芯片测试系列讲座又与大家见面了。
本期我们将谈谈基于消费类接口芯片Type-C的市场，以及支持Type-CUSB和显示端口技术。趋势、标准演变、设计和测试挑战以及是德科技解决方案等。
前言
Type-C接口体积小、支持正反插、多用途等特点使其在消费电子行业得到广泛应用，围绕Type-C接口的生态系统正在蓬勃发展。 USB4 仅支持 Type-C 接口。 USB4 V2规范将数据速率提高到80Gbps，极大地提高了消费电子产品的接口性能。以高端笔记本为例，可以通过USB4扩展坞连接高端显示器、移动硬盘盒、U盘等。等外设，满足8K或更高分辨率视频和数据文件同时高速传输的要求。高端游戏显卡通常为双HDMI2.1和双DP1.4a配置，连接不同标准的显示器，以满足流畅清晰的游戏体验。
随着DP V2.1规范的发布，显卡、台式机、笔记本、扩展坞和线缆等支持UHBR速率的产品开始增多。 UHBR信号在4个通道上同时传输，通过认证的DP40和DP80电缆连接到高端显示器，满足8K@60Hz和16K@60Hz等显示要求。目前支持USB4 V2.0和DP V2.1接口的芯片和产品还很少，而且还处于研发阶段。它需要IP核、芯片、产品生态链公司共同推动开发和实施。
USB 和 DisplayPort 的标准演进
USB-IF于2022年10月18日发布了USB4版本2.0规范，取代了USB4版本1.0规范。主要变化包括：
• 数据速率加倍至 80Gbps；
•支持非对称链路；
• 采用Tunneling技术承载PCIe4.0和DP V2.1数据包；
•低功耗状态下不损失时间同步精度；
•支持交替模式。
随着新规范的发布，USB接口将以传输带宽来命名。 USB4 V2.0对应USB 80Gbps，USB4对应USB 40Gbps，USB 3.2 Gen2x2对应20Gbps，USB 3.2 Gen2对应USB 10Gbps，USB 3.2 Gen1对应USB 5Gbps。
来源：USB-IF 和 USB Implementters Forum
VESA 同月发布了 DP V2.1 规范，取代 V2.0，性能和互连与 USB4 V2.0 保持一致。 DP V2.0规范支持128b/132b编码、UHBR10、UHBR13.5和UHBR20速率，可选支持Panel Replay功能（以满足系统功耗降低和未来自适应同步功能），并且必须支持DSC功能。 DP V2.1规范不仅支持DP电缆、USB-C转DP适配器，还支持USB-C电缆。增加了ALPM电源管理功能，可用于Panel Relay和Ad运行时启用aptive-Sync时，考虑到HDMI兼容性，协议转换器还提出了 DP 到 HDMI 的要求。
USB 和 DisplayPort 设计和测试的挑战
USB 和 DP 标准之间的速率变化：
USB-IF在USB4 V2规范中添加了Gen 4模式，将单通道速率提高到25.6GBd。通过建立从 11 位到 7 个 trit 的映射（每个 trit 有 0/1/2 状态），一个符号可以承载 1.57 位。与1.58位的理论极限相比，效率超过99%。信令格式改变。 USB-IF在USB4 V2中首次采用PAM3调制格式。与同幅度的NRZ相比，其信噪比降低了6dB。与PAM4相比，其电平判决阈值和迟滞放宽，噪声容忍度增强。综合考虑性能、Type-C通道、延迟和信噪比等因素，原来的Trit Error Ratio/1E-8是唯一的调制格式。与DP V2.0相比，DP V2.1在速度上没有变化，但在功能和电缆兼容性方面有变化。用于Router/Host/Device/Captive Device和Source/Sink/DP Cable开发的USB4 V2和DP V2.1标准已经发布，但物理层一致性测试标准仍处于草案阶段。
下面基于模拟和测试，从传输、互联、接收三个方面进行介绍。
