Ở tốc độ 20 Gbps mỗi lane, phần lớn thứ mà máy hiện sóng nhìn thấy không còn là tín hiệu của thiết bị nữa mà là tín hiệu đã bị đồ gá và cáp làm méo. Đó là lý do kiểm thử USB4 ở lớp vật lý luôn được mô tả theo cặp: điểm đo nằm ở đâu, và phần hạ tầng đo đã được gỡ ra khỏi kết quả bằng cách nào. Bài viết này đi qua các mức tốc độ của USB4, ý nghĩa của hai điểm đo TP2 và TP3, cách phân rã jitter khi đo mắt tín hiệu, và vì sao một máy phân tích mạng lại là thiết bị bắt buộc bên cạnh máy hiện sóng.
Kiểm thử USB4 bắt đầu từ các mức tốc độ liên kết
USB4 dựng trên kiến trúc hai lane song công hai chiều. Gen 2 chạy ở 10 Gbps mỗi lane, hoặc 10,3125 Gbps ở chế độ tương thích Thunderbolt 3; Gen 3 chạy ở 20 Gbps mỗi lane, hoặc 20,625 Gbps ở chế độ tương thích. Nhờ vậy USB4 mở rộng hiệu năng vượt mức 20 Gbps của USB 3.2 lên 40 Gbps ở cấu hình Gen 3 nhân hai lane, trên cùng kiến trúc kết nối. Về mã hoá đường truyền, Gen 2 dùng 64b/66b còn Gen 3 dùng 128b/132b.
Bước nhảy tiếp theo thay đổi bản chất tín hiệu. USB4 phiên bản 2.0 đạt tới 80 Gbps bằng một kiến trúc lớp vật lý mới dựa trên mã hoá tín hiệu PAM3, chạy được trên chính cáp USB Type-C thụ động 40 Gbps đang có cùng với loại cáp Type-C chủ động 80 Gbps mới định nghĩa. Ở lớp này, tín hiệu truyền với tốc độ ký hiệu 25,6 GBaud và ánh xạ 11 bit thành 7 trit, cho khoảng 40,2 Gbps mỗi lane và 80 Gbps khi dùng hai lane. Đặc tả còn cho phép cấu hình bất đối xứng: tới 120 Gbps theo một chiều trong khi vẫn giữ 40 Gbps chiều còn lại.
Với người làm đo lường, ý nghĩa của bước chuyển sang PAM3 rất cụ thể: giản đồ mắt không còn một mắt mà có nhiều mức, biên độ mỗi mức nhỏ hơn, và các phép đo biên độ lẫn ngưỡng quyết định phải được định nghĩa lại. Không thể mang nguyên bộ giới hạn của Gen 3 sang áp cho Gen 4.
TP2, TP3 và đồ gá lớp vật lý: vì sao phải de-embed trước khi kết luận
Phép kiểm thử USB4 phía phát cho một cụm router được định nghĩa tại hai điểm đo: đầu ra của đồ gá kiểu phích cắm hợp chuẩn tại điểm tham chiếu TP2, và đầu ra của đồ gá kiểu ổ cắm hợp chuẩn tại điểm tham chiếu TP3. Cả hai loại đồ gá lớp vật lý này đều được định nghĩa trong đặc tả USB4, và bộ phép đo chạy trên chúng chính là phần USB4 compliance phía phát. Nếu không nêu rõ kết quả thuộc điểm nào, con số đo được gần như vô nghĩa vì hai điểm chịu lượng suy hao kênh khác nhau.
Ở mọi bước, quy trình đều yêu cầu gỡ ảnh hưởng của cáp nối từ đồ gá tới máy hiện sóng ra khỏi kết quả. Về nguyên lý, de-embedding dùng một mô hình của đồ gá rồi loại bỏ đặc tính của đồ gá khỏi phép đo tổng thể bằng toán học; khi máy phân tích mạng được hiệu chuẩn tại giao diện đồng trục bằng bộ chuẩn thông thường, phép đo thiết bị vẫn bao gồm ảnh hưởng của đồ gá. Việc gỡ đồ gá khỏi số đo thường được thực hiện bằng ma trận tham số truyền đạt, tức T-parameter.
Điểm nối giữa hai thế giới nằm ở đây: phần mềm đo phía phát nhận vào tệp tham số S cho từng lane, và tệp đó do máy phân tích mạng tạo ra. Nói cách khác, máy hiện sóng cho ra kết luận, nhưng chất lượng của kết luận bị chặn trên bởi chất lượng mô hình đồ gá mà máy phân tích mạng cung cấp.
Phân rã jitter và con số 14,7 hay bị hiểu sai
Ở TP3, mọi phép đo phải được thực hiện khi đã áp hàm cân bằng của bộ thu tham chiếu, gồm bộ cân bằng tuyến tính liên tục theo thời gian CTLE và bộ cân bằng hồi tiếp quyết định DFE. Bộ lọc hồi tiếp một tap được định nghĩa như một phần của bộ cân bằng tham chiếu dùng trong đo hợp chuẩn. Điều này có nghĩa: giản đồ mắt “thô” mở hay khép không phải là tiêu chí đạt/không đạt — tiêu chí nằm ở mắt sau khi đã cân bằng.
