USB4 Gen4介紹，USB4 Gen4規(guī)格的帶寬優(yōu)化方案

USB4 Gen4 介紹

新發(fā)布的 USB4 Ver2.0 規(guī)格，傳輸速率再次倍增，來(lái)到80 Gbps(40G bps x2)，并以 USB4 Gen4來(lái)表示。電氣層采用PAM3(Pulse Amplitude Modulation 3-level) 信號(hào)編碼，如下圖所示，利用三個(gè)電壓狀態(tài)進(jìn)行傳輸，所以會(huì)形成上下兩個(gè)眼圖。

每通道以25.6 GBaud進(jìn)行傳輸，傳送端將二進(jìn)制 bit信號(hào)，透過(guò)11-bits to 7-trits (三進(jìn)制) 的映射配置進(jìn)行編碼，以 PAM3 信號(hào)傳輸，達(dá)到雙通道80 Gbps傳輸速度。在接收端部分，Gen4要求在沒(méi)有FEC（Forward Error Correction向前糾錯(cuò)）的條件下，誤碼率 TER (Trit Error Ratio) 須以 1E-8 或更低的誤碼率進(jìn)行接收。

USB4 Gen4 規(guī)格采用不同以往的傳輸方式，下面先介紹幾個(gè)常見(jiàn)的專(zhuān)有名詞：NRZ vs. PAM3 vs. PAM4。

1.NRZ：Non-Return-to-Zero，也稱(chēng)作 Pulse Amplitude Modulation 2-level (PAM2) 信號(hào)，二進(jìn)制的編碼，使用高低準(zhǔn)位來(lái)代表邏輯 1 與 0。NRZ 每個(gè) Symbol 可以傳送1個(gè)bit ?(log2^2 = 1)。

2.PAM3：Pulse Amplitude Modulation 3-level，3 階脈沖振幅調(diào)變，三進(jìn)制的編碼，通常以 -1，0，+1 或者 0，1，2 來(lái)表示 Ternary（3元的）值，PAM3 每個(gè) Symbol 可以傳送 1.58個(gè)bits (log2^3 = 1.58)。

3.PAM4：Pulse Amplitude Modulation 4-level，4 階脈沖振幅調(diào)變，通常以 00，01，10，11 來(lái)表示。PAM4 每個(gè) Symbol 可以傳送2個(gè) bits (log2^4 = 2)。

PAM2/PAM3/PAM4 比較

Data Rate 與 Baud Rate

高速總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速度 Date Rate，通常以 bps (bit per second) 來(lái)表示，是指每秒傳輸?shù)?bit 數(shù)。但是隨著信號(hào)編碼的改變，如網(wǎng)通常用 50 GBaud PAM4 傳送，可以達(dá)到 100 Gbps Data Rate。

Symbol Rate 以 Baud（波特）來(lái)表示。1 Baud 等于每秒傳輸一個(gè) Symbol。而 Data Rate 再依照每個(gè) Symbol 以不同編碼機(jī)制下所承載的 bit 數(shù)來(lái)計(jì)算。二者換算關(guān)系為：

Date Rate = Baud Rate * Symbol承載比特?cái)?shù)

當(dāng)信號(hào)編碼方式為 NRZ 時(shí)，Baud Rate 會(huì)等于 Data Rate，如 25.6 GBaud 的 NRZ (PAM2) ，Data Rate為25.6 Gbps (25.6GBaud*log2 2)。

當(dāng)信號(hào)編碼方式為 PAM3 時(shí)，25.6GBaud PAM3的Data Rate為40.575Gbps(25.6 GBaud*log2^3)。

USB4 Gen4 以 PAM3 信號(hào)，25.6 GBaud 速度傳輸，透過(guò) 11-bits 到 7-trits 的映射配置，以 40.2 Gbps Date Rate (25.6 GBaud* 11/7)，達(dá)到雙通道傳輸 80 Gbps。

說(shuō)明：PAM3 Symbol 乘載比特?cái)?shù)最高為 1.58 個(gè) bits (log2^3=1.58)，USB4 Gen4 其 Symbol 乘載比特?cái)?shù)為 1.57 (11/7 bits)，充分運(yùn)用 99% PAM3 的傳輸帶寬。

誤碼率 BER vs. TER

在 NRZ 信號(hào)，以 bit 來(lái)傳輸，誤碼率會(huì)以 BER (Bit Error Ratio) 表示。對(duì)于 PAM3 以三進(jìn)制的信號(hào)傳輸，誤碼率則以 TER (Trit Error Ratio) 表示。其中 trit 為 trinary digit（三進(jìn)制數(shù)）的縮寫(xiě)。

為什么 USB4 Gen4 采用 PAM3？

USB4 Gen4 想要達(dá)到 80 Gbps 且沿用與 Gen3 相同的 PCB 線(xiàn)纜，必須采用新的編碼方式如 PAM3 或 PAM4，并且從下列兩大方向考量：

總損耗考量

信號(hào)從 Host的TX 端經(jīng)由連接器、線(xiàn)纜，再到Device的RX端，以 Gen3 相同線(xiàn)纜及 PCB 最大允許損耗下，若采用 NRZ 以 40 Gbps 傳輸，其傳輸損耗在 Nyquist頻率 (20GHz) 將會(huì)超過(guò) 40dB，IC無(wú)法補(bǔ)償此過(guò)高損耗，導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正確接收，NRZ 無(wú)法符合 Gen4 要求。而 PAM4 與 PAM3 在 Gen4 Nyquist 頻率為 10GHz 與 12.8 GHz，其總傳輸損耗分別約為 23dB 與 28dB，IC可以補(bǔ)償此損耗，納入分析考量。

