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实时示波器模拟带宽覆盖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。
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Type-C新技术与接口芯片
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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实时示波器模拟带宽覆盖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。
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后端程序员必备的Linux基础知识
OCF目标：一统未来碎片化、多标准物联网江山
【应用场景】安科瑞剩余电流监测仪在路灯照明的应用
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无线信号屏蔽器将会是公平考试的最有利器件
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Vlper12A开关电源芯片在家用洗碗机控制器的应用
AGV地标传感器是什么，它的优势有哪些
如何完成一个FPGA工程？
单片机6位数字钟,digital clock