USB-IF協會于2014年發布的Type-C接口是具有突破性的互連標準，其優異的性能、極簡連接以及可擴展和多功能受到整個業內消費者的矚目。近幾年Type-C技術更是憑借以下的諸多優點，在消費類電子行業得到蓬勃發展：

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極簡連接：

相比之前A/B/Mini-B/Micro-B口可以實現約8.3mm x 2.5mm小尺寸、扁平輕薄、支持正反連接。

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可擴展性：

可用于不同終端設備諸如電腦，手機，顯示器，U盤，擴展塢等等。

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多功能性：

支持USB2.0、USB3.2、USB4、DP1.4a、DP 2.0/2.1、PCIe和PD功能。

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生態多樣：

包括芯片和終端產品，比如臺式機及筆記本、手機、擴展塢、U盤、顯示器、嵌入式板卡、無源線纜、有源線纜等。

2021年9月，歐盟委員會正式提出一項議案，將USB Type-C作為智能手機、平板電腦、耳機、便攜式音響、攝像頭和一些電子游戲機的標準接口，此舉旨在減少充電器生產相關的浪費；2021年6月新的USB PD3.1規范，擴展PD3.0支持的供電最大供電瓦數100W到240W(EPR: Extended Power Range)，可以為游戲本、大顯示器等裝置供電。這一系列新的法規的發布將更大地促進Type-C互連技術在整個行業的推廣和普及。

Keysight（是德科技）在業內率先提供了Type-C完整的測試決方案。涵蓋了Type-C USB4, USB3.2, DisplayPort2.1/2.0, DisplayPort1.4, Thunderbolt4/3等接口的收發端及線纜物理層測試、USB4/3.2 仿真、信號完整性和電源完整性仿真、串擾分析、USB Power Delivery 的一致性測試和調試解決方案。受制于篇幅，本文將重點介紹是德科技最新推出的基于網絡分析儀、L8990M開關矩陣系統和S94USBCB全自動測試軟件的USB Type-C互連一致性測試方案。

USB Type-C連接器和電纜組件簡介

USB用于連接和供電設備的幾種電纜連接器類型包括：Type-A、Type-B、Micro-B、Mini-B 等。與這些現有類型的USB電纜相比，USB Type-C電纜具有對稱和可逆的獨特可用性優勢。任何使用計算機和外圍設備的人都知道，USB 標準 A/B 連接器必須單向插入，并且可能需要嘗試幾次才能找到正確的方向。 USB Type-C連接器更容易插入，因為它是對稱的并且可以在任何USB Type-C設備之間的任一方向插入。

設計和測試工程師在將設備接口從4針USB 標準 A/B 連接器更新為24針USBType-C連接器時面臨著若干挑戰。新的USB Type-C連接器和電纜組件引入了一些新的設計以解決標準 A/B 類型連接器/電纜的固有問題，并為啟用 Type-C功能的新產品提供更多特性和功能。

USB Type-C引腳圖。

注意，此對稱接口為正反可插拔的結構

上圖為USB Type-C 連接器的引腳圖。這些引腳的功能概述如下：

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四個高速數據發送/接收對（TX1+/-、RX1+/-、TX2+/-、RX2+/-）

這些引腳可用于高速數據總線或交替 (ALT) 模式。四組發送和接收(Tx/Rx)對允許一個、兩個或所有四個通道隨時用于數據傳輸。USB Type-C連接允許兩種不同的協議(比如PCIE, DisplayPort)同時主動發送和接收，并且支持在未來的USB實現中將單個協議的 Tx/Rx 速度提高一倍(比如下一代的USB標準USB4V2.0)。

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兩個USB2.0差分對 (D+/D-)

USB 2.0數據總線的專用引腳，以確保始終提供USB 2.0向后兼容性。

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四個電源/接地對 (Vbus, GND)

管理多個外圍設備的供電電路，為設備提供電源以使其在設定的功率水平下運行。設備能夠請求所需的功率，并在特定應用需要時獲得更多功率。

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兩個檢測引腳（CC1、CC2），1 個引腳重新用于 Vconn

