USB4 LRD Active Cable Test und Zertifizierung

Die Spezifikation des aktiven USB4-Kabels folgt dem USB-Typ-C-Anschluss und der Kabelspezifikation. aktuell ist die neueste Version Rev. 2.1. Die Definition von EPR (Extended Power Range)-Kabel wurde hinzugefügt und die ECN (Engineer Change Notice) früherer aktiver Kabel ist in diese Version integriert. Lassen Sie&einen Blick auf das aktive USB-Typ-C-Kabel werfen.

USB 3.2 Kurzes aktives Kabel

USB4 kurzes aktives Kabel

Optisch isoliertes aktives USB 3.2-Kabel (OIAC)

Darunter ist OIAC ein Glasfaserkabel mit einer Länge von 50 Metern. Derzeit ist definiert, dass es höchstens die Geschwindigkeit von USB 3.2 Gen2 unterstützen kann (aber keine USB2.0- und VBUS-Stromversorgung unterstützt), die hauptsächlich für industrielle Anwendungen, maschinelles Sehen, Fernsensoren, professionelle Video- und medizinische Anwendungen verwendet wird. Die elektrische Spezifikation des linearen optischen aktiven USB4-Kabels wurde jedoch nicht definiert; Als nächstes werden wir den Teil des kurzen aktiven Kabels vorstellen.

Kurzes aktives Kabel aktives Kabel

Innerhalb von 5 Metern Länge

Typ-C mit vollem Funktionsumfang und USB PD 3.0 eMarker sind erforderlich

Es ist erforderlich, um die Zwei-Wege- und positive und negative Einfügung zu unterstützen

Je nach Unterstützungsfunktion kann es in aktive USB 3.2- und USB4-Kabel unterteilt werden

Aktives USB 3.2-Kabel:

-USB 3.2 Gen 2x2 (10GHz Dual Channel) muss unterstützt werden

* aktive Kabel, die nur einen einzelnen Kanal (x1) unterstützen, sind nicht zulässig

-Alt-Modus optionale Unterstützung

Aktives USB4-Kabel:

-Alle USB 3.2 und USB4 Geschwindigkeiten (Dual Channel) müssen unterstützt werden

-Tbt3 Alt-Modus muss unterstützt werden

Die Kabelanforderungen von VBUS, vconn, CC und USB 2.0 entsprechen den Anforderungen von passiven Kabeln

Das aktive Kabel muss von vconn mit Strom versorgt werden

Aktives Kabel enthält Repeater-Komponenten, wie Re-Timer oder Re-Treiber, hauptsächlich für die Hochgeschwindigkeitssignale TX1, TX2, rx1 und rx2. Die Re-Timer-Entwicklung ist komplex und teuer. Das vom Re-Treiber dominierte lineare Re-Driver-Kabel (LRD) hat die Eigenschaften geringer Komplexität, geringer Leistungsaufnahme und geringer Kosten. Obwohl es erst später dem USB-Ökosystem hinzugefügt und in die USB-Typ-C-Spezifikation aufgenommen wurde, wurde das LRD-Kabel zuerst auf den Markt gebracht. Zum Beispiel ist das zwei Meter lange Thunderbolt-4-Kabel mit 40 Gbit/s das LRD-Kabel, das USB4 unterstützt.

Zu den Hauptkomponenten des LRD-Kabels gehören der RX-Equalizer und der Ausgangstreiber, die jeweils für die Kompensation der Kabeldämpfung, die Anpassung der DC-Verstärkung und die Anpassung der Größe der Ausgangsvorverstärkung und des Signals verantwortlich sind, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Da das LRD-Kabel kein CDR (Clock Data Recovery) hat, werden Jitter und Rauschen, die am Kabeleingang empfangen werden, an den Kabelausgang übertragen; Gleichzeitig kann RX EQ auch hochfrequentes Rauschen verstärken; Durch das Hinzufügen aktiver Komponenten wird die Impedanz der Pad-Karte diskontinuierlich; Neben langen Kabeln können im Produktionsprozess leicht Längenfehlanpassungen und ein großer pn-Versatz auftreten, was dazu führt, dass der AC-Gleichtakt die Spezifikation überschreitet. Ausgehend von den obigen Punkten ist bei der Auslegung Folgendes zu berücksichtigen:

Hochfrequentes Rauschen durch Kabel

Ob der EQ im Kabel richtig symmetrisch ist und ob das Signal ungenügend oder übersymmetrisch ist?

