USB-IF 在 2019 年 9 月發表 USB4™ 規格，傳輸速率達到 40Gbps，USB4TM 規格主要依據 Thunderbolt™ 3 架構設計，並且兼容 TBT3。Thunderbolt™ 4（以下簡稱 TBT4）傳輸速度 40Gbps 與 TBT3 相同，其獨特優勢是支持 TBT3且相容 USB4。由於 USB4 與 TBT4 都源自於 TBT3 的架構，所以在電氣（Electrical）測試部分，整合後的 USB4 電氣測試規範成為 USB4、TBT4 以及 TBT3 共同電氣測試規範。
嚴謹的電氣測試規範，會針對每款 USB4/TBT4 產品的輸出訊號質量，個別設定最優化的初始訊號，好讓 USB4 產品一接上，就可以快速連接溝通。也就是電氣測試規範中 Transmitter Preset Calibration（以下簡稱 Tx Preset Cal）。
USB4 規範中載明，高頻輸出端需支持 16 組 Presets（默認值）如下表一，也就意味著有 16 組不同訊號質量的輸出。在 USB4 電氣訊號認證測試，到底該選用哪一組 Preset 來測試，確保輸出訊號質量？還是 16 組 Presets 全測呢？
表一 16 組 Transmitter Equalization
Tx Preset Cal 是進行傳輸端輸出電氣測試時的首要步驟，也是非常重要的一環，因為選錯 Preset 來做測試，可能導致測試結果不符合規範，要避免這樣情形發生，我們首先需要了解一下訊號傳輸衰減的原因及解決方法，以便了解訊號質量與 Preset 之間的關係。
訊號傳輸衰減原因與解決方法高速串列傳輸訊號受限於傳輸信道的帶寬而導致衰減，下（圖一）為訊號經過傳輸信道前、後的衰減結果。訊號在經過線纜後因為介質的低通性、非理想性、集膚效應、阻抗不連續等效應，造成訊號衰減、反射等問題。且隨著高、低頻訊號衰減比例差異過大，讓一位訊號長度不等於理想的 1UI（Unit Interval 單位周期），使前後的訊號位成為當前訊號的噪聲，進而導致了符碼間幹 ISI 效應（inter-symbol interference），訊號在接收端，無法正確判讀 0 或 1。
（圖一） 訊號 ISI 效應示意圖–匡選的信號，臨近判定邏輯一與零的門坎，易導致判讀錯誤。
在高頻傳輸中，為了克服信道衰減，讓訊號正確傳送到接收端，一般採用訊號均衡器解決訊號衰減的問題。在USB4 規範裡在傳輸端及接收端運用均衡器（如圖二），分別是發送端的 FFE（Feed Forward Equalizer)，接收端CTLE（Continues Time Linear Equalizer）、及 DFE（Decision Feedback Equalizer）。
（圖二）高頻訊號傳遞處理架構圖
在傳輸端 FFE 將訊號作預加強（Pre-shoot）、預衰減（De-emphasis），當通道衰減過大，FFE 的等化效果不足以補償通道產生的衰減時，還需接收端 CTLE 和 DFE 均衡器還原訊號。兩端的均衡器目的皆是均衡高低頻訊號在傳輸過程中的損耗，有利於接收正確訊號。與此同時也可以得到最佳的眼圖。
USB4 與 TBT4 如何挑選最優化的 Preset 來進行 Transmitter 測試？USB4 的傳輸速率每個通道達到 20Gbps，如（圖三）所示，訊號在 Tx 端（TP1）通過 PCB 到 USB Type-C連接器，藉由 Tx Preset 適當的補償，在 TP2 所量到的 DDJ（Data Dependent Jitter）將相對應的減小。USB4 認證測試中的 Tx Preset Cal，測試 Preset 0 ～ Preset 15，共 16 組 Presets 的 DDJ，需選出最小 DDJ 的 Preset。USB4 訊號所支持的速度 10Gbps 及 20Gbps，及通道 Lane 0、Lane 1 需分別進行 Tx Preset Cal。
圖三 測試點定義
（表二）是待測物 16 組 Preset 的 DDJ 在 TP2 測試的結果，挑選其中最佳的 Preset 1 和最差的 Preset 9 比較其眼圖（如表四），若選錯 Preset 會使得 ISI 效應無法得到適當補償(如 Preset 9，De-emphasis -8.0 dB，低頻預衰減8dB，過補償，導致低頻訊號觸碰到中心 eye mask)，眼圖過小且分岔，訊號DDJ的值超過 SPEC 規範，導致測試結果 FAIL。
（表二） 16 組 presets DDJ 在 TP2 測試結果 （USB4 Spec: DDJ≦210 mUI）
（表三）USB4 Tx Preset Cal, Preset-1 與 Presdet-9 測試結果比較
選定最佳的Preset後，將此Preset設定為TP2及TP3的開機默認值*（圖四）並以此組默認值進行所有USB4 Tx相關測試。
（圖四）TP2與TP3設定同一組 Preset 值
注*：Tx 訊號質量測試TP2與 TP3皆是以同一組 preset做測試，只是在做Tx TP3遠程測試時，需另外嵌入 2 米 (for USB4 Gen2)及 0.8 米(for USB4 Gen3) S 參數進行量測。
總結：在 Thunderbolt 4/USB4 高頻測試中，因為高頻訊號在經過信道後大幅衰減，須藉由 Tx FFE 均衡器讓高、低頻成分訊號得到不同程度的預補償、預衰減，解決部分信道導致訊號衰減的問題。Tx Preset Cal 設定開機時最佳默認訊號，讓您的 Thunderbolt 4/USB4 產品可以在最佳訊號狀態進入連結溝通，且順利通過測試。
GRL 為 USB-IF及 Intel官方授權的Thunderbolt 4及 USB4認證實驗室，隨著 Intel 與 USB-IF 極力合作開發的最新應用 Thunderbolt 4/USB4 問世，GRL 技術團隊與時俱進的鑽研新技術且協助各界廠商取得認證。
參考文獻：
1.Universal Serial Bus 4 (USB4™) Specification, Version 1.0, August 2019
Universal Serial Bus Type-C Cable and Connector Specification, Release 2.0, August 2019
Universal Serial Bus 4 (USB Type-C) Router Assembly Electrical Compliance Test Specification, Version 0.96, Jan 20, 2020
USB Type-C Thunderbolt Alternate Mode Electrical Host\Device Compliance Test Specification Revision 1.5 Version 0.9
Intel ThunderboltTM Tech Brief https://thunderbolttechnology.net/tech/solution-briefs
Granite River Labs, USB4™ 測試 https://graniteriverlabs.com.tw/usb4/
Intel和Thunderbolt™ 是Intel的註冊商標及研發產品
USB4™、USB、USB-C®、USB Type-C®和USB-IF是USB Implementers Forum的註冊商標
責編：Yvonne Geng