這些引腳決定了電纜配置和電纜方向檢測。USB Type-C連接器使用單線方向檢測來維持主機到設備的邏輯關系。Type-C電纜中只有一根CC信號線，當電纜組件插入到主機和設備的連接器時，電纜組件的 CC 連接到主機和設備的 CC1 或 CC2，這決定了電纜的方向。另一個主機和設備連接器上的 CC 引腳重新用作 Vconn（5V 電源軌）和GND，用于為有源電纜中的電源電路供電，無需使用來自Vbus的電源。

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兩個輔助總線引腳（SBU1、SBU2）

沒有為當前Type-C連接應用指定的輔助總線或“Sideband”信號。但是，它們可以用于交替模式傳輸或其他未來可擴展性(比如用于DisplayPort Over Type-C傳輸的AUX信道)。

基于USB Type-C互連提供的強大硬件能力，USB Type-C連接器和電纜組件不僅提供向后的 USB 兼容性，而且還增加了電源管理和數據傳輸的功能。 USB Type-C供電提供高達 20 伏、5 安和 100 瓦的動態電源和不同設備的充電。發射器/接收器 (Tx/Rx) 對可用于 USB 或“訪客協議”，例如 DisplayPort、MHL 或 Thunderbolt 數據傳輸，從而可以傳輸除 USB 之外的高速數據、視頻和音頻信號。 USB Type-C數據傳輸速率高達 40 Gbps（USB4 Gen3和Thunderbolt-3 Gen3），未來有能力達到 80 Gbps。這些新功能為設計和測試工程師帶來了更大的挑戰，他們通過執行 USB-IF 標準一致性測試來確保其 USB 通道和設備的互操作性。

以前，USB 連接由電源線和兩條數據線組成，但 USB Type-C通道可以動態改變電源電平和數據信號。建立初始端到端 USB Type-C連接時，使用 CC1/CC2 引腳（配置通道）解析電纜方向，設備確認連接并建立主機/設備角色。然后，供電電路開始通過 Vbus 和 GND 連接管理每個連接設備的電源。各個主機和設備決定使用哪對 Tx/Rx 引腳（SBU1/2 引腳用于“alternate”協議）。 Tx/Rx 引腳可用于 USB 或其他協議，并且引腳可以并行組合以實現更快的數據傳輸。通道功率和信號電平由功率傳輸電路管理，并且可以在連接設備進行充電或新傳輸時發生變化。

使用支持USB Type-C的產品的消費者會發現它們功能更強大，使用更簡單。然而，工程師在測試期間需要管理更多的復雜性，特別是在考慮許多不同的功能場景時，需要在通道中進行全面的測試。

USBType-C互連測試要求和挑戰

如前所述，USB-IF負責制定USB相關的標準，USB Type-C 互連也不例外。Type-C連接器和電纜組件測試主要參考的規范是Universal Serial Bus Type-CCable and Connector Specification和Universal Serial Bus Type-CConnectors and Cable Assemblies Compliance Document。目前最新的版本是Rev.2.1。

USB-IF Type-C互連主要參考規范

前者主要對不同應用場景、不同最高信號傳輸速率條件下的Type-C互連要求做了詳細的規定，其中包括和測試相關的詳細的測試參數、測試條件、測試方法等；后者主要集中在一致性合規測試要求方面。下面我們對這些 Type-C互連測試規范做一個簡單的解讀。

USB Type-C互連類型

USB標準對以下五種Type-C互連類型分別做了詳細的要求：

1.

Type-C to Type-C 電纜組件(Type-C to Type-C Cable Assemblies)

2.

Type-C to傳統電纜組件(Type-C to Legacy Cable Assemblies)

3.

Type-C to 傳統適配器(Type-C to Legacy Adapters)

4.

Type-C 插座連接器（Receptacle Connector）

5.