Impedanzanpassung zusätzlicher Komponenten im Aktivkabel

Pn-Schräglage des Kabel-Hochgeschwindigkeitspaares

Unterstützung der LRD-Kabelfunktion und eMarker-Ankündigung

Es ist in Tabelle 6-3 des USB-Typ-C-Anschlusses&Ampere angegeben; Kabel Rev 2.1-Spezifikation (wie in Tabelle 2 gezeigt), passives USB4-Kabel und aktives USB4-Kabel (außer OIAC) müssen USB4, usb3, USB2 und tbt3 unterstützen.

Insbesondere ist das USB4-LRD-Kabel ein aktives Kabel, aber in der ID-Header-VDO-Einstellung von eMarker muss B29... B27 als passives Kabel (011b) deklariert und mit passivem Kabel VDO deklariert werden. Da das LRD-Kabel zu einem späteren Zeitpunkt in die USB-Spezifikation aufgenommen wurde, soll es hauptsächlich mit tbt3-Produkten auf dem Markt kompatibel sein. Es muss als passiv deklariert werden. Obwohl der Produkttyp als passiv deklariert ist, wird die tbt3-Erkennung im Kommunikationsprozess von USB4-Erkennung_SVID (0x8087) fortgesetzt und dann beurteilt, ob es sich um"USB4 mit tbt3-Gen3-Aktivkabel" handelt.

Usb-if veröffentlicht neues USB4-Logo und Icon

Usb-if hielt das USB-Devdays-Seminar 2021 in Seattle (30. September bis 1. Oktober) ab und veröffentlichte das neue Logo und Symbol der Nennleistung des USB-Typ-C-Kabels in Kombination mit der EPR-Spezifikation (Extended Power Range), wie in . gezeigt die Tabelle unten, damit Benutzer schnell die von USB-Produkten unterstützte Geschwindigkeit und Leistung erkennen können. Das ursprünglich 100W (20V / 5A) unterstützende Kabel wird nicht mehr verwendet; Kabel, das 5A unterstützt, muss EPR 240W (48V / 5A) unterstützen.

Tabelle 3: Logo und Symbol des neuen zertifizierten USB-Typ-C-Kabels (Quelle: usbdevdays 2021)

Das aktive Kabel des LRD-Kabels fügt einen aktiven Komponententreiber hinzu, um die Kabelträgerlänge zu verlängern. Bei der praktischen Anwendung und bei Zertifizierungstests besteht das Konzept darin, dass die Leistung von LRD-Kabeln mit der von passiven Kabeln übereinstimmen oder sogar besser sein sollte. Das heißt, unter der gleichen Testumgebungseinstellung muss das lrd-Kabel im Vergleich zum passiven Kabel gleich oder besser als das passive Kabel sein.

Zu den Testelementen der LRD-Zertifizierung gehören:

USB-C-Funktionstest

USB PD E-Marker-Test

Aktive Kabelleistung: IR-Drop und Stromverbrauch

Thermischer Überhitzungsschutz

Prüfung der elektrischen LRD-Eigenschaften

LRD-Kabelkompatibilitätstest (noch in Diskussion)

Der detaillierte elektrische Test des LRD-Kabels sieht wie folgt aus:

1. USB-c-Funktionstest

Gemäß der USB-C-Funktionstestspezifikation sieht der Kabeltest wie folgt aus:

TD 4.1.3 Kabeltest ohne Stromversorgung

TD 4.13.5 Kabel EnterUSB und Data Reset Test

TD 4.14.x

TD 4.14.1 Kabel-Vconn-Swap-Test

TD 4.14.2 Kabel-Reset-Test

TD 4.14.3 Kabelwechselmodustest

TD 4.14.4 Kabel USB 3.2 Test

TD 4.14.5 Kabel USB4 Test

2. USB-PD: E-Marker-Test

Testen Sie laut USB PD CTS die folgenden drei Punkte in Bezug auf das Kabel:

Gemeinsame Verfahren und Prüfungen

Spezifische Tests für die Bitübertragungsschicht

Protokollspezifische Tests

Das LRD-Kabel muss tbt3 unterstützen und bestätigen, ob die tbt3-Ankündigung und die SOP-Antwort korrekt sind

Antwort von Cable SOP auf Identitätserkennung

[ID Header VDO] B26 (Modellbetrieb) auf 1b (Alt-Modus) gesetzt

[ID Header VDO] B29..27 (Produkttyp) auf 11b (passives Kabel) eingestellt

[Kabel VDO] B2..0 (USB Höchstgeschwindigkeit) auf 010b (USB3.2/USB4 Gen2) eingestellt

