Type-C新技术与接口芯片
芯片测试大讲堂系列又和大家见面了。
本期，我们来聊聊基于消费类接口芯片Type-C，以及支持Type-C的技术规范USB和DisplayPort技术，内容涉及市场趋势，标准演进，设计与测试面临的挑战以及是德科技的解决方案等。
前言
Type-C接口尺寸小、支持正反插和多用途使其在消费类电子行业被广泛使用，围绕Type-C接口的生态蓬勃发展。仅Type-C接口上可支持USB4。USB4 V2规范将数据速率提升至80Gbps使得消费电子产品接口性能有极大提升，以高端笔记本为例，可通过USB4扩展坞连接高端显示器、移动硬盘盒及U盘等外设，满足8K甚至更高y分辨率视频、数据文件同时高速传输要求。高端游戏显卡通常是双HDMI2.1和双DP1.4a配置，连接不同标准的显示器，满足流畅、清晰游戏体验。
随着DP V2.1规范发布，显卡、台式机、笔记本、扩展坞和电缆等支持UHBR速率产品开始增多。UHBR信号4路同时传输，通过认证的DP40、DP80线缆连接高端显示器，满足8K@60Hz、16K@60Hz等显示要求。目前支持USB4 V2.0及DP V2.1接口的芯片与产品较少，仍处在研发阶段，需要IP核、芯片、产品生态链企业共同推动发展及落地。
USB与DisplayPort的标准演进
USB-IF于2022年10月18日发布USB4 Version 2.0规范，替代USB4 Version 1.0规范，主要变化包括：
•是数据速率翻倍到80Gbps；
•支持非对称链路；
•借助Tunneling技术承载PCIe4.0、DP V2.1数据包；
•在低功耗状态仍旧不损失时间同步精度；
•支持交替模式。
随着新规范的发布，USB接口将统一以传输带宽命名，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与USB Implementers Forum
VESA在同月发布DP V2.1规范，替代V2.0，性能、互连与USB4 V2.0对齐。DP V2.0规范支持128b/132b编码、UHBR10、UHBR13.5、UHBR20速率，可选支持Pannel Replay功能（满足系统降功耗和未来自适应同步功能），必须支持DSC能力。DP V2.1规范不仅支持DP线缆、USB-C to DP适配器，而且支持USB-C线缆，增加了ALPM电源管理功能，可在Pannel Relay及Adaptive-Sync操作时使能，考虑兼容HDMI，也提出协议转换器DP到HDMI的要求。
USB与DisplayPort设计和测试面临的挑战
USB与DP标准的速率变化：
USB-IF在USB4 V2规范中增加Gen 4模式，将单路速率提升至25.6GBd。通过建立11-bits到7-trits映射(每个trit有0/1/2状态)，实现1个符号承载1.57 bits，相比理论极限1.58bits，效率超过99%。信令格式变化，USB-IF在USB4 V2中首次采用PAM3调制格式，相比同幅度NRZ，其信噪比下降6dB，与PAM4比较，其电平判决阈值与迟滞放宽，噪声容忍度增强，是综合考虑性能、Type-C信道、时延和信噪比因素满足原始Trit Error Ratio/1E-8唯一的调制格式。DP V2.1相比DP V2.0，速率没变化，功能及线缆兼容等方面有变化。USB4 V2和DP V2.1用于Router/Host/Device/Captive Device和Source/Sink/DP Cable开发的标准已发布，但物理层一致性测试标准还在草稿阶段。
下面结合仿真和测试，从发送、互连和接收三个方面展开介绍。
01发送端：
从仿真的角度：需构建IBIS-AMI模型且可修改其参数，支持NRZ、PAM3调制格式。USB4 V2相比V1，增加Gen 4及非对称工作模式。Gen 4模式单路速率25.6GBd/40Gbps，在非对称情况下，3路同时发送，总速率达120Gbps，1路接收，速率是40Gbps。DP V2.1 UHBR最高速率达20Gbps，4路同时传输，信号质量、串扰影响、过孔、过孔阵列、走线、特性阻抗等设计约束均需严格考虑。
图：过孔阵列设计优化及插损对比[1]
从一致性测试的角度：USB4 V2与V1都需使用协会发布的控制软件。该软件通过sideband信号写配置空间寄存器8/9/18，实现port operation，产生测试信号。USB4 V2使用PRTS7测试码型，该码型实现多电平序列。为克服PAM3多电平信号高频损耗，USB4 V2 Gen 4 Tx FFE 比Gen 3多一个precusor-c[-2]，Preset数量达42个，明确了归一化的每个抽头系数波动范围。新增TP2多项时域测试参数，比如Level Mismatch、Steady State Voltage、Linear Fit Pulse、SNDR、ISI Margin等，不在使用眼图模板进行约束，增加频域积分回波损耗参数，频率覆盖到20GHz，差分回波损耗模板测试降为Informative项，其频率覆盖到14GHz。DP V2.1相比DP V2.0速率不变，都需使用协会认证的aux channel controller实现 TP2及TP3_EQ自动化测试。DP V2.1 Tx FFE Preset达16种，TP2测试需使用DDJ最小的Preset，Reference CTLE达10种，TP3_EQ眼图与抖动测试需使用160种组合中Eye Area最大的一个组合，测试花费大量时间，VESA协会也在优化测试方法。