裸電纜(Raw Cable)

USB Type-C互連支持的最高信號傳輸速率

USB標準對Type-C互連定義了四種需要支持的最高速率：

1.

USB4 Gen3: 20Gbps/Lane

2.

USB4 Gen2 and USB3.2 Gen2: 10Gbps/Lane

3.

USB3.2 Gen1: 5Gbps/Lane

4.

USB2.0: 480Mbps/Lane

USB Type-C標準電纜組件

USB標準對Type-C到Type-C標準電纜組件，主要根據速率的不同，定義了以下幾種規格：其中，USB4 Gen3, USB4 Gen2 and USB3.2 Gen2, USB3.2 Gen1和USB2.0建議最大的無源電纜長度分別是0.8M, 1M, 2M和4M。

USB Type-C標準電纜組件

USB Type-C傳統電纜組件

USB標準對Type-C到傳統電纜組件，主要根據速率和連接器接口類型的不同，定義了以下幾種規格：

USB Type-C傳統電纜組件

USB Type-C電纜和適配器組件中USB2.0和低速信號測試要求

USB Type-CConnectors and Cable Assemblies CTS Test Group B-2定義了USB2.0 D+/D-信號和CC1/CC2、SBU1/SBU2等低速信號的測試要求，其中B-2-5到B-2-13專門針對的是 Type-C to Type-C電纜組件：

USB Type-C電纜和適配器組件USB2.0

和CC/SBU低速信號測試要求

USB Type-C電纜和適配器組件中超高速信號測試要求

USB Type-CConnectors and Cable Assemblies CTS Test Group B-3定義了USB4 Gen2&USB3.2 Gen2, USB3.2 Gen1超高速信號的測試要求，B-4-1定義了針對Type-C互連的電纜屏蔽效能要求：

USB Type-C電纜和適配器組件

超高速信號測試要求

USBType-C電纜組件中USB4 Gen3信號測試要求

USB Type-C Connectors and Cable Assemblies CTS Test Group B-8定義了USB4 Gen3 20Gbps/lane信號的測試要求：

USBType-C電纜組件USB4 Gen3信號測試要求

USBType-C互連測試中一些重要的電氣參數說明

簡單的比較上面的Test Group B-2和B-3 & B-8要求，不難發現：相比較于USB2.0等低速信號，高達10Gbps/lane和20Gbps/lane的超高速信號以及USB4 Gen3信號，對電纜、連接器和信號通道提出了更加嚴苛的要求。除了用網分加TDR選件進行差分阻抗(Differential Impedance)、信號對衰減(D+/D- Pair Attenuation)、信號對傳輸時延(D+/D- Pair Propagation)、信號對內延時差(D+/D- Intra-Pair Skew)、差分插入損耗(Differential Insertion Loss)和差分回波損耗(Differential Insertion Loss)等常規時域測試外，USB標準引入了很多新的電氣參數對Type-C互連進行檢測。比如：插入損耗擬合(Insertion Loss Fit at Nyquist Frequencies, ILfitatNq)、積分總串擾(Integrated Total Crosstalk, IXT_DP/IXT_USB)、積分回波損耗(Integrated Return Loss, IRL)、積分多重反射(Integrated Multi-reflection, IMR)、差模轉共模(Differential to Common Conversion), 信道操作裕量(Channel Operating Margin, COM)等。這些參數基本上是對原始的S參數進行數據后處理重新做數據擬合或積分得到。

USB-IF合規測試工具介紹

USB-IF組織針對上述測試項目，引入了新的合規測試工具對S參數進行后處理，得到Pass或Fail的判斷。對 USB4 Gen3 電纜組件的信道操作裕量 (COM) 和積分串擾等測試，需要基于 Matlab 的新的合規測試工具(Get_iPar.exe)，編譯 44 組 S 參數以進行合規判斷。用戶需要手動設置工具的配置文件來編譯和驗證通過/失敗的判斷。USB4 Gen2/USB3.2 Gen2/USB3.2 Gen1等其他電纜組件類型也需要類似的Matlab 測試工具(IntePar.exe)，編譯30 組S4P參數，用于高速信號測試結果Pass/Fail的判斷。

