電子產(chǎn)品接口性能有極大提升，以高端筆記本為例，可通過(guò)USB4擴(kuò)展塢連接高端顯示器、移動(dòng)硬盤盒及U盤等外設(shè)，滿足8K甚至更高y分辨率視頻、數(shù)據(jù)文件同時(shí)高速傳輸要求。高端游戲顯卡通常是雙HDMI2.1和雙DP1.4a配置，連接不同標(biāo)準(zhǔn)的顯示器，滿足流暢、清晰游戲體驗(yàn)。

隨著DP V2.1規(guī)范發(fā)布，顯卡、臺(tái)式機(jī)、筆記本、擴(kuò)展塢和電纜等支持UHBR速率產(chǎn)品開(kāi)始增多。UHBR信號(hào)4路同時(shí)傳輸，通過(guò)認(rèn)證的DP40、DP80線纜連接高端顯示器，滿足8K@60Hz、16K@60Hz等顯示要求。目前支持USB4 V2.0及DP V2.1接口的芯片與產(chǎn)品較少，仍處在研發(fā)階段，需要IP核、芯片、產(chǎn)品生態(tài)鏈企業(yè)共同推動(dòng)發(fā)展及落地。

USB與DisplayPort的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

USB-IF于2022年10月18日發(fā)布USB4 Version 2.0規(guī)范，替代USB4 Version 1.0規(guī)范，主要變化包括：

?是數(shù)據(jù)速率翻倍到80Gbps；

?支持非對(duì)稱鏈路；

?借助Tunneling技術(shù)承載PCIe4.0、DP V2.1數(shù)據(jù)包；

?在低功耗狀態(tài)仍舊不損失時(shí)間同步精度；

?支持交替模式。

隨著新規(guī)范的發(fā)布，USB接口將統(tǒng)一以傳輸帶寬命名，USB4 V2.0對(duì)應(yīng)USB 80Gbps，USB4對(duì)應(yīng)USB 40Gbps，USB 3.2 Gen2x2對(duì)應(yīng)20Gbps，USB 3.2 Gen2對(duì)應(yīng)USB 10Gbps，USB 3.2 Gen1對(duì)應(yīng)USB 5Gbps。

來(lái)源：USB-IF與USB Implementers Forum

VESA在同月發(fā)布DP V2.1規(guī)范，替代V2.0，性能、互連與USB4 V2.0對(duì)齊。DP V2.0規(guī)范支持128b/132b編碼、UHBR10、UHBR13.5、UHBR20速率，可選支持Pannel Replay功能（滿足系統(tǒng)降功耗和未來(lái)自適應(yīng)同步功能），必須支持DSC能力。DP V2.1規(guī)范不僅支持DP線纜、USB-C to DP適配器，而且支持USB-C線纜，增加了ALPM電源管理功能，可在Pannel Relay及Adaptive-Sync操作時(shí)使能，考慮兼容HDMI，也提出協(xié)議轉(zhuǎn)換器DP到HDMI的要求。

USB與DisplayPort設(shè)計(jì)和測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)

USB與DP標(biāo)準(zhǔn)的速率變化：

USB-IF在USB4 V2規(guī)范中增加Gen 4模式，將單路速率提升至25.6GBd。通過(guò)建立11-bits到7-trits映射(每個(gè)trit有0/1/2狀態(tài))，實(shí)現(xiàn)1個(gè)符號(hào)承載1.57 bits，相比理論極限1.58bits，效率超過(guò)99%。信令格式變化，USB-IF在USB4 V2中首次采用PAM3調(diào)制格式，相比同幅度NRZ，其信噪比下降6dB，與PAM4比較，其電平判決閾值與遲滯放寬，噪聲容忍度增強(qiáng)，是綜合考慮性能、Type-C信道、時(shí)延和信噪比因素滿足原始Trit Error Ratio/1E-8唯一的調(diào)制格式。DP V2.1相比DP V2.0，速率沒(méi)變化，功能及線纜兼容等方面有變化。USB4 V2和DP V2.1用于Router/Host/Device/Captive Device和Source/Sink/DP Cable開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布，但物理層一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)還在草稿階段。

下面結(jié)合仿真和測(cè)試，從發(fā)送、互連和接收三個(gè)方面展開(kāi)介紹。

01發(fā)送端：

從仿真的角度：需構(gòu)建IBIS-AMI模型且可修改其參數(shù)，支持NRZ、PAM3調(diào)制格式。USB4 V2相比V1，增加Gen 4及非對(duì)稱工作模式。Gen 4模式單路速率25.6GBd/40Gbps，在非對(duì)稱情況下，3路同時(shí)發(fā)送，總速率達(dá)120Gbps，1路接收，速率是40Gbps。DP V2.1 UHBR最高速率達(dá)20Gbps，4路同時(shí)傳輸，信號(hào)質(zhì)量、串?dāng)_影響、過(guò)孔、過(guò)孔陣列、走線、特性阻抗等設(shè)計(jì)約束均需嚴(yán)格考慮。

