USB4與TBT4如何挑選最優(yōu)化的Preset來進(jìn)行Transmitter測(cè)試

USB-IF 在 2019 年 9 月發(fā)表 USB4? 規(guī)格，傳輸速率達(dá)到 40Gbps，USB4? 規(guī)格主要依據(jù) Thunderbolt? 3 架構(gòu)設(shè)計(jì)，并且兼容 TBT3。ThunderboltT? 4（以下簡(jiǎn)稱 TBT4）傳輸速度 40Gbps 與 TBT3 相同，其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是支持 TBT3且相容 USB4。由于 USB4 與 TBT4 都源自于 TBT3 的架構(gòu)，所以在電氣（Electrical）測(cè)試部分，整合后的 USB4 電氣測(cè)試規(guī)范成為 USB4、TBT4 以及 TBT3 共同電氣測(cè)試規(guī)范。

嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾姎鉁y(cè)試規(guī)范，會(huì)針對(duì)每款 USB4?/TBT4 產(chǎn)品的輸出訊號(hào)質(zhì)量，個(gè)別設(shè)定最優(yōu)化的初始訊號(hào)，好讓 USB4?產(chǎn)品一接上，就可以快速連接溝通。也就是電氣測(cè)試規(guī)范中 Transmitter Preset Calibration（以下簡(jiǎn)稱 Tx Preset Cal）。

USB4? 規(guī)范中載明，高頻輸出端需支持 16 組 Presets（默認(rèn)值）如下表一，也就意味著有 16 組不同訊號(hào)質(zhì)量的輸出。在 USB4? 電氣訊號(hào)認(rèn)證測(cè)試，到底該選用哪一組 Preset 來測(cè)試，確保輸出訊號(hào)質(zhì)量？還是 16 組 Presets 全測(cè)呢？

Tx Preset Cal 是進(jìn)行傳輸端輸出電氣測(cè)試時(shí)的首要步驟，也是非常重要的一環(huán)，因?yàn)檫x錯(cuò) Preset 來做測(cè)試，可能導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不符合規(guī)范，要避免這樣情形發(fā)生，我們首先需要了解一下訊號(hào)傳輸衰減的原因及解決方法，以便了解訊號(hào)質(zhì)量與 Preset 之間的關(guān)系。

訊號(hào)傳輸衰減原因與解決方法

高速串列傳輸訊號(hào)受限于傳輸信道的帶寬而導(dǎo)致衰減，下（圖一）為訊號(hào)經(jīng)過傳輸信道前、后的衰減結(jié)果。訊號(hào)在經(jīng)過線纜后因?yàn)榻橘|(zhì)的低通性、非理想性、集膚效應(yīng)、阻抗不連續(xù)等效應(yīng)，造成訊號(hào)衰減、反射等問題。且隨著高、低頻訊號(hào)衰減比例差異過大，讓一位訊號(hào)長(zhǎng)度不等于理想的 1UI（Unit Interval 單位周期），使前后的訊號(hào)位成為當(dāng)前訊號(hào)的噪聲，進(jìn)而導(dǎo)致了符碼間干 ISI 效應(yīng)（inter-symbol interference），訊號(hào)在接收端，無法正確判讀 0 或 1。

(圖一） 訊號(hào) ISI 效應(yīng)示意圖–匡選的信號(hào)，臨近判定邏輯一與零的門坎，易導(dǎo)致判讀錯(cuò)誤。

在高頻傳輸中，為了克服信道衰減，讓訊號(hào)正確傳送到接收端，一般采用訊號(hào)均衡器解決訊號(hào)衰減的問題。在USB4 ?規(guī)范里在傳輸端及接收端運(yùn)用均衡器（如圖二），分別是發(fā)送端的 FFE（Feed Forward Equalizer)，接收端CTLE（Continues Time Linear Equalizer）、及 DFE（Decision Feedback Equalizer）。

