USB4 Active Cable 最新重點規範
USB速度從最一開始USB 1.1最快的12M，到USB 2.0的480M，再到USB 3.2時期的單lane 10G，一直到最近USB4的單lane 20G。隨著傳輸速度不斷上升，Passive Cable長度也從USB 1.1/ 2.0的最長5m，到USB 3.2 Gen2 Type-C的最長1m，再到USB4 Gen3 Type-C的0.8m（協會建議）。不過，隨著各家廠商Cable產品長度不同，USB協會也歡迎廠商突破建議長度。舉例來說，百佳泰曾協助廠商2.1m（目前全球最長）的Full-Featured USB-C to C Cable (USB4 Gen2) C-C Passive Cable成功取證，另有廠商在百佳泰取得Full-Featured USB-C to C Cable (USB4 Gen3) C-C Passive Cable 1m認證。
USB-IF注意到了Cable長度的問題，便開始著手於Active Cable規範的定義以及認證測試的制定。Active Cable除可以補償因傳輸速度愈來愈高所帶來的Channel Loss，也可以增進整個Ecosystem的Data Signal Integrity。
在2021年2月中旬USB-IF發佈的USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0中，有三個Engineering Change Notice (ECN)跟USB4 Active Cable有關，分別為：
- USB Type-C ECR USB4 Active Cable Requirements
- Section 6.6.5 USB Active Cable Electrical Requirements for LRD-based Cables
- Requirements for USB4™ Re-timer based Active Cables
第一個ECN「USB Type-C ECR USB4 Active Cable Requirements」主要是增加USB4 Short Active Cable的要求，分別針對Table 6-1與Table 6-2修改如下紅字：
Active Cable規格重點節錄
- Active Cable的種類主要以傳輸介質來分類，一種是以光來傳遞資料的方式，稱為Active Optical Cable（AOC），目前只定義到USB 3.2傳送速率。
- 另一種則是以銅加上Re-driver/ Re-timer來傳遞資料的方式，稱為Active Copper Cable（ACC），該Cable長度限制在5m以內。
- 以USB 3.2 ACC以及USB4 ACC來做比對，相異之處在於USB4 ACC多了USB4速度的支援，在Alt mode的支持方面則將Thunderbolt列為必支持。
- 在SBU支持的方面，兩種類ACC Cable在Alt mode下的支持均為非必要，而USB4 ACC在SBU的傳輸可以是Passive，也可以是Active。
- USB 3.2 AOC的長度端賴於是否符合USB 3.2規範的Latency，因為線長過長所以不需要供Vbus，Vconn則規定跟Cable接續的兩個USB devices都需要提供電力給Cable兩端的E-Marker晶片，使PD E-Marker能正常溝通。
- USB 3.2 AOC在CC的PD溝通也規定要使用光來傳輸。
- USB 2.0傳輸在USB 3.2 AOC則不被允許，當偵測到運行速度降到USB 2.0並reset 3次後，需要枚舉USB billboard並跳出警示訊息來警告使用者。
USB4 Linear Re-Driver Cable電氣測試與認證細節
上文談到Type-C Passive Cable發佈2個Engineering Change Notice (ECN)，其中一項新增有關USB4 Active Cable的規範。現在來介紹第二個ECN「USB Active Cable Electrical Requirements for LRD-based Cables」，也就是USB Type-C Linear Re-Driver (LRD) Cable的電氣要求。
USB Type-C Cable and Connector Specification Revision 2.0的第6章，過去只有USB Type-C Re-Timer Cable相關規範。2019年時，Intel本以Re-Timer做為開發重心，但因單價較Re-Driver為高，做成Active Cable之後的單價尤為可觀，故之後均以Re-Driver為重點，USB-IF也藉此ECN補完USB Type-C LRD Cable的Electrical Requirement。
下面節錄Table 1-1與Table 1-2關於LRD Cable的Electrical Requirement：
LDR Cable Compliance與測項進度
根據USB-IF Annual Meeting得到的消息，LRD Cable Compliance包含以下測項，各測項相關進度亦簡述如下：
- USB Type-C Functional: 會利用兩台LeCroy M310P，一台模擬為DFP/ SRC，另一台則模擬為UFP/ SNK來執行相對應速度USB資料傳輸的測試。
- USB PD: 也就是PD E-Marker 測試，USB-IF規劃初期Compliance可能不會執行，某些測試則會用USB Type-C Functional來涵蓋。
- USB Cable and Connector: 參考Passive Cable的標準來執行測試。
- USB Type-C Thermal: Fixture & Chamber Box尚在規劃故沒有進展。
- LRD Electrical: 目前USB 3.2還在每週Working Group的Meeting討論改進。USB4目前最新版是8，稍後會做介紹。
