USB4 Gen4介绍，USB4 Gen4规格的带宽优化方案

USB4 Gen4 介绍

新发布的 USB4 Ver2.0 规格，传输速率再次倍增，来到80 Gbps(40G bps x2)，并以 USB4 Gen4来表示。电气层采用PAM3(Pulse Amplitude Modulation 3-level) 信号编码，如下图所示，利用三个电压状态进行传输，所以会形成上下两个眼图。

每通道以25.6 GBaud进行传输，传送端将二进制 bit信号，透过11-bits to 7-trits (三进制) 的映射配置进行编码，以 PAM3 信号传输，达到双通道80 Gbps传输速度。在接收端部分，Gen4要求在没有FEC（Forward Error Correction向前纠错）的条件下，误码率 TER (Trit Error Ratio) 须以 1E-8 或更低的误码率进行接收。

USB4 Gen4 规格采用不同以往的传输方式，下面先介绍几个常见的专有名词：NRZ vs. PAM3 vs. PAM4。

1.NRZ：Non-Return-to-Zero，也称作 Pulse Amplitude Modulation 2-level (PAM2) 信号，二进制的编码，使用高低准位来代表逻辑 1 与 0。NRZ 每个 Symbol 可以传送1个bit  (log2^2 = 1)。

2.PAM3：Pulse Amplitude Modulation 3-level，3 阶脉冲振幅调变，三进制的编码，通常以 -1，0，+1 或者 0，1，2 来表示 Ternary（3元的）值，PAM3 每个 Symbol 可以传送 1.58个bits (log2^3 = 1.58)。

3.PAM4：Pulse Amplitude Modulation 4-level，4 阶脉冲振幅调变，通常以 00，01，10，11 来表示。PAM4 每个 Symbol 可以传送2个 bits (log2^4 = 2)。

PAM2/PAM3/PAM4 比较

Data Rate 与 Baud Rate

高速总线数据传输速度 Date Rate，通常以 bps (bit per second) 来表示，是指每秒传输的 bit 数。但是随着信号编码的改变，如网通常用 50 GBaud PAM4 传送，可以达到 100 Gbps Data Rate。

Symbol Rate 以 Baud（波特）来表示。1 Baud 等于每秒传输一个 Symbol。而 Data Rate 再依照每个 Symbol 以不同编码机制下所承载的 bit 数来计算。二者换算关系为：

Date Rate = Baud Rate * Symbol承载比特数

当信号编码方式为 NRZ 时，Baud Rate 会等于 Data Rate，如 25.6 GBaud 的 NRZ (PAM2) ，Data Rate为25.6 Gbps (25.6GBaud*log2 2)。

当信号编码方式为 PAM3 时，25.6GBaud PAM3的Data Rate为40.575Gbps(25.6 GBaud*log2^3)。

USB4 Gen4 以 PAM3 信号，25.6 GBaud 速度传输，透过 11-bits 到 7-trits 的映射配置，以 40.2 Gbps Date Rate (25.6 GBaud* 11/7)，达到双通道传输 80 Gbps。

说明：PAM3 Symbol 乘载比特数最高为 1.58 个 bits (log2^3=1.58)，USB4 Gen4 其 Symbol 乘载比特数为 1.57 (11/7 bits)，充分运用 99% PAM3 的传输带宽。

误码率 BER vs. TER

在 NRZ 信号，以 bit 来传输，误码率会以 BER (Bit Error Ratio) 表示。对于 PAM3 以三进制的信号传输，误码率则以 TER (Trit Error Ratio) 表示。其中 trit 为 trinary digit（三进制数）的缩写。

为什么 USB4 Gen4 采用 PAM3？

USB4 Gen4 想要达到 80 Gbps 且沿用与 Gen3 相同的 PCB 线缆，必须采用新的编码方式如 PAM3 或 PAM4，并且从下列两大方向考量：

总损耗考量

信号从 Host的TX 端经由连接器、线缆，再到Device的RX端，以 Gen3 相同线缆及 PCB 最大允许损耗下，若采用 NRZ 以 40 Gbps 传输，其传输损耗在 Nyquist频率 (20GHz) 将会超过 40dB，IC无法补偿此过高损耗，导致信号无法正确接收，NRZ 无法符合 Gen4 要求。而 PAM4 与 PAM3 在 Gen4 Nyquist 频率为 10GHz 与 12.8 GHz，其总传输损耗分别约为 23dB 与 28dB，IC可以补偿此损耗，纳入分析考量。