（圖二）高頻訊號(hào)傳遞處理架構(gòu)圖

在傳輸端 FFE 將訊號(hào)作預(yù)加強(qiáng)（Pre-shoot）、預(yù)衰減（De-emphasis），當(dāng)通道衰減過大，F(xiàn)FE 的等化效果不足以補(bǔ)償通道產(chǎn)生的衰減時(shí)，還需接收端 CTLE 和 DFE 均衡器還原訊號(hào)。兩端的均衡器目的皆是均衡高低頻訊號(hào)在傳輸過程中的損耗，有利于接收正確訊號(hào)。與此同時(shí)也可以得到最佳的眼圖。

USB4? 與 TBT4 如何挑選最優(yōu)化的 Preset 來進(jìn)行 Transmitter 測(cè)試？

USB4? 的傳輸速率每個(gè)通道達(dá)到 20Gbps，如（圖三）所示，訊號(hào)在 Tx 端（TP1）通過 PCB 到 USB Type-C?連接 器，藉由 Tx Preset 適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，在 TP2 所量到的 DDJ（Data Dependent Jitter）將相對(duì)應(yīng)的減小。USB4? 認(rèn)證測(cè)試中的 Tx Preset Cal，測(cè)試 Preset 0 ～ Preset 15，共 16 組 Presets 的 DDJ，需選出最小 DDJ 的 Preset。USB4? 訊號(hào)所支持的速度 10Gbps 及 20Gbps，及通道 Lane 0、Lane 1 需分別進(jìn)行 Tx Preset Cal。

　　（圖三）?測(cè)試點(diǎn)定義

（表二）是待測(cè)物 16 組 Preset 的 DDJ 在 TP2 測(cè)試的結(jié)果，挑選其中最佳的 Preset 1 和最差的 Preset 9 比較其眼圖（如表四），若選錯(cuò) Preset 會(huì)使得 ISI 效應(yīng)無法得到適當(dāng)補(bǔ)償(如 Preset 9，De-emphasis -8.0 dB，低頻預(yù)衰減8dB，過補(bǔ)償，導(dǎo)致低頻訊號(hào)觸碰到中心 eye mask)，眼圖過小且分岔，訊號(hào) DDJ的值超過 SPEC 規(guī)范，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果 FAIL。

（表二） 16 組 presets DDJ 在 TP2 測(cè)試結(jié)果 （USB4 Spec: DDJ≦210 mUI）

（表三）USB4 Tx Preset Cal, Preset-1 與 Presdet-9 測(cè)試結(jié)果比較

選定最佳的 Preset 后，將此 Preset 設(shè)定為 TP2 及 TP3 的開機(jī)默認(rèn)值*（圖四）并以此組默認(rèn)值進(jìn)行所有 USB4? Tx相關(guān)測(cè)試。

（圖四） TP2 與 TP3 設(shè)定同一組 Preset 值

注*：Tx 訊號(hào)質(zhì)量測(cè)試 TP2 與 TP3 皆是以同一組 preset 做測(cè)試，只是在做 Tx TP3 遠(yuǎn)程測(cè)試時(shí)，需另外嵌入 2 米

(for USB4? Gen2)及 0.8 米(for USB4? Gen3) S 參數(shù)進(jìn)行量測(cè)。

總結(jié)：

在 Thunderbolt? 4/USB4? 高頻測(cè)試中，因?yàn)楦哳l訊號(hào)在經(jīng)過信道后大幅衰減，須藉由 Tx FFE 均衡器讓高、低頻成分訊號(hào)得到不同程度的預(yù)補(bǔ)償、預(yù)衰減，解決部分信道導(dǎo)致訊號(hào)衰減的問題。Tx Preset Cal 設(shè)定開機(jī)時(shí)最佳默認(rèn)訊號(hào)，讓您的 Thunderbolt? 4/USB4? 產(chǎn)品可以在最佳訊號(hào)狀態(tài)進(jìn)入鏈接溝通，且順利通過測(cè)試。

責(zé)任編輯:tzh