USB 3.1 Gen 2電纜組裝測(cè)試挑戰(zhàn)解決方案

更高的數(shù)據(jù)速率 （10 Gbps） 需要新的測(cè)試方法來確?；ゲ僮餍?。

在對(duì)更多帶寬的需求的推動(dòng)下，高速數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)向更高的數(shù)據(jù)速率發(fā)展。與當(dāng)前的 5 Gbps USB 3.0 相比，10 Gbps USB 3.1 規(guī)范通過實(shí)施更高效的數(shù)據(jù)編碼方案提供了兩倍以上的實(shí)際數(shù)據(jù)速率。這種更高的數(shù)據(jù)速率導(dǎo)致對(duì)電纜組件的更高要求，以確保互操作性。USB 3.1 中引入了新的測(cè)試方法和測(cè)量項(xiàng)目。

一般來說，Gen 1 SuperSpeed 或 Gen 1 USB 3 表示 5 Gbps 信號(hào)速率。Gen 2 專門指 10 Gbps 信號(hào)速率。當(dāng)與 Gen 1 PHY 一起操作時(shí)，當(dāng)指代架構(gòu)層部分時(shí)使用 SuperSpeed，而 SuperSpeedPlus 指代 Gen 2 PHY 的架構(gòu)層部分。

USB 3.1 電纜組件提供與 USB 3.0 相同的功能和接口匹配互操作性。主要區(qū)別在于 USB 3.1 電纜組件專門用于支持 10 Gbps 數(shù)據(jù)速率，并且它們包含與改進(jìn)的射頻干擾 （RFI） 性能相關(guān)的功能。USB 3.1 電纜/連接器規(guī)范中定義的完整測(cè)量參數(shù)列表如圖 1 所示。

圖 1： USB 3.1 電纜/連接器測(cè)量參數(shù)。

有時(shí)域和頻域測(cè)量，分為信息性和規(guī)范性要求。提供信息性要求作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，規(guī)范性要求用作符合性測(cè)試的通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)。盡管滿足信息設(shè)計(jì)目標(biāo)的電纜組件應(yīng)該通過合規(guī)性測(cè)試，但這并不是保證。符合性由規(guī)范性要求確定。規(guī)范性要求通過通道指標(biāo)管理插入損耗、反射和串?dāng)_的影響，并通過模式轉(zhuǎn)換管理 RFI。滿足 Gen 2 要求的電纜組件不需要單獨(dú)測(cè)試 Gen 1 合規(guī)性。

圖 2：使用Keysight ENA Option TDR 的USB 3.1 電纜組件測(cè)量示例。測(cè)量時(shí)域和頻域參數(shù)以及信息和規(guī)范參數(shù)，以完全表征設(shè)備。

Gen 2 電纜組件測(cè)試挑戰(zhàn)

由于第 2 代的數(shù)據(jù)速率翻倍至 10 Gbps，1UI 現(xiàn)在為 100 ps。由于更緊的設(shè)備余量，需要改進(jìn)電纜和連接器的設(shè)計(jì)。為了管理這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并確保互操作性，對(duì)規(guī)范進(jìn)行了一些更改。

首先，為了確保測(cè)量不受測(cè)試環(huán)境（例如測(cè)試夾具）的影響，需要采用更嚴(yán)格的方法來消除夾具影響。此外，還需要改進(jìn)通過/失敗判斷方法。電纜組件的性能受許多參數(shù)的影響，例如損耗、反射和串?dāng)_。

傳統(tǒng)方法包括測(cè)量這些參數(shù)參數(shù)，并測(cè)試為每個(gè)參數(shù)定義的限制。這種方法的局限性在于它不允許在每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目之間進(jìn)行權(quán)衡。由于利潤收緊，需要一種新的方法來確保足夠的產(chǎn)量。最后，有報(bào)道稱 USB 3.0 存在 RFI 問題。規(guī)范中添加了一個(gè)新部分來管理來自電纜組件的 RFI 級(jí)別。

從測(cè)量中消除夾具效應(yīng)

需要測(cè)試夾具將測(cè)試設(shè)備連接到電纜組件。在 10 Gbps 數(shù)據(jù)速率下，必須消除夾具走線的影響。USB 3.1 電纜和連接器合規(guī)性規(guī)范草案中介紹了“2x thru de-embedding”和“in-fixture TRL 校準(zhǔn)”方法。

