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芯片測試大講堂系列又和大家見面了。
本期，我們來聊聊基于消費類接口芯片Type-C，以及支持Type-C的技術(shù)規(guī)范USB和DisplayPort技術(shù)，內(nèi)容涉及市場趨勢，標準演進，設(shè)計與測試面臨的挑戰(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USB4擴展塢連接高端顯示器、移動硬盤盒及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，連接不同標準的顯示器，滿足流暢、清晰游戲體驗。
隨著DP V2.1規(guī)范發(fā)布，顯卡、臺式機、筆記本、擴展塢和電纜等支持UHBR速率產(chǎn)品開始增多。UHBR信號4路同時傳輸，通過認證的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)共同推動發(fā)展及落地。
USB與DisplayPort的標準演進
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對應USB 80Gbps，USB4對應USB 40Gbps，USB 3.2 Gen2x2對應20Gbps，USB 3.2 Gen2對應USB 10Gbps，USB 3.2 Gen1對應USB 5Gbps。
來源：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)降功耗和未來自適應同步功能），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)計和測試面臨的挑戰(zhàn)
USB與DP標準的速率變化：
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。通過建立11-bits到7-trits映射(每個trit有0/1/2狀態(tài))，實現(xiàn)1個符號承載1.57 bits，相比理論極限1.58bits，效率超過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，是綜合考慮性能、Type-C信道、時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開發(fā)的標準已發(fā)布，但物理層一致性測試標準還在草稿階段。
下面結(jié)合仿真和測試，從發(fā)送、互連和接收三個方面展開介紹。
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及非對稱工作模式。Gen 4模式單路速率25.6GBd/40Gbps，在非對稱情況下，3路同時發(fā)送，總速率達120Gbps，1路接收，速率是40Gbps。DP ?V2.1 UHBR最高速率達20Gbps，4路同時傳輸，信號質(zhì)量、串擾影響、過孔、過孔陣列、走線、特性阻抗等設(shè)計約束均需嚴格考慮。
圖：過孔陣列設(shè)計優(yōu)化及插損對比[1]
從一致性測試的角度：USB4 V2與V1都需使用協(xié)會發(fā)布的控制軟件。該軟件通過sideband信號寫配置空間寄存器8/9/18，實現(xiàn)port operation，產(chǎn)生測試信號。USB4 ?V2使用PRTS7測試碼型，該碼型實現(xiàn)多電平序列。為克服PAM3多電平信號高頻損耗，USB4 V2 Gen 4 Tx FFE 比Gen 3多一個precusor-c[-2]，Preset數(shù)量達42個，明確了歸一化的每個抽頭系數(shù)波動范圍。新增TP2多項時域測試參數(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試降為Informative項，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)會認證的aux channel controller實現(xiàn) TP2及TP3_EQ自動化測試。DP V2.1 Tx FFE Preset達16種，TP2測試需使用DDJ最小的Preset，Reference CTLE達10種，TP3_EQ眼圖與抖動測試需使用160種組合中Eye Area最大的一個組合，測試花費大量時間，VESA協(xié)會也在優(yōu)化測試方法。
從互連的角度：USB4 Gen 4僅支持Type-C互連，相比Gen3奈奎斯特頻點增加2.8GHz，系統(tǒng)損耗預算相比Gen 3放寬6dB，6dB三等分分配到Host、Cable及Device。Host/Device的損耗預算包含封裝、pcb線、共模電感、防護器件、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、積分串擾等。另外還引入COM方法進行電纜質(zhì)量評估。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)導入，不支持信道特性阻抗、衰減、長度參數(shù)，增加了接收端抖動和噪聲參數(shù)。DP V2.1 UHBR信號可在增強型DP/mDP及Type-C接口上通過DP40/DP80電纜進行互連,其中UHBR20信號包含Source/Sink/DP80端到端損耗預算約22.5dB。DP40電纜可支持到UHBR10，長度約1m/1.5m/2m，DP80電纜可支持到UHBR20，兩者已有商用認證產(chǎn)品。DP40/80電纜都包含Cable ID，相比DP8K電纜，增加了對間時延參數(shù)。
圖：USB Gen3/20Gbps近端串擾影響[2]
02、接收端：
從仿真的角度，需支持PAM3接收機內(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SNDR/RLM/Jitter約束。測試場景包括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互連兩種場景。測試情況下，需支持多種碼型及切換，初始PRBS11不帶SSC用于接收機訓練，切至PRTS7，帶校準的壓力參數(shù)和優(yōu)化的Preset用于第2次訓練，切至PRTS19，帶pre-coding和3400ppm下展頻的SSC用于Case 1測試，帶pre-coding和3000ppm的下展頻用于case 2測試。DP V2.1與DP 1.4a使用相同DPCD寄存器，控制物理層測試模式，寄存器在不同編碼時(8b/10b和128b/130b)，功能不同。UHBR20 Sink校準參數(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，鏈路訓練方法有更新，規(guī)范要求被測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兩個任務，接收原始誤碼率小于等于1E-9，置信度大于99.9%。
是德科技測試方案
是德科技提供仿真、物理層發(fā)送一致性測試、接收一致性測試和互連一致性測試整體方案。
仿真平臺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支持自動和手動調(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參數(shù)調(diào)整。
圖：USB4 V2 AMI Modeler-W3801E
基于UXR高性能實時示波器平臺推出D9050USBC物理層一致性測試軟件，覆蓋USB4 V2.0標準，支持25.6GBd PAM3信號自動化測試。也推出了D9042DPPC軟件，覆蓋DP V2.1標準Source測試。UXR實時示波器模擬帶寬覆蓋5GHz~110GHz，集成10 bit高速ADC，固有抖動小，本底噪聲低，支持規(guī)范提及的噪聲移除功能，可滿足未來多年高速信號精確測試。
圖：USB4 V2 Tx&DP V2.1 Source測試方案
基于M8040A高性能誤碼儀平臺推出了N5991U42A物理層接收一致性測試軟件，可產(chǎn)生USB4 V2.0要求的PAM3格式信號和PRBS/PRTS碼型，并支持注入PJ、RJ及SSC壓力，實現(xiàn)接收抖動容限自動測試。也推出了N5991DP2A軟件，覆蓋DP V2.1標準，支持DP V2.1 Sink接收抖動容限測試。
圖：USB4 V2 Rx&DP V2.1 Sink測試方案
基于ENA/Streamline USB/PXI矢量網(wǎng)絡分析儀和開關(guān)矩陣推出S94USBCB USB Type-C互連一致性測試軟件，提供向?qū)Х奖阃瓿蓞?shù)配置、校準及測試，支持去嵌入和AFR功能可實現(xiàn)精確測量，覆蓋USB2/3/4標準，支持 Type-C電纜、連接器和裸線測試。
圖：USB等高速互連測試方案
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)共同推動發(fā)展及落地；是德科技作為USB-IF與VESA的協(xié)會成員，一直致力與業(yè)界各企業(yè)協(xié)作，共同推動規(guī)范的完善與測試方案的開發(fā)，更多的有關(guān)于Type-C的內(nèi)容，請參考下載資料。
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參考文獻：
[1] www.keysight.com
[2] Xiang Li,Guobin Liu,Stone Lin.USB4 Cable&Connector Design for Client Systems.