Kabel SOP' TBT Discover Mode VDO-Antwort

B20..19 (gerundet/gerundet& keine) auf 01b (beide) gesetzt

B21 (Optisch/kein) auf 0 (kein) gesetzt

B22 (Re-Timer/Re-Driver) auf 0b (Re-Driver) eingestellt

B23 (Uni/Bidirektional) auf 1b (Uni) eingestellt

B25 (Aktiv/Passiv) bis 1b (Aktiv)

3. Anforderungen an die aktive Kabelleistung

3.1. Die IR-Drop-Spezifikationen von VBUS- und Erdungskabeln sind die gleichen wie bei passiven Kabeln

VBUS IR-Abfall: ≤500 mV

Erdungs-IR-Abfall: ≤250 mV

3.2. Die Stromversorgung des aktiven Kabels erfolgt hauptsächlich über die vconn, und die maximale Leistungsaufnahme ist begrenzt

Leistungsaufnahme von vconn ≤ 1,5 W

4. Thermischer Test

Aus Sicherheitsgründen muss die Temperaturmessung im aktiven Kabel eingestellt werden. Wenn die Oberflächentemperatur der Kunststoffhülle des aktiven Kabels 80 C oder die Metalloberflächentemperatur 55 ˚ C erreicht. Die Datenübertragung über USB 3.2/usb4 muss beendet werden.

Darüber hinaus dürfen die Oberflächentemperatur des aktiven Kabelsteckers und die maximale Betriebstemperatur der Manteloberfläche die Umgebungstemperatur um 30 C nicht überschreiten. Oder die Oberflächentemperatur des Metallmantels 15 ˚ C。

Die Oberflächentemperatur (TS) der Kunststoffhülle des aktiven Kabels umfasst im Wesentlichen die Arbeitstemperatur (TMB) des angeschlossenen Host- und Geräte-Motherboards, der aktiven Komponenten im Kabel und die aktuelle Umgebungstemperatur (TA). Die eigentliche Zertifizierungsprüfung gliedert sich im Wesentlichen in zwei Teile: Oberflächentemperatur (TS) und thermische Abschaltung. Die Testumgebung ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

4.1 Oberflächentemperatur (Ts)

Oberflächentemperatur

Wie in Abbildung 3 gezeigt, testen Sie die Verbindung, simulieren Sie die Hauptplatine des Hosts / Geräts durch die Heizplatine der thermischen Testvorrichtung bei Raumtemperatur und lassen Sie die TMB-Temperatur auf (TA + 25) ° C ansteigen. Schließen Sie dann das aktive Kabel an und stellen Sie die Volllast vom Host zum Gerät (einschließlich gleichzeitiger Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung und PD 100W-Last). Verwenden Sie zu diesem Zeitpunkt die Infrarotkamera, um den Bereich mit der höchsten Temperatur des Kabelsteckers zu ermitteln (Abb. 4) und kleben Sie das"Thermopaar" Patch bei dieser hohen Temperatur für den Temperaturtest (Abb. 5). Erfassen Sie die Oberflächentemperatur der Kunststoffhülle des Kabelsteckers und beurteilen Sie, ob die Prüfung bestanden ist: TS< ta="" +="" 30="" ˚="">

Abbildung 4: Infrarotkamera, um den Bereich mit der höchsten Temperatur zu finden

Abbildung 5:"ThermalCouple" Patch auf die heißeste Stelle geklebt.

4.2 Überhitzungsschutz der thermischen Abschaltung

Die Testumgebung für den Überhitzungsschutz ist die gleiche wie oben. Zusätzlich ist der Heizfleck auf der Kunststoffhülle des Kabelsteckers beschichtet (Abb. 6). Beginnen Sie mit dem Erwärmen des Heizpflasters bei Raumtemperatur. Wenn die Temperatur 85 C erreicht, werden die Testergebnisse ermittelt: Das aktive Kabel muss die USB 3.2/usb4-Datenübertragung stoppen.

