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Hohe Anforderungen trotz einfacher Kabel

USB4 testen

Bild: USB Implementers Forum
Bild 1: Typische Anforderungen der USB4-Implementierung
© Bild: USB Implementers Forum

Dank universeller Standards wie USB, DP und Thunderbold ist der USB-Typ-C-Stecker heute überall zu finden. Mit USB4 geht nun die nächste Generation der USB-Technologie an den Start. Um USB4 zuverlässig testen zu können, gilt es einige wichtige Faktoren zu berücksichtigen.

Von Jit Lim, Strategischer Planer bei Keysight Technologies

Weil die Signale bei USB4 durch deutlich längere passive Kabel übertragen werden, sind spezielle Sende- und Empfangstechniken erforderlich, um die Signalintegrität zu erhalten. Zu diesen Techniken gehören neue Entzerrungsanforderungen, Signalisierungstechnologien, neue Messmethoden und ein Messgerät mit extrem niedrigem Rauschen, mit dem die Hochgeschwindigkeitssignale zuverlässig charakterisiert werden können.

Angekündigt wurde der USB4-Standard im 1. Quartal 2019, und die Spezifikation wurde im August 2019 veröffentlicht. Typischerweise liegt zwischen der Ankündigung eines Standards und der tatsächlichen Veröffentlichung der Spezifikationen ein längerer Zeitraum; da USB4 jedoch auf dem Thunderbolt-3-Protokoll basiert, war die Wartezeit kürzer.

Während frühere USB-Generationen wie USB 3.2 sowohl mit den Standard-Steckverbindern des Typs A oder B implementiert werden konnten, muss bei USB4 der Typ-C-Stecker verwendet werden. Die physikalische Datenrate von USB4 beträgt 20 Gbit/s auf einer Leitung und muss für eine effektive Bitrate von 40 Gbit/s im x2-Modus laufen. Es gibt zahlreiche Hochgeschwindigkeitsstandards, die deutlich schneller sind. Die Herausforderung bei USB4 besteht jedoch darin, dass die Verbindung mit einem kostengünstigen Kabel funktionieren muss, das wie eine vierfache 20-Gbit/s-Leitung oder mit 80 Gbit/s läuft.

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Tabelle 1a und 1b: Budgetder Einfügedämpfung für USB 3.2 und USB4(Quelle: USB Implementers Forum)
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Die Implementierung wird durch die Tatsache erschwert, dass ein USB4-Produkt zusätzlich weitere Protokolle unterstützen muss, zum Beispiel USB4 mit 10 Gbit/s, USB 3.2 mit 10 Gbit/s und 5 Gbit/s, USB 2.0 und möglicherweise auch DisplayPort und PCIe (Bild 1). Wenn der Anschluss bei 20 Gbit/s korrekt funktioniert, ist es naheliegend, dass das auch für 10 Gbit/s und niedrigere Raten gilt. Warum sollte man also weiter testen, wenn die Tests bei 20 Gbit/s positiv ausgefallen sind? Der Grund dafür ist, dass jede dieser Geschwindigkeiten einen anderen Anwendungsfall und Kanalverlust hat. Es kann also vorkommen, dass bei niedrigeren Bitraten ein längeres und verlustreicheres Kabel zum Einsatz kommt. Es gibt zahlreiche Fälle, in denen eine Verbindung von 20 Gbit/s einen Test erfolgreich besteht, bei 10 Gbit/s jedoch versagt, wenn dabei ein längeres Kabel eingesetzt wird.

 

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Bild 2: Elektrische Konformitätstestpunkte und ihre Definitionen (siehe Tabelle 2)
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Um ein System mit niedriger Bitfehlerrate (Bit Error Rate, BER) erfolgreich designen, testen und implementieren zu können, muss man das vollständige Dämpfungsbudget der Verbindung verstehen. Beim Vergleich der USB4-Einfügedämpfung (Insertion Loss, IL) mit der USB3.2-IL-Spezifikation lässt sich feststellen, dass das Dämpfungsbudget für die Verbindungspartner bei der 10G-Rate von 8,5 dB auf 5,5 dB gesunken ist. Es kann also sein, dass USB3.2-Link-Implementierungen mit dem deutlich knapperen USB4-IL-Budget nicht funktionieren würden. Die gute Nachricht ist, dass die Kabeldämpfung bei 10 Gbit/s von 6 dB auf 12 dB steigt. Jedoch bedeutet die geringe Kabeldämpfung auch, dass USB4 10G zwar mit der gleichen Rate wie USB3.2 10G läuft, aber statt mit einem 6-dB- mit einem 12-dB-Kabel funktionieren muss.

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Tabelle 2: Elektrische Konformitätstestpunkte und ihre Definitionen (vgl. Bild 2)
© Quelle: USB Implementers Forum

  1. USB4 testen
  2. Budget für die Einfügedämpfung
  3. Prüfung der Konformität von Rückflussdämpfern
  4. Transmitter-Spezifikationen bei TP3

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