USB 3.1 Gen 2电缆组装测试挑战解决方案

更高的数据速率 （10 Gbps） 需要新的测试方法来确保互操作性。

在对更多带宽的需求的推动下，高速数字标准继续向更高的数据速率发展。与当前的 5 Gbps USB 3.0 相比，10 Gbps USB 3.1 规范通过实施更高效的数据编码方案提供了两倍以上的实际数据速率。这种更高的数据速率导致对电缆组件的更高要求，以确保互操作性。USB 3.1 中引入了新的测试方法和测量项目。

一般来说，Gen 1 SuperSpeed 或 Gen 1 USB 3 表示 5 Gbps 信号速率。Gen 2 专门指 10 Gbps 信号速率。当与 Gen 1 PHY 一起操作时，当指代架构层部分时使用 SuperSpeed，而 SuperSpeedPlus 指代 Gen 2 PHY 的架构层部分。

USB 3.1 电缆组件提供与 USB 3.0 相同的功能和接口匹配互操作性。主要区别在于 USB 3.1 电缆组件专门用于支持 10 Gbps 数据速率，并且它们包含与改进的射频干扰 （RFI） 性能相关的功能。USB 3.1 电缆/连接器规范中定义的完整测量参数列表如图 1 所示。

图 1： USB 3.1 电缆/连接器测量参数。

有时域和频域测量，分为信息性和规范性要求。提供信息性要求作为设计目标，规范性要求用作符合性测试的通过/失败标准。尽管满足信息设计目标的电缆组件应该通过合规性测试，但这并不是保证。符合性由规范性要求确定。规范性要求通过通道指标管理插入损耗、反射和串扰的影响，并通过模式转换管理 RFI。满足 Gen 2 要求的电缆组件不需要单独测试 Gen 1 合规性。

图 2：使用Keysight ENA Option TDR 的USB 3.1 电缆组件测量示例。测量时域和频域参数以及信息和规范参数，以完全表征设备。

Gen 2 电缆组件测试挑战

由于第 2 代的数据速率翻倍至 10 Gbps，1UI 现在为 100 ps。由于更紧的设备余量，需要改进电缆和连接器的设计。为了管理这些设计挑战并确保互操作性，对规范进行了一些更改。

首先，为了确保测量不受测试环境（例如测试夹具）的影响，需要采用更严格的方法来消除夹具影响。此外，还需要改进通过/失败判断方法。电缆组件的性能受许多参数的影响，例如损耗、反射和串扰。

传统方法包括测量这些参数参数，并测试为每个参数定义的限制。这种方法的局限性在于它不允许在每个测试项目之间进行权衡。由于利润收紧，需要一种新的方法来确保足够的产量。最后，有报道称 USB 3.0 存在 RFI 问题。规范中添加了一个新部分来管理来自电缆组件的 RFI 级别。

从测量中消除夹具效应

需要测试夹具将测试设备连接到电缆组件。在 10 Gbps 数据速率下，必须消除夹具走线的影响。USB 3.1 电缆和连接器合规性规范草案中介绍了“2x thru de-embedding”和“in-fixture TRL 校准”方法。

对于 2x 直通去嵌入，使用电子校准单元 （Ecal） 执行完全校准，以在测试电缆末端建立校准参考平面。然后，对夹具走线的 S 参数进行去嵌入，以将参考平面延伸到 USB 连接器的边缘，从而有效地消除夹具对测量的影响。去嵌入方法的关键是夹具走线的 S 参数的质量。建议使用自动夹具移除 （AFR） 功能来获取这些 S 参数（请注意，AFR 功能在Keysight N1930B 物理层测试系统软件中可用）。

另一种方法是夹具内 TRL 校准，它最初集成到 USB 3.0 规范中，也适用于 USB 3.1 Gen 2。与 2x thru AFR 方法相比，需要额外的标准。完成校准后，参考平面延伸到 USB 连接器的边缘。

图 3 提供了原型 USB 3.1 电缆组件的差分插入损耗测量示例，使用这两种技术来消除夹具的影响。所示的限制适用于 USB Type-C 电缆组件。可以看出，不移除测试夹具效果（红色迹线）可能是测试项目通过和失败之间的区别。AFR（橙色迹线）和 TRL（蓝色迹线）结果相互重叠，在两种方法之间提供了极好的相关性。