- USB LRD interoperability: 疫情關係造成USB-IF活動全面停辦，相關活動也隨之無法舉辦，端看2021年8月在美國的USB Compliance Workshop是否舉辦來決定。
三大USB4 LRD Cable Electrical Test
- Frequency Domain Test：確保LRD Cable加了Re-driver的每條lane，其高頻特性能儘量符合Passive Cable。
- Time Domain Cable Stand-Alone Test：驗證高速訊號運行在LRD Cable上，其訊號品質能優於Passive Cable。
- Time Domain Cable Output Eye Test：LRD Cable訊號透過Receiver Long Channel所得到的分數能優於Passive Cable。
USB Frequency Domain Test測試重點
Frequency Domain Test目前使用的設備為Keysight E5071C，相信大家應該都不陌生，測試重點請參考如下：
- 需要得到LRD Cable每條lane正向反向的S參數，接著再利用S參數帶入91a來取得測項的運算結果
- 取得S參數時跟Passive Cable一樣，需要De-embedded 治具帶來的影響，取得LRD cable only的S參數。
- 除了取得LRD cable各lane共8個方向的S參數之外，也需要額外取得USB4 Gen3/ Gen2以及USB 3.2 Gen2這些Passive Cable各一lane的S參數，為後續Time Domain Cable Stand-Alone Test做準備。
USB4 Linear Re-Driver Cable Time Domain 測試關鍵
Time Domain的相關測試項目，大致上包含2大部分：Time Domain Cable Stand-Alone Test以及Output Eye Test。
Time Domain Cable Stand-Alone Test
Time Domain Cable Stand-Alone Test使用的設備為Keysight 33GHz Scope與Keysight M8020 with M8062A模組。測試主要是取得LRD Cable Output端各lane trace加上LRD晶片的Noise，以及在USB4與USB 3.2速度下的反應。測試時需要針對LRD Cable的各lane正反向傳輸分別取得下面四個Pattern的波形，再用Get_iPar_v0.91a來判斷：
- 400mV-pk PRBS15的Differential Mode Waveform
- 400mV-pk PRBS15的Common Mode Waveform
- 650mV-pk PRBS15的Differential Mode Waveform
- 150mV-pk SQ512的Differential Mode Waveform
Time Domain Test與Frequency Domain Test相同點之一，需在USB4 Gen3/ Gen2以及USB 3.2 Gen 2這3條Passive Cable各lane取得上述4個波形，搭配Frequency Domain Test所取得的S參數來做運算。
LRD Cable則需要分別在USB4 Gen3/ Gen2以及USB 3.2 Gen 2這3個速度，再加上正反向傳輸以及全部4個lane取得這4個波形，搭配Frequency Domain Test所取得的S參數來做運算。
Time Domain Cable Output Eye Test
Time Domain Cable Output Eye Test是USB4 LRD Electrical裡最花時間的測試。用到的測試設備除了前面Time Domain Cable Stand-Alone Test的Keysight 33GHz scope與Keysight BERT之外，還需要Receiver Long Channel的Fixture Kits。
測試前需要執行USB4 Gen3/ Gen2與USB 3.2 Gen2在Receiver Long Channel的校正。該測試主要是用Receiver Long Channel測試環境，看BERT打出特定amplitude以及jitter量的訊號，經過待測LRD Cable進入scope，在scope經過CTLE與DFE之後眼高與眼寬的乘積（後稱Eye Area Score）是否比Passive Cable所得到的Eye Area Score相同或更好。
USB4因為16組Presets，搭配10組CTLE加DFE，總共需取得160個Eye Area Score。再從中取得個最大的Eye Area Score，做為LRD Cable待測lane的分數。該Eye Area Score並沒有標準，單純代表該lane的分數。因為要執行160次再來比大小，所以一個lane需要5至6小時來完成。
驗證USB 3.2時則需要對SigTest做一些修改，將7組CTLE放入SigTest。和USB4相比，USB 3.2測試不那麼複雜，但也會將待測lane在scope擷取的波形存下來，帶入SigTest套用7組CTLE取得7個Eye Area Score來比大小，最後取得分數最高的Eye Area Score。
測試時一樣要先取得USB4 Gen 3/Gen 2與USB 3.2 Gen 2 Passive Cable其中一lane的最大Eye Area Score，接著改用LRD Cable驗證各lane在各USB速度、正反向傳輸，搭配Presets與CTLE加上DFE所得到最大的Eye Area Score。
百佳泰執行USB4 LRD Cable Electrical Testing相關設備已經準備完畢，日前已協助多家廠商完成測試。各位廠商如果有相關測試需求或對測試內容有疑問，歡迎洽詢百佳泰以取得更多資訊。