圖：過(guò)孔陣列設(shè)計(jì)優(yōu)化及插損對(duì)比[1]

從一致性測(cè)試的角度：USB4 V2與V1都需使用協(xié)會(huì)發(fā)布的控制軟件。該軟件通過(guò)sideband信號(hào)寫配置空間寄存器8/9/18，實(shí)現(xiàn)port operation，產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)。USB4 V2使用PRTS7測(cè)試碼型，該碼型實(shí)現(xiàn)多電平序列。為克服PAM3多電平信號(hào)高頻損耗，USB4 V2 Gen 4 Tx FFE 比Gen 3多一個(gè)precusor-c[-2]，Preset數(shù)量達(dá)42個(gè)，明確了歸一化的每個(gè)抽頭系數(shù)波動(dòng)范圍。新增TP2多項(xiàng)時(shí)域測(cè)試參數(shù)，比如Level Mismatch、Steady State Voltage、Linear Fit Pulse、SNDR、ISI Margin等，不在使用眼圖模板進(jìn)行約束，增加頻域積分回波損耗參數(shù)，頻率覆蓋到20GHz，差分回波損耗模板測(cè)試降為Informative項(xiàng)，其頻率覆蓋到14GHz。DP V2.1相比DP V2.0速率不變，都需使用協(xié)會(huì)認(rèn)證的aux channel controller實(shí)現(xiàn) TP2及TP3_EQ自動(dòng)化測(cè)試。DP V2.1 Tx FFE Preset達(dá)16種，TP2測(cè)試需使用DDJ最小的Preset，Reference CTLE達(dá)10種，TP3_EQ眼圖與抖動(dòng)測(cè)試需使用160種組合中Eye Area最大的一個(gè)組合，測(cè)試花費(fèi)大量時(shí)間，VESA協(xié)會(huì)也在優(yōu)化測(cè)試方法。

從互連的角度：USB4 Gen 4僅支持Type-C互連，相比Gen3奈奎斯特頻點(diǎn)增加2.8GHz，系統(tǒng)損耗預(yù)算相比Gen 3放寬6dB，6dB三等分分配到Host、Cable及Device。Host/Device的損耗預(yù)算包含封裝、pcb線、共模電感、防護(hù)器件、耦合電容、連接器。Gen 4可使用0.8米Gen 3線纜，若傳輸更遠(yuǎn)距離，需使用LRD線纜。USB 4 Gen 3/Gen 4 Type-C線纜相比USB 3.2 Type-C線纜增加了更嚴(yán)格的覆蓋頻率范圍的積分參數(shù)，比如積分多次反射、積分回波損耗、積分串?dāng)_等。另外還引入COM方法進(jìn)行電纜質(zhì)量評(píng)估。Gen 3使用COM，Gen 4使用eCOM。相比COM，eCOM門限大于等于0 dB，信道僅支持S參數(shù)導(dǎo)入，不支持信道特性阻抗、衰減、長(zhǎng)度參數(shù)，增加了接收端抖動(dòng)和噪聲參數(shù)。DP V2.1 UHBR信號(hào)可在增強(qiáng)型DP/mDP及Type-C接口上通過(guò)DP40/DP80電纜進(jìn)行互連,其中UHBR20信號(hào)包含Source/Sink/DP80端到端損耗預(yù)算約22.5dB。DP40電纜可支持到UHBR10，長(zhǎng)度約1m/1.5m/2m，DP80電纜可支持到UHBR20，兩者已有商用認(rèn)證產(chǎn)品。DP40/80電纜都包含Cable ID，相比DP8K電纜，增加了對(duì)間時(shí)延參數(shù)。

圖：USB Gen3/20Gbps近端串?dāng)_影響[2]