執行 USB-IF合規測試工具 (Get_iPar) 的手動步驟，用于 USB4 Gen3 高速信號測試(44 套 S4P)和 USB4 LRD 有源電纜測試(28 套 S4P）

傳統的USBType-C互連測試挑戰

通過以上對USBType-C互連測試要求的描述不難發現，使用 4 端口 VNA 并遵循實施方法 (Method of Implementation, MOI) 文檔的傳統 USB Type-C電纜測試方法需要大量端口重新連接才能完成完整的 S4P 測量。這些手動操作可能會導致更長的測試時間，比如嚴格按照USB Type-C互連一致性測試標準對一條 USB4 Gen3 電纜組件高速信號測試就需要使用 4 端口 VNA 進行 44 次端口連接得到44個S參數，然后導入Get_iPar工具進行分析，整個過程大約需要 3 到 5 小時。并且容易出現不必要的人為錯誤，從而使一致性測試變得低效且更具挑戰性。

是德科技USB Type-C互連測試解決方案

方案一

使用4端口 VNA 的一體式解決方案

傳統的連接器和電纜組件一致性測試使用矢量網絡分析儀 (VNA) 進行頻域分析，使用 TDR（時域反射計）示波器進行時域分析。 Keysight ENA 系列網絡分析儀具有增強型時域分析（選項 TDR）應用程序，可提供測量所有合規性參數的一體式解決方案。

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支持實施方法(MOI)文檔，提供一步一步的詳細操作步驟，按照USB-IF一致性測試規范手動測試指定的參數。

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基于支持的 VNA 型號，根據 USB-IF一致性測試規范，提供具有預定義測量參數和測試模板限制的狀態文件。

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可以在如下鏈接找到針對支持的不同VNA型號的USB Type-C連接器和電纜組件 MOI和狀態文檔。(http://www.keysight.com/find/ena-tdr_usbType-C-cabcon)

是德科技VNA +TDR選件的一體式解決方案

推薦的配置如下：

Item

Description

Quantity

Network Analyzer

Min. 4-ports, 20 GHz is recommended as USB4/Type-Ccable/connector requires measurements up to 20 GHz

(Low-speed signal test required start frequency at 300 kHz)

? E5080B-4K0: 4-port test set, 9 kHz to 20 GHz or

? P5024A/P5024B-400 Streamline USB/TBT Series VNA or

? M9804A-400 PXI Multiport VNA

1

VNA

Software

? S9x011B Enhanced time-domain analysis with TDR

? S9x007B Automatic Fixture Removal (Optional)

*Selection is based on the VNA platforms. x=6 for ENA, x=7 for Streamline VNA, x=5 for PXI, x=3 for PNA family

1

ECal

N4433D-010/0DC 4-Ports Electronic Calibration (ECal) Module

1

Test

Fixture

USB Type-Cofficial test fixture

Fixtures for testing USB Type-Cand USB 3.x legacy cable assemblies are available for purchase through LUXSHARE-ICT.

1

Note: The list includes key setup configurations. For full details, please refer to USB Type-CTest MOI.

方案二

使用是德科技USB Type-C自動互連測試解決方案

如果采取方案一，嚴格按照USB Type-C互連一致性測試標準對一條 USB4 Gen3 電纜高速信號測試大約需要 3 到 5 小時。即使不考慮大概率存在的人為操作失誤，測試時間在工程應用中也是不可接受的。真正的多端口 PXI-VNA 可能是一個不錯的選擇，但也會帶來更高的測試成本。

基于此，是德科技推出了USB Type-C自動互連測試解決方案，這種方案是一種包含硬件和軟件的整體方法。除了 VNA 作為主要測試儀器外，還可以選擇使用 4 到 20 端口開關矩陣系統 (L8990M-0LZ) 來實現全端口切換，而無需手動重新連接端口。與幫助客戶滿足大批量生產測試成本預算的 PXI-VNA 相比，開關矩陣系統被認為是一種更實惠的多端口測試解決方案；S94USBCB 一致性測試軟件提供全面的測試覆蓋率和深入的測試結果分析，進一步提高了測試效率。