误码率考量

PAM3 传送眼高为 NRZ 的一半，PAM4 传送眼高为 NRZ 的 1/3，增加接收端还原信号困难度，而 PAM3 在信号噪声失真比 (SNDR) 优于PAM4，经由模拟以及实际线路的实验结果，未编码 BER 分别为 10E-8 与 10E-6，因而选择采用更适合的 PAM3。

USB4 Gen4 规格的「带宽」优化

USB4 Gen4 支援「非对称传输」，速度可提升至 120 Gbps。为了维持高影像解析传输，在高数据传输情况下，不降低显示品质，Gen4 新增非对称传输 (Asymmetric Link)。只有 Gen4 可以支援非对称传输，Gen2 与 Gen3 仅支援对称传输。

对称传输指的是 TX 通道数 (Lane) 与 RX 通道数一致。USB4 Gen4 必须为双通道传输，只有 Gen2 与 Gen3 可以是单通道传输 (1*TX/1*RX)，也就是在 Lane 0 传输、Lane 1 停用的状态下传输；而双通道对称传输 (2*TX/2*RX) 可以在 Gen2、Gen3、Gen4 任何速度运行。Gen4 除了支持对称双通道传输外，为了可以支持高解析度影像 DP 2.1 传输，且同时高速传输数据，Gen4 新增非对称传输，也就是将其中的一对 TX/RX 通道，作为影像传输通道，以 TX/TX 或 RX/RX 传送，如下图 所示。也就是一边传输 “3*TX/1*RX”，而另一边为 “1*TX/3*RX”。使得其在一个方向提供高达120Gbps (40Gbps x3)，同时在另一个方向保持 40Gbps的速率。对称传输转换到非对称传输，是由连接管理 (Connection Manager) 负责控制。

Symmetric and Asymmetric USB4 Link

USB4Gen4新增USB3GenT优化带宽运用，USB4新增支持 USB3 Gen T 隧道协议，主要是让USB3隧道传输可以更充分利用USB4传输带宽。USB3 Gen X 与 USB3 Gen T 是在 USB4 Ver2 中新增的定义，说明如下：

USB3 Gen X：使用现有 USB 3.2 协议的 USB3 隧道架构。

USB3 Gen T：使用修改的 USB 3.2 协议的 USB3 隧道架构，以允许使用 USB4 可用最大带宽。

USB4 需向下相容 USB3，所以在 USB4 Gen2/Gen3 路由器内部，必须配备有 USB3 协议适配器 (USB3 Protocol Adaptor)，将原生的 USB3 协议数据流量和 LFPS 封装在 USB4 数据包中，在 USB4 Ver2 最新规格中将此定义为 USB3 Gen X 隧道协议。

USB3 Gen X 隧道协议下，Hub 只有一个上传的 Embedded SS Hub，即使 Hub 下接装置多通道同时传送，也会被上传 Hub 的带宽限制。如下图左，无法充分利用 USB4 更高的带宽。

USB3 Gen X and USB3 Gen T Tunneling Compare

USB3 Gen T 隧道协议使用 USB 3.2 协议的修改版本，主要透过新增USB3 Gen T 协议适配器来达成，如上图右，若主机和设备都支持 USB3 Gen T，例如 Hub 下接两个装置，且都运行在 20 Gbps (USB3 10G x2)，下接带宽共为 40 Gbps，在 Hub 运作，上传与下传会直接通过（无需经由 USB3 embedded SS hub），使得上传带宽亦可为 40 Gbps，不会受限于原 USB3 Gen X上传 20 Gbps 限制，让 USB3 Tunneling 可以更有效地利用 USB4 的带宽。对 Host、Hub、Device 来说，USB3 Gen T Tunneling 都是可以选择性支持的功能。

结论

USB4 Gen4 传输速度提升到 80 Gbps 并采用 PAM3 编码，新增USB Gen T 与支持非对称传输；测试上由原本只要测试两对 TX/RX，变为4对TX/RX，不只增加了测试时间也增加了测试复杂度。

对于设计团队来说，PAM3 编码是新的挑战，眼高只有原先 NRZ 一半的状况下，信号噪声失真比 (SNDR) 相形重要，更复杂的眼图及抖动测试分析，需要更多时间去摸索。

编辑：黄飞