01发件人：
从仿真角度：需要建立IBIS-AMI模型，并且可以修改其参数以支持NRZ和PAM3调制格式。与V1相比，USB4 V2增加了Gen 4和非对称工作模式。 Gen 4模式单通道速率为25.6GBd/40Gbps。非对称情况下，同时发送3个通道，总速率为120Gbps，接收1个通道，速率为40Gbps。 DP V2.1 UHBR最高速率为20Gbps，4路同时传输。必须严格考虑信号质量、串扰效应、过孔、过孔阵列、布线和特性阻抗等设计约束。
图：过孔阵列设计优化和插入损耗比较[1]
从一致性测试的角度来看：USB4 V2和V1都需要使用协会发布的控制软件。软件通过边带信号写入配置空间寄存器8/9/18，实现端口操作并产生测试信号。 USB4 V2 使用 PRTS7 测试模式，该模式实现多级序列。为了克服PAM3多电平信号的高频损失，USB4 V2 Gen 4 Tx FFE比Gen 3多了一个precusor-c[-2]，Presets数量达到42个，明确了归一化波动范围每个抽头系数。新增TP2多时域测试参数，如电平失配、稳态电压、线性 Fit Pulse、SNDR、ISI Margin等，不再受眼图模板和频域积分回波损耗的约束添加参数。 ，频率覆盖20GHz，差分回波损耗模板测试降为信息性项目，频率覆盖14GHz。与DP V2.0相比，DP V2.1具有相同的速度，并且需要使用协会认证的辅助通道控制器来实现TP2和TP3_EQ自动化测试。 DP V2.1 Tx FFE 预设有 16 种类型。 TP2测试需要DDJ最小的Preset，Reference CTLE有10种。 TP3_EQ 眼图和抖动测试需要 160 个组合中最大的眼图区域组合。测试需要很多时间。 VESA协会也在优化测试方法。
从互连角度来看：USB4 Gen 4仅支持Type-C互连。与Gen3相比，奈奎斯特频点提高了2.8GHz。系统损耗预算比Gen 3宽6dB，并且6dB被分成三等份。分配给主机、电缆和设备。 Host/Device的损耗预算包括封装、pcb线路、共模电感、保护元件、耦合电容、 连接器 。 Gen 4 可以使用 0.8 米 Gen 3 电缆。对于更长距离的传输，需要 LRD 电缆。与 USB 3.2 Type-C 线缆相比，USB 4 Gen 3/Gen 4 Type-C 线缆增加了涵盖频率范围的更严格的集成参数，例如集成多次反射、集成回波损耗、集成串扰等。此外，COM介绍了电缆质量评估方法。 Gen 3 使用 COM，Gen 4 使用 eCOM。与COM相比，eCOM阈值大于等于0dB。该通道仅支持S参数导入，不支持通道特性阻抗、衰减、长度参数。它还添加了接收器抖动和噪声参数。 DP V2.1 UHBR 信号可以通过增强型 DP/mDP 和 Type-C 接口上的 DP40/DP80 电缆互连。 UHBR20 信号包括大约 22.5dB 的源/宿/DP80 端到端损耗预算。 DP40电缆可以支持UHBR10，长度约为1m/1.5m/2m，DP80电缆可以支持UHBR20，并且都有商业认证的产品。 DP40/80 电缆均包含电缆 ID。与DP8K电缆相比，增加了对间时延参数。
图：USB Gen3/20Gbps 近端串扰的影响 [2]
02接收器：
从仿真角度来看，需要支持PAM3接收器内部模块参数调整，如CTLE、AGC、压缩、DFE和CDR。