图 3：原型 USB 3.1 电缆组件的差分插入损耗测量示例。

新的合规方法

传统上，互连的特点是测量参数参数，例如时域中的阻抗/偏斜和频域中的插入损耗/回波损耗。这种表征的一个挑战是如何将测量结果转换为链路末端的眼图。即使从发射器出来的眼图是已知的，在它穿过通道后，也很难根据参数值计算眼图。归根结底，数字工程师担心睁眼。无法确定此参数是参数测量的限制。

传统参数测量的另一个限制是它不允许在各种测试参数之间进行权衡。例如，损耗较小的通道可以容忍更多的串扰或反射，反之亦然。因为参数规范需要保证勉强通过所有参数测试项目的电缆的互操作性，所以限制设置得比较保守。会有电缆在一个或两个参数测试项目中略微失败，并以足够的余量通过其他项目。因此，有可能拒绝正常工作的电缆组件。

另一种方法开始出现在最新的高速串行标准中，即使用眼图来表征互连。这允许在链路末端直接观察眼睛特征。通过这种称为“受压”眼图分析的测量，预期的最坏情况发射机性能作为“受压”信号应用到电缆组件，并使用眼图评估电缆组件输出。如果互连可以正确传输眼图特性等于或优于接收器输入规定的受压信号，则它应该与任何兼容发送器的信号一起工作。

应力眼图分析的第 2 代实施基于通道度量。三种信号完整性损伤会影响端到端链路性能：衰减、反射和串扰。合规性规范就是关于管理这三种损伤的。为了表示它们，三个参数表示通道度量：在奈奎斯特频率下的插入损耗拟合 （ILfitatNq）、集成多反射 （IMR） 和集成串扰 （IXT）。

ILfitatNq 是通过对插入损耗测量结果应用曲线拟合来计算的。插入损耗测量值与平滑曲线之间的差异，或插入损耗的纹波，代表 IMR。IXT 定义为 Gen 2 信号对之间所有串扰源的积分总和。然后由 USB 3.1 标准工具根据这些 Channel Metrics 执行通过/失败判断。

将测量的电缆组件 S 参数加载到工具中后，将这些参数与参考主机和设备 S 参数相结合，形成完整的通道。然后该工具根据眼高 （eH） 和眼宽 （eW） 执行通过/失败评估。该工具由 USB-IF 提供，将在 USB 电缆连接器合规计划中集成到 Gen 2 合规测试套件中。

注意： eH/eW 和通道指标（ILfitatNq、IMR 和 IXT）之间的相关性是按照 USB-IF 白皮书中描述的方法建立的，用于确定超高速 USB 10 Gbps （USB 3.1） – Gen 2 通道的方法和电缆组件高速合规性。

图 4 显示了 USB 3.1 规范中的几个通过和失败示例。每个图都是根据特定的 ILfitatNq 值计算的。x 轴是 IMR，y 轴是 IXT。绿色区域代表睁眼的通过区域，而红色区域是闭眼的失败区域。通过面积随着 ILfitatNq 的减小而增加。此通过/失败标准允许在 ILfitatNq、IMR 和 IXT 之间进行权衡。例如，如果 IMR 和/或 IXT 更小，电缆组件的损耗可能更大。

图 4：使用 USB-IF 标准工具的通过/失败示例。

管理 RFI

尽管已经应用了一些已知的减少 RF 干扰 （RFI） 的技术，例如扩频时钟和数据加扰，但 USB 3.0 的 RFI 问题已被报告。USB 3.0 主机可能会干扰无线鼠标和键盘等设备。虽然大多数设计良好的无线设备不会停止工作，但它们的范围可能会受到 USB 3.0 设备的射频泄漏的限制。对于 USB 3.1，RFI 通过引入具有更多接地指和更好的整体屏蔽以防止射频泄漏的新标准 A 插座来降低。此外，规范中增加了一个新部分，要求测量电缆屏蔽有效性以管理电缆辐射。

电缆屏蔽有效性测试测量电缆组件的 RFI 水平。为了进行测量，电缆组件安装在电缆屏蔽有效性测试夹具中，该夹具目前由 USB-IF 开发。针对发射和接收信号对测量从差模到电缆屏蔽层 （Ssd12） 和共模到电缆屏蔽层 （Ssc12） 的耦合系数。

已经介绍了几个旨在确保在第 2 代数据速率下的互操作性的关键主题。使用 AFR 和 TRL 校准的 2x thru 去嵌入消除了测试夹具的影响，使您能够测量设备的真实性能。此外，测量方法发生了范式转变，从传统的参数测试到压力眼图测试（基于通道度量）直接与端到端链路性能相关。最后，USB-IF 正在最终确定电缆屏蔽有效性规范，以管理来自电缆组件的 RFI 级别。

审核编辑：郭婷