是德科技 USB Type-C自動一致性

測試解決方案的設置概述

下面對這套解決方案的主要功能做一個詳細介紹：

? 使用設置向導實現快速設置和校準

校準是進行良好 VNA S 參數測量的關鍵過程之一。一致性測試涉及時域和頻域測量，這就需要進行不同的校準步驟。為確保獲得最佳測量結果，S94USBCB 通過自動校準向導很好地處理了這些過程，包括為每個開關路徑校準開關矩陣系統。

L8990-0LZ開關矩陣物理配置

和Tier1&Tier2系統校準說明

? 簡化測試夾具去嵌入步驟以實現高精度測量

傳統的測試夾具去嵌入過程要求用戶將夾具 S2P 文件加載到VNA 固件中，針對時域和頻域測量有不同的設置面板。這些步驟很容易被跳過或容易出現人為錯誤，從而導致測量結果不準確。利用強大的自動夾具移除 (AFR) 軟件，該解決方案包括單端 AFR，用于測量和以數學方式消除 2 端口測試夾具的影響；可以生成夾具的 S2P 文件并將其加載到 VNA 固件中，通過幾個簡單的操作就可以實現夾具去嵌入。

S94USBCB 軟件中的自動校準

和測試夾具去嵌入面板

? 在簡單的工作流程中提供全面的測試覆蓋率

S94USBCB 軟件提供全面的測試覆蓋范圍，以測試各種 USB Type-C電纜組件和連接器。它將超過130頁的測試MOI和近100個測試程序轉換為軟件自動化，大大減少了手動測試流程，避免了可能的操作錯誤。

一致性測試設置面板已將每種電纜組件/連接器類型及其支持的 USB速率合并到不同的測試集和測試組中。用戶只需選擇他們的 DUT 類型，即可加載所需的測試集。測試集基于 CTS 進行分類，默認檢查規范的測試參數。這允許用戶驗證他們的 DUT 是否完全符合USB一致性標準，同時確保設備的互操作性。每個測試集涵蓋的測試參數的詳細信息，請參閱S94USBCB 測試 MOI 。

此外，“優化連接數”功能將通過在具有相似端口連接的測試中刪除冗余測試端口來智能地執行測試優化，將進一步縮短測試吞吐量和整體測試時間。

針對各種電纜組件和連接器類型的

一致性測試設置面板

? 自動化集成USB-IF合規測試工具

USB-IF 提供的合規測試工具是基于 Matlab 的程序，需要在 PC 上運行。它涉及從 VNA 導出的大量S 參數文件和配置文件設置以執行 Matlab 工具，結果驗證基于對工具生成的每個輸出電子表格的自我檢查。通過將 Get_iPar 和 IntePar合規測試工具集成到單個軟件平臺中，用戶只需從測試計劃面板執行測試。 S4P 測量和測試工具編譯將自動運行，測試結果和波形圖合并在測試報告中。4 轉20 端口L8990M 開關矩陣系統的自動化通過消除USB4 Gen3 的44 次端口重連（44 個S4P 文件, 使用Get_iPar 工具）和用于USB4 Gen2/USB 3.2 Gen2/USB3.2 Gen1高速信號測試的30次端口重連（30 個S4P 文件，使用IntePar 工具），進一步提高了測試吞吐量。

在測試工作流程和報告中

集成 USB-IF 合規測試工具

? 通過全面的測試報告提供對測量結果的更深入了解

當前的測試 MOI 方法依靠人工操作來驗證 VNA 和一致性測試工具上的測試Pass/Fail結果。通過一致性軟件自動化，現在用戶只需要執行測試流程，結果判斷就會顯示在測試面板上。該解決方案包括 HTML 報告，該報告提供結果表，其中包含每個測試參數的測試限制、余量、測試描述和通過/失敗狀態。它還捕獲 VNA 測量的波形截圖，以供參考和記錄。測試原始數據（CSV、S4P 文件）將保存在測試目錄中，可用于生產良率分析和數據分析。