从接收一致性角度：与校准环境下的Gen 3相比，压力参数ACCM噪声大小保持不变，RJ/PJ大小减小到一半左右，使用时不再明显。图约束，但通过 SNDR/RLM/Jitter 约束。测试场景包括案例1和案例2。案例1为直连。案例 2 包括额外的电缆，包括 USB4 Gen 3 无源电缆互连和 USB Type-C LRD 电缆互连场景。测试条件下，需要支持多种码型和切换。没有SSC的初始PRBS11用于接收机训练。切换到带有校准压力参数和优化预设的 PRTS7 以进行第二次训练。切换到具有预编码和 3400ppm 扩频的 PRTS19 用于案例 1 测试，而具有预编码和 3000ppm 扩频的 SSC 用于案例 2 测试。 DP V2.1 和 DP 1.4a 使用相同的 DPCD 寄存器来控制物理层测试模式。该寄存器在不同的编码（8b/10b 和 128b/130b）下具有不同的功能。 UHBR20 Sink校准参数类型与USB4 Gen 3相同，但TP1和TP3_EQ眼图幅度和眼图宽度略有压缩，链路训练方法已更新，规范要求设备的物理逻辑子层测试必须支持128b/132b LANEx_CHANNEL_EQ_DONE和LANEx_CDS_DONE/LANEx_SYMBOL_LOCKED/INTERLANE_ALIGN_DONE这两个任务，接收到的原始误码率小于等于1E-9，置信度大于99.9%。
是德科技测试解决方案
是德科技提供仿真、物理层发送一致性测试、接收一致性测试和互连一致性测试的整体解决方案。
仿真平台PathWave提供W3801E软件来帮助用户创建和修改USB AMI模型。该软件可支持NRZ和PAM3信号格式，并提供收发器和参考信道模型。以Rx为例，它提供了CTLE功能支持零极点、脉冲响应和阶跃响应方法，AGC功能支持输出摆幅和Alpha参数调整，增益压缩选项支持电路非线性冲击校正，DFE功能支持多抽头系数调节，CDR支持环路滤波器/VCO灵敏度的自动和手动调节，并提供Rx_DCD/Rx_Dj/Rx_Rj/Rx_Noise/Rx_Receiver_Sensitivity保留参数。 DP V2.1技术可以利用该选项完成相应的参数调整。
图：USB4 V2 AMI Modeler-W3801E
基于UXR高性能实时示波器平台，推出D9050USBC物理层一致性测试软件，覆盖USB4 V2.0标准，支持25.6GBd PAM3信号的自动化测试。 D9042DPPC软件也已推出，涵盖DP V2.1标准源码测试。 UXR实时示波器模拟带宽覆盖5GHz~110GHz，集成10位高速ADC，固有抖动小，背景噪声低，支持说明书中提到的噪声去除功能，并能满足未来几年高速信号精确测试的需要。
图：USB4 V2 Tx&DP V2.1 源端测试方案
基于M8040A高性能误码仪平台，推出N5991U42A物理层接收一致性测试软件，可生成USB4 V2.0所需的PAM3格式信号和PRBS/PRTS码型，支持PJ、RJ的注入和SSC压力实现接收抖动容限自动测试。 N5991DP2A软件也已推出，覆盖DP V2.1标准，支持DP V2.1 Sink接收抖动容限测试。
图：USB4 V2 Rx&DP V2.1 Sink 测试计划
推出基于ENA/Streamline USB/PXI矢量网络分析仪和开关矩阵的S94USBCB USB Type-C互连一致性测试软件。它提供向导方便参数配置、校准和测试，并支持去嵌入和AFR功能。可实现精准测量，覆盖USB2/3/4标准，支持Type-C线缆、连接器和裸线测试。
图：USB 等高速互连测试解决方案
综上所述，目前支持USB4 V2.0和DP V2.1接口的芯片和产品较少，且仍处于研发阶段。需要IP核、芯片、产品生态链企业共同推动开发和落地；是德科技作为 USB-IF 和 VESA 的协会成员，一直致力于与业界企业合作，共同推动规范的完善和测试解决方案的发展。有关Type-C的更多信息，请参阅下载信息。
同时，我们也要感谢大家对是德科技的持续支持。我们准备了精美的抽奖。如果您还有更多需求，也可以给我们留言。
审稿编辑：唐子红
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