02接收端：

從仿真的角度，需支持PAM3接收機(jī)內(nèi)部模塊參數(shù)調(diào)整，比如CTLE、AGC、Compression、DFE和CDR。

從接收一致性的角度：校準(zhǔn)環(huán)境下Gen 4相比Gen 3，壓力參數(shù)ACCM noise大小不變，RJ/PJ大小降至約一半，不在使用眼圖約束，而是通過(guò)SNDR/RLM/Jitter約束。測(cè)試場(chǎng)景包括case 1和case 2。Case 1是直連。case 2包括額外電纜，有USB4 Gen 3 passive cable互連和USB Type-C LRD Cable互連兩種場(chǎng)景。測(cè)試情況下，需支持多種碼型及切換，初始PRBS11不帶SSC用于接收機(jī)訓(xùn)練，切至PRTS7，帶校準(zhǔn)的壓力參數(shù)和優(yōu)化的Preset用于第2次訓(xùn)練，切至PRTS19，帶pre-coding和3400ppm下展頻的SSC用于Case 1測(cè)試，帶pre-coding和3000ppm的下展頻用于case 2測(cè)試。DP V2.1與DP 1.4a使用相同DPCD寄存器，控制物理層測(cè)試模式，寄存器在不同編碼時(shí)(8b/10b和128b/130b)，功能不同。UHBR20 Sink校準(zhǔn)參數(shù)類型與USB4 Gen 3一樣，但TP1和TP3_EQ眼圖幅度和眼寬略有壓縮，鏈路訓(xùn)練方法有更新，規(guī)范要求被測(cè)件物理邏輯子層必須支持128b/132b LANEx_CHANNEL_EQ_DONE和LANEx_CDS_DONE/LANEx_SYMBOL_LOCKED/INTERLANE_ALIGN_DONE兩個(gè)任務(wù)，接收原始誤碼率小于等于1E-9，置信度大于99.9%。

是德科技測(cè)試方案

是德科技提供仿真、物理層發(fā)送一致性測(cè)試、接收一致性測(cè)試和互連一致性測(cè)試整體方案。

仿真平臺(tái)PathWave可提供W3801E軟件，幫助用戶建立并修改USB AMI模型。該軟件可支持NRZ、PAM3信號(hào)格式，提供收發(fā)及參考信道模型。以Rx為例，提供CTLE功能支持Pole-zero、Impulse response和Step response方法、AGC功能支持Output Swing和Alpha參數(shù)調(diào)整、增益壓縮選項(xiàng)支持電路非線性影響修正、DFE功能支持多抽頭系數(shù)調(diào)整、提供CDR支持自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)整環(huán)路濾波器/VCO靈敏度、提供Rx_DCD/Rx_Dj/Rx_Rj/Rx_Noise/Rx_Receiver_Sensitivity保留參數(shù)。DP V2.1技術(shù)可借助該選件完成相應(yīng)參數(shù)調(diào)整。

圖：USB4 V2 AMI Modeler-W3801E

基于UXR高性能實(shí)時(shí)示波器平臺(tái)推出D9050USBC物理層一致性測(cè)試軟件，覆蓋USB4 V2.0標(biāo)準(zhǔn)，支持25.6GBd PAM3信號(hào)自動(dòng)化測(cè)試。也推出了D9042DPPC軟件，覆蓋DP V2.1標(biāo)準(zhǔn)Source測(cè)試。UXR實(shí)時(shí)示波器模擬帶寬覆蓋5GHz~110GHz，集成10 bit高速ADC，固有抖動(dòng)小，本底噪聲低，支持規(guī)范提及的噪聲移除功能，可滿足未來(lái)多年高速信號(hào)精確測(cè)試。

圖：USB4 V2 Tx&DP V2.1 Source測(cè)試方案

基于M8040A高性能誤碼儀平臺(tái)推出了N5991U42A物理層接收一致性測(cè)試軟件，可產(chǎn)生USB4 V2.0要求的PAM3格式信號(hào)和PRBS/PRTS碼型，并支持注入PJ、RJ及SSC壓力，實(shí)現(xiàn)接收抖動(dòng)容限自動(dòng)測(cè)試。也推出了N5991DP2A軟件，覆蓋DP V2.1標(biāo)準(zhǔn)，支持DP V2.1 Sink接收抖動(dòng)容限測(cè)試。

圖：USB4 V2 Rx&DP V2.1 Sink測(cè)試方案

基于ENA/Streamline USB/PXI矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和開(kāi)關(guān)矩陣推出S94USBCB USB Type-C互連一致性測(cè)試軟件，提供向?qū)Х奖阃瓿蓞?shù)配置、校準(zhǔn)及測(cè)試，支持去嵌入和AFR功能可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，覆蓋USB2/3/4標(biāo)準(zhǔn)，支持 Type-C電纜、連接器和裸線測(cè)試。

圖：USB等高速互連測(cè)試方案

綜上所述，目前支持USB4 V2.0及DP V2.1接口的芯片與產(chǎn)品較少，仍處在研發(fā)階段，需要IP核、芯片、產(chǎn)品生態(tài)鏈企業(yè)共同推動(dòng)發(fā)展及落地；是德科技作為USB-IF與VESA的協(xié)會(huì)成員，一直致力與業(yè)界各企業(yè)協(xié)作，共同推動(dòng)規(guī)范的完善與測(cè)試方案的開(kāi)發(fā)，更多的有關(guān)于Type-C的內(nèi)容，請(qǐng)參考下載資料。

同時(shí)也感謝大家一直以來(lái)對(duì)是德科技的支持，我們準(zhǔn)備了精美的抽獎(jiǎng)，大家如果有更多的需求，也可以留言給我們。

審核編輯：湯梓紅