Abbildung 6: Flexible Heizfläche

Hinweis: Für aktive thermische Kabeltestgeräte und entsprechendes Zubehör wenden Sie sich bitte an OD Liao@luxshare -ict.com

Elektrischer test

Für LRD-Kabel wird das passive Kabel weiterhin in der USB 2.0-, SBU- und CC-Kabelkonfiguration verwendet. Das Testverfahren und die Spezifikation sind die gleichen wie bei passiven Kabeln. Das High-Speed-Signalpaar TX1 / rx1 / TX2 / rx2 ist mit re-Treiber-aktiven Komponenten bestückt. Die Testspezifikationen entsprechen der LRD Active Cable CTS Version 0.8. Die Testitems gliedern sich im Wesentlichen in die folgenden drei Items:

Frequenzbereichstest

Zeitbereich – Kabel-Standalone-Kabeltest

Zeitbereich – Sehtest am Kabelausgang

5.1 Frequenzbereichstest

Integrierter Return-Loss (IRL)

Integrierte Multireflexion (IMR)

Kanalbetriebsmarge (COM)

Abbildung 7: Anschlussdiagramm der vom VNA des Vektornetzwerkanalysators erfassten S-Parameter

Für Prüfgegenstände im Frequenzbereich ist die Prüfmethode die gleiche wie bei passiven Kabeln. Die S-Parameter werden vom Vektornetzwerkanalysator VNA abgerufen. Es gibt 8 s4p-Dateien (TX1 / rx1 / TX2 / rx2, bidirektional) für Hochgeschwindigkeits-Differentialpaare und über die Software get_iPar_ V0p91a für die Analyse.

5.2 Zeitbereich – Kabel-Standalone-Test

Kabelausfallmaske (DC / F1 / NQ / F2 / F3 / WB): Einfügedämpfung

OUTPUT_ Noise (𝝈): Standardabweichung des Ausgangsrauschens (ohne nichtlineares Rauschen)

SIGMA_ E (𝝈): Standardabweichung des nichtlinearen Ausgangsrauschens

Kabel CM_ Rauschen: AC-Gleichtakt

Der Kabelkörpertest (ohne System-ISI und Jitter) testet hauptsächlich die Einfügedämpfung, das Ausgangsrauschen, das nichtlineare Rauschen und den AC-Gleichtakt des Kabels selbst. Die Testverbindung ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Unter dem TP2-Ausgang (wie in Tabelle 4 gezeigt) Muster, Swing, kein Jitter, kein SSC, keine TX EQ-Einstellungen, wie"Muster: prbs15, swing 800mv, SSC off, Jitter off, Preset 0 [GG ] quot;, der Signalgenerator schließt zuerst das Worst-Case-Passivkabel zum Test an, das Oszilloskop erfasst die Wellenform *. Bin, wechselt dann zum Test auf das LRD-Kabel und führt die folgende Parameteranalyse über die Software durch. Vergleicht dann das LRD-Kabel. Das Testergebnis muss gleich oder besser als das passive Kabel sein. Der Test soll drei Geschwindigkeiten abdecken: USB4 Gen2 / Gen3 und USB 3.2 Gen2.

Hinweis:"Passivkabel im schlimmsten Fall" bezieht sich auf das passive Kabel mit der maximalen Einfügedämpfung innerhalb der Kabelspezifikation, z. B. 1 m USB 3.2 Gen2 Passivkabel, 2 m USB4 Gen2 Passivkabel und 0,8 m USB4 Gen3 Passivkabel.

Abb. 8: Anschlussplan für Kabelkörperprüfung

5.3 Zeitbereich - Kabelausgang Augendiagrammtest

(Kabelausgang Sehtest）

5.3.1. USB4 Gen2 / Gen3 Test:

Der Anschluss des Kabelausgangs-Augendiagrammtests (einschließlich System-ISI und Jitter) ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Testumgebung ist die gleiche wie die Testumgebung für die Authentifizierung des USB4-Hosts / des Geräts RX-Empfängers. Die USB4 RX Testumgebung muss zuerst korrigiert werden. Sie können den Anritsu mp1900-Mustergenerator direkt über die grl-usb4-rx-Test-App steuern, wie in Abbildung 9 gezeigt. Kalibrieren Sie die USB4 RX-Testumgebung mit Keysight oder Tektronix-Oszilloskop.

Schließen Sie nach der Kalibrierung das"passive Kabel im schlimmsten Fall" zuerst während des Tests. Die Testbedingungseinstellung umfasst die Ausgabe von prbs31 im Muster Gen und das Einstellen der USB4-Voreinstellung (insgesamt 16 Gruppen). Nachdem das Signal das Kabel passiert hat, erfassen Sie fünf Wellenformen im Oszilloskop, und 80 Wellenformen müssen in jeder Gruppe mit hoher Geschwindigkeit erfasst werden. Entfernen Sie dann unter denselben Testbedingungen das passive Kabel, ersetzen Sie das LRD-Kabel und erfassen Sie die Wellenform auf dem Oszilloskop; Anschließend wurden Augendiagramm, Augenweite und Augenpartie getestet und mit der USB4 sigtest Software analysiert.