誤碼率考量

PAM3 傳送眼高為 NRZ 的一半，PAM4 傳送眼高為 NRZ 的 1/3，增加接收端還原信號(hào)困難度，而 PAM3 在信號(hào)噪聲失真比 (SNDR) 優(yōu)于PAM4，經(jīng)由模擬以及實(shí)際線(xiàn)路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，未編碼 BER 分別為 10E-8 與 10E-6，因而選擇采用更適合的 PAM3。

USB4 Gen4 規(guī)格的「帶寬」優(yōu)化

USB4 Gen4 支援「非對(duì)稱(chēng)傳輸」，速度可提升至 120 Gbps。為了維持高影像解析傳輸，在高數(shù)據(jù)傳輸情況下，不降低顯示品質(zhì)，Gen4 新增非對(duì)稱(chēng)傳輸 (Asymmetric Link)。只有 Gen4 可以支援非對(duì)稱(chēng)傳輸，Gen2 與 Gen3 僅支援對(duì)稱(chēng)傳輸。

對(duì)稱(chēng)傳輸指的是 TX 通道數(shù) (Lane) 與 RX 通道數(shù)一致。USB4 Gen4 必須為雙通道傳輸，只有 Gen2 與 Gen3 可以是單通道傳輸 (1*TX/1*RX)，也就是在 Lane 0 傳輸、Lane 1 停用的狀態(tài)下傳輸；而雙通道對(duì)稱(chēng)傳輸 (2*TX/2*RX) 可以在 Gen2、Gen3、Gen4 任何速度運(yùn)行。Gen4 除了支持對(duì)稱(chēng)雙通道傳輸外，為了可以支持高解析度影像 DP 2.1 傳輸，且同時(shí)高速傳輸數(shù)據(jù)，Gen4 新增非對(duì)稱(chēng)傳輸，也就是將其中的一對(duì) TX/RX 通道，作為影像傳輸通道，以 TX/TX 或 RX/RX 傳送，如下圖 所示。也就是一邊傳輸 “3*TX/1*RX”，而另一邊為 “1*TX/3*RX”。使得其在一個(gè)方向提供高達(dá)120Gbps (40Gbps x3)，同時(shí)在另一個(gè)方向保持 40Gbps的速率。對(duì)稱(chēng)傳輸轉(zhuǎn)換到非對(duì)稱(chēng)傳輸，是由連接管理 (Connection Manager) 負(fù)責(zé)控制。

Symmetric and Asymmetric USB4 Link

USB4Gen4新增USB3GenT優(yōu)化帶寬運(yùn)用，USB4新增支持 USB3 Gen T 隧道協(xié)議，主要是讓USB3隧道傳輸可以更充分利用USB4傳輸帶寬。USB3 Gen X 與 USB3 Gen T 是在 USB4 Ver2 中新增的定義，說(shuō)明如下：

USB3 Gen X：使用現(xiàn)有 USB 3.2 協(xié)議的 USB3 隧道架構(gòu)。

USB3 Gen T：使用修改的 USB 3.2 協(xié)議的 USB3 隧道架構(gòu)，以允許使用 USB4 可用最大帶寬。

USB4 需向下相容 USB3，所以在 USB4 Gen2/Gen3 路由器內(nèi)部，必須配備有 USB3 協(xié)議適配器 (USB3 Protocol Adaptor)，將原生的 USB3 協(xié)議數(shù)據(jù)流量和 LFPS 封裝在 USB4 數(shù)據(jù)包中，在 USB4 Ver2 最新規(guī)格中將此定義為 USB3 Gen X 隧道協(xié)議。

USB3 Gen X 隧道協(xié)議下，Hub 只有一個(gè)上傳的 Embedded SS Hub，即使 Hub 下接裝置多通道同時(shí)傳送，也會(huì)被上傳 Hub 的帶寬限制。如下圖左，無(wú)法充分利用 USB4 更高的帶寬。

USB3 Gen X and USB3 Gen T Tunneling Compare

USB3 Gen T 隧道協(xié)議使用 USB 3.2 協(xié)議的修改版本，主要透過(guò)新增USB3 Gen T 協(xié)議適配器來(lái)達(dá)成，如上圖右，若主機(jī)和設(shè)備都支持 USB3 Gen T，例如 Hub 下接兩個(gè)裝置，且都運(yùn)行在 20 Gbps (USB3 10G x2)，下接帶寬共為 40 Gbps，在 Hub 運(yùn)作，上傳與下傳會(huì)直接通過(guò)（無(wú)需經(jīng)由 USB3 embedded SS hub），使得上傳帶寬亦可為 40 Gbps，不會(huì)受限于原 USB3 Gen X上傳 20 Gbps 限制，讓 USB3 Tunneling 可以更有效地利用 USB4 的帶寬。對(duì) Host、Hub、Device 來(lái)說(shuō)，USB3 Gen T Tunneling 都是可以選擇性支持的功能。

結(jié)論

USB4 Gen4 傳輸速度提升到 80 Gbps 并采用 PAM3 編碼，新增USB Gen T 與支持非對(duì)稱(chēng)傳輸；測(cè)試上由原本只要測(cè)試兩對(duì) TX/RX，變?yōu)?對(duì)TX/RX，不只增加了測(cè)試時(shí)間也增加了測(cè)試復(fù)雜度。

對(duì)于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，PAM3 編碼是新的挑戰(zhàn)，眼高只有原先 NRZ 一半的狀況下，信號(hào)噪聲失真比 (SNDR) 相形重要，更復(fù)雜的眼圖及抖動(dòng)測(cè)試分析，需要更多時(shí)間去摸索。

編輯：黃飛