从互连的角度：USB4 Gen 4仅支持Type-C互连，相比Gen3奈奎斯特频点增加2.8GHz，系统损耗预算相比Gen 3放宽6dB，6dB三等分分配到Host、Cable及Device。Host/Device的损耗预算包含封装、pcb线、共模电感、防护器件、耦合电容、连接器。Gen 4可使用0.8米Gen 3线缆，若传输更远距离，需使用LRD线缆。USB 4 Gen 3/Gen 4 Type-C线缆相比USB 3.2 Type-C线缆增加了更严格的覆盖频率范围的积分参数，比如积分多次反射、积分回波损耗、积分串扰等。另外还引入COM方法进行电缆质量评估。Gen 3使用COM，Gen 4使用eCOM。相比COM，eCOM门限大于等于0 dB，信道仅支持S参数导入，不支持信道特性阻抗、衰减、长度参数，增加了接收端抖动和噪声参数。DP V2.1 UHBR信号可在增强型DP/mDP及Type-C接口上通过DP40/DP80电缆进行互连,其中UHBR20信号包含Source/Sink/DP80端到端损耗预算约22.5dB。DP40电缆可支持到UHBR10，长度约1m/1.5m/2m，DP80电缆可支持到UHBR20，两者已有商用认证产品。DP40/80电缆都包含Cable ID，相比DP8K电缆，增加了对间时延参数。
图：USB Gen3/20Gbps近端串扰影响[2]
02接收端：
从仿真的角度，需支持PAM3接收机内部模块参数调整，比如CTLE、AGC、Compression、DFE和CDR。
从接收一致性的角度：校准环境下Gen 4相比Gen 3，压力参数ACCM noise大小不变，RJ/PJ大小降至约一半，不在使用眼图约束，而是通过SNDR/RLM/Jitter约束。测试场景包括case 1和case 2。Case 1是直连。case 2包括额外电缆，有USB4 Gen 3 passive cable互连和USB Type-C LRD Cable互连两种场景。测试情况下，需支持多种码型及切换，初始PRBS11不带SSC用于接收机训练，切至PRTS7，带校准的压力参数和优化的Preset用于第2次训练，切至PRTS19，带pre-coding和3400ppm下展频的SSC用于Case 1测试，带pre-coding和3000ppm的下展频用于case 2测试。DP V2.1与DP 1.4a使用相同DPCD寄存器，控制物理层测试模式，寄存器在不同编码时(8b/10b和128b/130b)，功能不同。UHBR20 Sink校准参数类型与USB4 Gen 3一样，但TP1和TP3_EQ眼图幅度和眼宽略有压缩，链路训练方法有更新，规范要求被测件物理逻辑子层必须支持128b/132b LANEx_CHANNEL_EQ_DONE和LANEx_CDS_DONE/LANEx_SYMBOL_LOCKED/INTERLANE_ALIGN_DONE两个任务，接收原始误码率小于等于1E-9，置信度大于99.9%。
是德科技测试方案
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整体方案。
仿真平台PathWave可提供W3801E软件，帮助用户建立并修改USB AMI模型。该软件可支持NRZ、PAM3信号格式，提供收发及参考信道模型。以Rx为例，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参数调整、增益压缩选项支持电路非线性影响修正、DFE功能支持多抽头系数调整、提供CDR支持自动和手动调整环路滤波器/VCO灵敏度、提供Rx_DCD/Rx_Dj/Rx_Rj/Rx_Noise/Rx_Receiver_Sensitivity保留参数。DP V2.1技术可借助该选件完成相应参数调整。
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信号自动化测试。也推出了D9042DPPC软件，覆盖DP V2.1标准Source测试。UXR实时示波器vwin 带宽覆盖5GHz~110GHz，集成10 bit高速ADC，固有抖动小，本底噪声低，支持规范提及的噪声移除功能，可满足未来多年高速信号精确测试。
图：USB4 V2 Tx&DP V2.1 Source测试方案
基于M8040A高性能误码仪平台推出了N5991U42A物理层接收一致性测试软件，可产生USB4 V2.0要求的PAM3格式信号和PRBS/PRTS码型，并支持注入PJ、RJ及SSC压力，实现接收抖动容限自动测试。也推出了N5991DP2A软件，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测试方案
基于ENA/Streamline USB/PXI矢量网络分析仪和开关矩阵推出S94USBCB USB Type-C互连一致性测试软件，提供向导方便完成参数配置、校准及测试，支持去嵌入和AFR功能可实现精确测量，覆盖USB2/3/4标准，支持 Type-C电缆、连接器和裸线测试。
图：USB等高速互连测试方案
综上所述，目前支持USB4 V2.0及DP V2.1接口的芯片与产品较少，仍处在研发阶段，需要IP核、芯片、产品生态链企业共同推动发展及落地；是德科技作为USB-IF与VESA的协会成员，一直致力与业界各企业协作，共同推动规范的完善与测试方案的开发，更多的有关于Type-C的内容，请参考下载资料。
同时也感谢大家一直以来对是德科技的支持，我们准备了精美的抽奖，大家如果有更多的需求，也可以留言给我们。
审核编辑：汤梓红
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