更高的數據速率 （10 Gbps） 需要新的測試方法來確保互操作性。

在對更多帶寬的需求的推動下，高速數字標準繼續向更高的數據速率發展。與當前的 5 Gbps USB 3.0 相比，10 Gbps USB 3.1 規范通過實施更高效的數據編碼方案提供了兩倍以上的實際數據速率。這種更高的數據速率導致對電纜組件的更高要求，以確保互操作性。USB 3.1 中引入了新的測試方法和測量項目。

一般來說，Gen 1 SuperSpeed 或 Gen 1 USB 3 表示 5 Gbps 信號速率。Gen 2 專門指 10 Gbps 信號速率。當與 Gen 1 PHY 一起操作時，當指代架構層部分時使用 SuperSpeed，而 SuperSpeedPlus 指代 Gen 2 PHY 的架構層部分。

USB 3.1 電纜組件提供與 USB 3.0 相同的功能和接口匹配互操作性。主要區別在于 USB 3.1 電纜組件專門用于支持 10 Gbps 數據速率，并且它們包含與改進的射頻干擾 （RFI） 性能相關的功能。USB 3.1 電纜/連接器規范中定義的完整測量參數列表如圖 1 所示。

圖 1： USB 3.1 電纜/連接器測量參數。

有時域和頻域測量，分為信息性和規范性要求。提供信息性要求作為設計目標，規范性要求用作符合性測試的通過/失敗標準。盡管滿足信息設計目標的電纜組件應該通過合規性測試，但這并不是保證。符合性由規范性要求確定。規范性要求通過通道指標管理插入損耗、反射和串擾的影響，并通過模式轉換管理 RFI。滿足 Gen 2 要求的電纜組件不需要單獨測試 Gen 1 合規性。

圖 2：使用Keysight ENA Option TDR 的USB 3.1 電纜組件測量示例。測量時域和頻域參數以及信息和規范參數，以完全表征設備。

Gen 2 電纜組件測試挑戰

由于第 2 代的數據速率翻倍至 10 Gbps，1UI 現在為 100 ps。由于更緊的設備余量，需要改進電纜和連接器的設計。為了管理這些設計挑戰并確保互操作性，對規范進行了一些更改。

首先，為了確保測量不受測試環境（例如測試夾具）的影響，需要采用更嚴格的方法來消除夾具影響。此外，還需要改進通過/失敗判斷方法。電纜組件的性能受許多參數的影響，例如損耗、反射和串擾。

傳統方法包括測量這些參數參數，并測試為每個參數定義的限制。這種方法的局限性在于它不允許在每個測試項目之間進行權衡。由于利潤收緊，需要一種新的方法來確保足夠的產量。最后，有報道稱 USB 3.0 存在 RFI 問題。規范中添加了一個新部分來管理來自電纜組件的 RFI 級別。

從測量中消除夾具效應

需要測試夾具將測試設備連接到電纜組件。在 10 Gbps 數據速率下，必須消除夾具走線的影響。USB 3.1 電纜和連接器合規性規范草案中介紹了“2x thru de-embedding”和“in-fixture TRL 校準”方法。

對于 2x 直通去嵌入，使用電子校準單元 （Ecal） 執行完全校準，以在測試電纜末端建立校準參考平面。然后，對夾具走線的 S 參數進行去嵌入，以將參考平面延伸到 USB 連接器的邊緣，從而有效地消除夾具對測量的影響。去嵌入方法的關鍵是夾具走線的 S 參數的質量。建議使用自動夾具移除 （AFR） 功能來獲取這些 S 參數（請注意，AFR 功能在Keysight N1930B 物理層測試系統軟件中可用）。

另一種方法是夾具內 TRL 校準，它最初集成到 USB 3.0 規范中，也適用于 USB 3.1 Gen 2。與 2x thru AFR 方法相比，需要額外的標準。完成校準后，參考平面延伸到 USB 連接器的邊緣。

圖 3 提供了原型 USB 3.1 電纜組件的差分插入損耗測量示例，使用這兩種技術來消除夾具的影響。所示的限制適用于 USB Type-C 電纜組件。可以看出，不移除測試夾具效果（紅色跡線）可能是測試項目通過和失敗之間的區別。AFR（橙色跡線）和 TRL（藍色跡線）結果相互重疊，在兩種方法之間提供了極好的相關性。

圖 3：原型 USB 3.1 電纜組件的差分插入損耗測量示例。

新的合規方法

傳統上，互連的特點是測量參數參數，例如時域中的阻抗/偏斜和頻域中的插入損耗/回波損耗。這種表征的一個挑戰是如何將測量結果轉換為鏈路末端的眼圖。即使從發射器出來的眼圖是已知的，在它穿過通道后，也很難根據參數值計算眼圖。歸根結底，數字工程師擔心睜眼。無法確定此參數是參數測量的限制。