對(duì)于 2x 直通去嵌入，使用電子校準(zhǔn)單元 （Ecal） 執(zhí)行完全校準(zhǔn)，以在測(cè)試電纜末端建立校準(zhǔn)參考平面。然后，對(duì)夾具走線的 S 參數(shù)進(jìn)行去嵌入，以將參考平面延伸到 USB 連接器的邊緣，從而有效地消除夾具對(duì)測(cè)量的影響。去嵌入方法的關(guān)鍵是夾具走線的 S 參數(shù)的質(zhì)量。建議使用自動(dòng)夾具移除 （AFR） 功能來獲取這些 S 參數(shù)（請(qǐng)注意，AFR 功能在Keysight N1930B 物理層測(cè)試系統(tǒng)軟件中可用）。

另一種方法是夾具內(nèi) TRL 校準(zhǔn)，它最初集成到 USB 3.0 規(guī)范中，也適用于 USB 3.1 Gen 2。與 2x thru AFR 方法相比，需要額外的標(biāo)準(zhǔn)。完成校準(zhǔn)后，參考平面延伸到 USB 連接器的邊緣。

圖 3 提供了原型 USB 3.1 電纜組件的差分插入損耗測(cè)量示例，使用這兩種技術(shù)來消除夾具的影響。所示的限制適用于 USB Type-C 電纜組件?？梢钥闯?，不移除測(cè)試夾具效果（紅色跡線）可能是測(cè)試項(xiàng)目通過和失敗之間的區(qū)別。AFR（橙色跡線）和 TRL（藍(lán)色跡線）結(jié)果相互重疊，在兩種方法之間提供了極好的相關(guān)性。

圖 3：原型 USB 3.1 電纜組件的差分插入損耗測(cè)量示例。

新的合規(guī)方法

傳統(tǒng)上，互連的特點(diǎn)是測(cè)量參數(shù)參數(shù)，例如時(shí)域中的阻抗/偏斜和頻域中的插入損耗/回波損耗。這種表征的一個(gè)挑戰(zhàn)是如何將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為鏈路末端的眼圖。即使從發(fā)射器出來的眼圖是已知的，在它穿過通道后，也很難根據(jù)參數(shù)值計(jì)算眼圖。歸根結(jié)底，數(shù)字工程師擔(dān)心睜眼。無法確定此參數(shù)是參數(shù)測(cè)量的限制。

傳統(tǒng)參數(shù)測(cè)量的另一個(gè)限制是它不允許在各種測(cè)試參數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡。例如，損耗較小的通道可以容忍更多的串?dāng)_或反射，反之亦然。因?yàn)閰?shù)規(guī)范需要保證勉強(qiáng)通過所有參數(shù)測(cè)試項(xiàng)目的電纜的互操作性，所以限制設(shè)置得比較保守。會(huì)有電纜在一個(gè)或兩個(gè)參數(shù)測(cè)試項(xiàng)目中略微失敗，并以足夠的余量通過其他項(xiàng)目。因此，有可能拒絕正常工作的電纜組件。

另一種方法開始出現(xiàn)在最新的高速串行標(biāo)準(zhǔn)中，即使用眼圖來表征互連。這允許在鏈路末端直接觀察眼睛特征。通過這種稱為“受壓”眼圖分析的測(cè)量，預(yù)期的最壞情況發(fā)射機(jī)性能作為“受壓”信號(hào)應(yīng)用到電纜組件，并使用眼圖評(píng)估電纜組件輸出。如果互連可以正確傳輸眼圖特性等于或優(yōu)于接收器輸入規(guī)定的受壓信號(hào)，則它應(yīng)該與任何兼容發(fā)送器的信號(hào)一起工作。

應(yīng)力眼圖分析的第 2 代實(shí)施基于通道度量。三種信號(hào)完整性損傷會(huì)影響端到端鏈路性能：衰減、反射和串?dāng)_。合規(guī)性規(guī)范就是關(guān)于管理這三種損傷的。為了表示它們，三個(gè)參數(shù)表示通道度量：在奈奎斯特頻率下的插入損耗擬合 （ILfitatNq）、集成多反射 （IMR） 和集成串?dāng)_ （IXT）。