使用手動方式和自動化解決方案運行典型的

USB2.0 D+/D- 對內延時差測試

? 強大的調試和實時故障排除能力

增強型 TDR 應用程序已更新用來支持外部 L8990M 開關矩陣控制，用于從VNA 固件進行實時調試（此功能受 VNA 許可證選項 S9x011B 的限制）。這時不需要為 S94USBCB 一致性測試自動化設置任何配置。本部分用于調試目的，允許從增強型 TDR 應用程序窗口進行開關矩陣控制。

增強型 TDR 應用中的開關矩陣選項卡

針對本章開始提及的USB4 Gen3 電纜高速信號測試應用實例，采用是德科技全新的USB Type-C自動互連測試解決方案，測試時間由3~5個小時下降到大約30分鐘內，節省了大約90%的測試時間。

一根 USB4 Gen3 電纜的

高速信號測試的典型測試時間

最后再總結一下是德科技全新的USB Type-C自動互連測試解決方案的特點：

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支持所有 Keysight VNA 的靈活測試配置：E5080B VNA、PNA 系列、P502xA/B Streamline VNA 系列和 PXI-VNA 系列

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使用 Keysight PathWave 測試自動化平臺進行測試排序和測試自動化

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使用 L8990M 4 至 20 端口開關矩陣系統自動執行所有多端口測量

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使用設置向導實現快速設置和校準

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通過測試夾具去嵌入和自動夾具移除 (AFR) 提供準確的測量

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集成 USB-IF合規測試工具（Get_iPar 和 IntePar）以實現完全一致性測試自動化

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通過全面的 HTML 測試報告為您的測量提供更深入的見解

是德科技全新的USB Type-C

4端口半自動化和全自動互連測試解決方案

推薦配置如下：

Supports Mode：

4-Port Semi-Automated Mode

Item

Description

Quantity

Network

Analyzer

4-ports, min 20 GHz is required.

? E5080B-4K0: 4-port test set, 9 kHz to 20 GHz or

? P5024A/P5024B-400 Streamline USB/TBT Series VNA or

? M9804A-400 PXI Multiport VNA

1

VNA

Software

S9x011B Enhanced time-domain analysis with TDR

* Selection is based on the VNA platforms. x=6 for ENA, x=7 for Streamline VNA, x=5 for PXI, x=3 for PNA family

1

S94USBCB - USB Type-CInterconnects Compliance Test Software

1

High-Speed Digital Interconnects Compliance Tests Software Suite

KS8400B - PathWave Test Automation

1

KS8104B - HTML5 Result Listener Plugin

1

ECal

N4433D-010/0DC 4-Ports Electronic Calibration (ECal) Module

1

Test

Fixture

USB Type-Cofficial test fixture

Fixtures for testing USB Type-Cand USB 3.x legacy cable assemblies are available for purchase through LUXSHARE-ICT.

1

Supports Mode：

Fully Automated Mode

Item

Description

Quantity

4-Port mode setup

Using same setup configurations as above 4-port semi-automated mode.

1

Switch

matrix

L8990M-0LZ: 4-to-20 ports switch matrix system, DC-26.5GHz. All required cables (24 test cables and 16 semi-rigid cables) are included.

1

Note: The list includes key setup configurations. For full details, please refer to S94USBCB product datasheet.

小結

隨著USB Type-C技術的日益普及，了解Type-C互連的測試挑戰和解決方案有助于確保成功地對設備進行 USB Type-C集成，縮短產品的上市時間。本文介紹的是德全新的全自動化解決方案，和手動測試相比，可以節省大約90%的測試時間。希望對大家的工作有所幫助！

審核編輯 ：李倩