傳統參數測量的另一個限制是它不允許在各種測試參數之間進行權衡。例如，損耗較小的通道可以容忍更多的串擾或反射，反之亦然。因為參數規范需要保證勉強通過所有參數測試項目的電纜的互操作性，所以限制設置得比較保守。會有電纜在一個或兩個參數測試項目中略微失敗，并以足夠的余量通過其他項目。因此，有可能拒絕正常工作的電纜組件。

另一種方法開始出現在最新的高速串行標準中，即使用眼圖來表征互連。這允許在鏈路末端直接觀察眼睛特征。通過這種稱為“受壓”眼圖分析的測量，預期的最壞情況發射機性能作為“受壓”信號應用到電纜組件，并使用眼圖評估電纜組件輸出。如果互連可以正確傳輸眼圖特性等于或優于接收器輸入規定的受壓信號，則它應該與任何兼容發送器的信號一起工作。

應力眼圖分析的第 2 代實施基于通道度量。三種信號完整性損傷會影響端到端鏈路性能：衰減、反射和串擾。合規性規范就是關于管理這三種損傷的。為了表示它們，三個參數表示通道度量：在奈奎斯特頻率下的插入損耗擬合 （ILfitatNq）、集成多反射 （IMR） 和集成串擾 （IXT）。

ILfitatNq 是通過對插入損耗測量結果應用曲線擬合來計算的。插入損耗測量值與平滑曲線之間的差異，或插入損耗的紋波，代表 IMR。IXT 定義為 Gen 2 信號對之間所有串擾源的積分總和。然后由 USB 3.1 標準工具根據這些 Channel Metrics 執行通過/失敗判斷。

將測量的電纜組件 S 參數加載到工具中后，將這些參數與參考主機和設備 S 參數相結合，形成完整的通道。然后該工具根據眼高 （eH） 和眼寬 （eW） 執行通過/失敗評估。該工具由 USB-IF 提供，將在 USB 電纜連接器合規計劃中集成到 Gen 2 合規測試套件中。

注意： eH/eW 和通道指標（ILfitatNq、IMR 和 IXT）之間的相關性是按照 USB-IF 白皮書中描述的方法建立的，用于確定超高速 USB 10 Gbps （USB 3.1） – Gen 2 通道的方法和電纜組件高速合規性。

圖 4 顯示了 USB 3.1 規范中的幾個通過和失敗示例。每個圖都是根據特定的 ILfitatNq 值計算的。x 軸是 IMR，y 軸是 IXT。綠色區域代表睜眼的通過區域，而紅色區域是閉眼的失敗區域。通過面積隨著 ILfitatNq 的減小而增加。此通過/失敗標準允許在 ILfitatNq、IMR 和 IXT 之間進行權衡。例如，如果 IMR 和/或 IXT 更小，電纜組件的損耗可能更大。

圖 4：使用 USB-IF 標準工具的通過/失敗示例。

管理 RFI

盡管已經應用了一些已知的減少 RF 干擾 （RFI） 的技術，例如擴頻時鐘和數據加擾，但 USB 3.0 的 RFI 問題已被報告。USB 3.0 主機可能會干擾無線鼠標和鍵盤等設備。雖然大多數設計良好的無線設備不會停止工作，但它們的范圍可能會受到 USB 3.0 設備的射頻泄漏的限制。對于 USB 3.1，RFI 通過引入具有更多接地指和更好的整體屏蔽以防止射頻泄漏的新標準 A 插座來降低。此外，規范中增加了一個新部分，要求測量電纜屏蔽有效性以管理電纜輻射。

電纜屏蔽有效性測試測量電纜組件的 RFI 水平。為了進行測量，電纜組件安裝在電纜屏蔽有效性測試夾具中，該夾具目前由 USB-IF 開發。針對發射和接收信號對測量從差模到電纜屏蔽層 （Ssd12） 和共模到電纜屏蔽層 （Ssc12） 的耦合系數。

已經介紹了幾個旨在確保在第 2 代數據速率下的互操作性的關鍵主題。使用 AFR 和 TRL 校準的 2x thru 去嵌入消除了測試夾具的影響，使您能夠測量設備的真實性能。此外，測量方法發生了范式轉變，從傳統的參數測試到壓力眼圖測試（基于通道度量）直接與端到端鏈路性能相關。最后，USB-IF 正在最終確定電纜屏蔽有效性規范，以管理來自電纜組件的 RFI 級別。

審核編輯：郭婷