ILfitatNq 是通過對(duì)插入損耗測(cè)量結(jié)果應(yīng)用曲線擬合來計(jì)算的。插入損耗測(cè)量值與平滑曲線之間的差異，或插入損耗的紋波，代表 IMR。IXT 定義為 Gen 2 信號(hào)對(duì)之間所有串?dāng)_源的積分總和。然后由 USB 3.1 標(biāo)準(zhǔn)工具根據(jù)這些 Channel Metrics 執(zhí)行通過/失敗判斷。

將測(cè)量的電纜組件 S 參數(shù)加載到工具中后，將這些參數(shù)與參考主機(jī)和設(shè)備 S 參數(shù)相結(jié)合，形成完整的通道。然后該工具根據(jù)眼高 （eH） 和眼寬 （eW） 執(zhí)行通過/失敗評(píng)估。該工具由 USB-IF 提供，將在 USB 電纜連接器合規(guī)計(jì)劃中集成到 Gen 2 合規(guī)測(cè)試套件中。

注意： eH/eW 和通道指標(biāo)（ILfitatNq、IMR 和 IXT）之間的相關(guān)性是按照 USB-IF 白皮書中描述的方法建立的，用于確定超高速 USB 10 Gbps （USB 3.1） – Gen 2 通道的方法和電纜組件高速合規(guī)性。

圖 4 顯示了 USB 3.1 規(guī)范中的幾個(gè)通過和失敗示例。每個(gè)圖都是根據(jù)特定的 ILfitatNq 值計(jì)算的。x 軸是 IMR，y 軸是 IXT。綠色區(qū)域代表睜眼的通過區(qū)域，而紅色區(qū)域是閉眼的失敗區(qū)域。通過面積隨著 ILfitatNq 的減小而增加。此通過/失敗標(biāo)準(zhǔn)允許在 ILfitatNq、IMR 和 IXT 之間進(jìn)行權(quán)衡。例如，如果 IMR 和/或 IXT 更小，電纜組件的損耗可能更大。

圖 4：使用 USB-IF 標(biāo)準(zhǔn)工具的通過/失敗示例。

管理 RFI

盡管已經(jīng)應(yīng)用了一些已知的減少 RF 干擾 （RFI） 的技術(shù)，例如擴(kuò)頻時(shí)鐘和數(shù)據(jù)加擾，但 USB 3.0 的 RFI 問題已被報(bào)告。USB 3.0 主機(jī)可能會(huì)干擾無線鼠標(biāo)和鍵盤等設(shè)備。雖然大多數(shù)設(shè)計(jì)良好的無線設(shè)備不會(huì)停止工作，但它們的范圍可能會(huì)受到 USB 3.0 設(shè)備的射頻泄漏的限制。對(duì)于 USB 3.1，RFI 通過引入具有更多接地指和更好的整體屏蔽以防止射頻泄漏的新標(biāo)準(zhǔn) A 插座來降低。此外，規(guī)范中增加了一個(gè)新部分，要求測(cè)量電纜屏蔽有效性以管理電纜輻射。

電纜屏蔽有效性測(cè)試測(cè)量電纜組件的 RFI 水平。為了進(jìn)行測(cè)量，電纜組件安裝在電纜屏蔽有效性測(cè)試夾具中，該夾具目前由 USB-IF 開發(fā)。針對(duì)發(fā)射和接收信號(hào)對(duì)測(cè)量從差模到電纜屏蔽層 （Ssd12） 和共模到電纜屏蔽層 （Ssc12） 的耦合系數(shù)。

已經(jīng)介紹了幾個(gè)旨在確保在第 2 代數(shù)據(jù)速率下的互操作性的關(guān)鍵主題。使用 AFR 和 TRL 校準(zhǔn)的 2x thru 去嵌入消除了測(cè)試夾具的影響，使您能夠測(cè)量設(shè)備的真實(shí)性能。此外，測(cè)量方法發(fā)生了范式轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的參數(shù)測(cè)試到壓力眼圖測(cè)試（基于通道度量）直接與端到端鏈路性能相關(guān)。最后，USB-IF 正在最終確定電纜屏蔽有效性規(guī)范，以管理來自電纜組件的 RFI 級(jí)別。

審核編輯：郭婷