Abbildung 10: USB4 Gen3 / Gen2 Kabelausgang Augendiagramm Testverbindung

USB4-Bestimmung von Gen2/Gen3-Testergebnissen (Durchschnitt von 5 Aufnahmen):

LRD-Kabel beste Augenpartie ≥ passives Kabel beste Augenpartie

Und die Augenbreite des LRD-Kabels 0,9 * passives Kabel

1.3.2. USB-Gen2-Test:

Die Testumgebung ist die gleiche wie die Testumgebung der usb3.2 RX-Empfänger-Authentifizierung. Die USB 3.2 RX Testumgebung muss zuerst korrigiert werden (wie in Abbildung 11 gezeigt). Der Anritsu mp1900 Pattern Generator kann direkt über die grl-usb3-rxtest App automatisch gesteuert und mit Keysight oder Tektronix Oszilloskop kalibriert werden

Wählen Sie nach der Kalibrierung unter den Testbedingungen für USB 3.2 Gen2 RX Rx, um die PJ @ 100 MHz-Umgebung zu kalibrieren. Nachdem das Oszilloskop das Gerät und das LRD-Kabel passiert hat, erfasst es die Wellenform fünfmal und analysiert sie dann mit der Software usb3sigtest und 7 CTLE-Vorlagen. (usb3 sigtest hat anfangs nur ein ctle_5db-Template, und es ist notwendig, ctle_0db ~ ctle_6 DB-Template manuell zu setzen und zu ergänzen)

Beurteilung der USB 3.2 Gen2-Testergebnisse (Durchschnittswert von 5 Aufnahmen):

LRD-Kabel beste Augenpartie ≥ passives Kabel beste Augenpartie

Und die Augenbreite des LRD-Kabels 0,9 * passives Kabel

Zusammenfassung

USB Typ-C wird häufig in Computern und verwandten Peripheriegeräten sowie in passiven Kabeln und aktiven Kabeln verwendet. Einige unterstützen nur USB 2.0 und das Aufladen, andere können USB 3.2 und USB4 unterstützen; Sie alle sind USB-Typ-C-Anschlüsse, die unterschiedliche Funktionen und Geschwindigkeiten unterstützen, was Benutzer leicht verwirren kann. Auch der USB-Verband legt den Fokus auf die Benutzerfreundlichkeit und setzt auf ein Typ-C-Kabel, das allen Anwendungen gewachsen ist. Im aktiven Kabelteil muss die Spezifikation Zwei-Wege-Übertragung, positives und negatives Plug-in, Dual Channel (x2) usw. unterstützen. Am Beispiel des aktiven USB4-LRD-Kabels kann es USB4, USB 3.2, USB 2.0 unterstützen , Thunderbolt 3, PD-Laden usw., um die USB-Typ-C-Anwendung mit einer Leitung zu erfüllen.

Der größte Unterschied zwischen aktivem USB-Typ-C-Kabel und passivem Kabel besteht darin, ob es aktive Komponenten gibt, was auch zu unterschiedlichen Methoden zum Testen von High-Speed-Differenzsignalen führt. Der aktive Kabeltest übernimmt die vorhandene Hochfrequenz-Testmethode von USB4-Host und -Gerät und verwendet einen Hochfrequenz-Signalgenerator und ein Hochfrequenz-Oszilloskop zum Testen. Die Testumgebung und die Methoden sind relativ komplex, GRL bietet automatisierte Testlösungen für USB4-Tests, die die Testkomplexität reduzieren können. GRL verfügt über reiche Erfahrung in der Anpassung von EQ, Verstärkung und anderen Parametern und unterstützt Kunden beim Debuggen. GRL kann auch USB4-Hosts und -Geräte, passive USB4-Kabel, aktive USB4-Kabel und andere Test- und Zertifizierungsdienste anbieten.

Referenz

Spezifikation für USB-Typ-C-Kabel und -Steckverbinder, Version 2.1, Mai 2021

USB-Typ-C-Steckverbinder und -Kabelkonfektionen CTS, Revision 2.1b, Juni 2021

USB4 ™ Thunderbolt3 ™ Kompatibilitätsanforderungen Spezifikation, Version 1.0, Januar 2021.

USB4 ™ Thunderbolt3 ™ Kompatibilität CTS, Revision 1.0, Januar 2021.

USB Power Delivery CTS, Revision: 1.2, Ver 2, 20. Juni 2021

USB-Typ-C-Funktionstestspezifikation, Kapitel 4 und 5, 23. Mai 2021, Rev 0.88