Tổng jitter được định nghĩa là tổng của mọi thành phần tất định cộng với 14,7 lần giá trị hiệu dụng của jitter ngẫu nhiên. Con số 14,7 không phải hằng số tuỳ chọn: đó là hệ số tương ứng với tỉ lệ lỗi bit 1E-13. Với Gen 2 tại TP2, tổng jitter tối đa là 0,38 UI đỉnh–đỉnh, jitter tất định không tương quan tối đa 0,31 UI, thành phần tần số thấp của nó tối đa 0,15 UI, và méo chu kỳ nhiệm vụ tối đa 0,17 UI. Trừ khi có quy định khác, thiết bị phát phải phát mẫu PRBS31 trong quá trình đo hợp chuẩn, và mọi phép đo thực hiện với chế độ trải phổ đồng hồ được bật.
Cần cẩn trọng khi nhắc tới các mốc tỉ lệ lỗi, vì trong cùng bộ tài liệu có tới bốn con số khác nhau phục vụ bốn mục đích: 1E-13 gắn với hệ số 14,7 của tổng jitter; 1E-12 là điều kiện riêng của phép đo tốc độ trượt trải phổ khi không giả định có sửa lỗi tiến; phép thử huấn luyện phía thu yêu cầu tỉ lệ lỗi bit nhỏ hơn 1E-6; còn Gen 4 dùng tỉ lệ lỗi trit không quá 1E-8 khi không có sửa lỗi tiến. Viết gộp chúng thành “USB4 yêu cầu BER 1E-12” là sai.
Yêu cầu về đồ gá và về băng thông máy đo
Đồ gá không phải phụ kiện mà là một phần của phép đo. Các bo mạch truy cập điểm đo cung cấp điểm thăm dò cho các chân trên đầu nối USB, và tài liệu quy trình đo của Keysight liệt kê cụ thể loại đồ gá phích cắm cùng các phương án tương đương được chấp nhận. Về phía Keysight, đồ gá phích cắm tốc độ cao Type-C N7015A cho tới 30 GHz băng thông có thể de-embed, phục vụ kiểm chứng và gỡ rối tín hiệu; còn đồ gá liên kết chủ động N7019A cho phép truy cập toàn bộ tín hiệu Type-C trong khi liên kết đang hoạt động.
Về máy hiện sóng, yêu cầu tối thiểu là 16 GHz băng thông cho Gen 2 và 21 GHz cho Gen 3. Đây là ngưỡng cần nêu thẳng: một máy hiện sóng băng thông thấp hơn vẫn rất hữu ích để gỡ rối, quan sát mẫu huấn luyện, kiểm tra nguồn và khảo sát tính toàn vẹn tín hiệu ở các nút trung gian, nhưng không được dùng để kết luận hợp chuẩn. Về phần mềm, Keysight cung cấp D9040USBC cho đo phát USB4 phiên bản 1.0 phủ các tốc độ Gen 2 và Gen 3, và D9050USBC cho USB4 phiên bản 2.0 ở mức 80 Gbps với tín hiệu PAM3 25,6 GBaud; phía thu dùng ứng dụng N5991U42A chạy trên máy BERT.
Chọn thiết bị Keysight cho phòng thí nghiệm USB4
Máy phân tích mạng Keysight N5227B đo tham số S của đồ gá và kênh truyền.
Trong thực tế ở Việt Nam, phần lớn công việc hằng ngày không phải là cấp chứng nhận hợp chuẩn mà là thiết kế, gỡ rối và kiểm tra trước khi gửi mẫu đi chứng nhận. Cấu hình thiết bị nên phản ánh đúng thực tế đó.
Cho khâu quan sát dạng sóng, đo giản đồ mắt và phân rã jitter ở các tốc độ thấp hơn cùng các nút trung gian, máy hiện sóng Keysight DSOS254A thuộc dòng Infiniium S-Series cung cấp băng thông 2,5 GHz có thể nâng cấp, bốn kênh tương tự, tốc độ lấy mẫu tối đa 20 GSa/s, bộ chuyển đổi 10 bit và bộ nhớ tiêu chuẩn 100 Mpts mỗi kênh, với số bit hữu hiệu trung bình của hệ thống đạt 8,1 bit ở toàn băng thông. Độ phân giải 10 bit là điểm đáng giá khi đo biên độ nhỏ, và đây cũng là nền tảng Infiniium mà bộ phần mềm đo phát của Keysight chạy trên đó. Cần nhắc lại cho minh bạch: với ngưỡng 16 GHz và 21 GHz nêu trên, DSOS254A là công cụ thiết kế và gỡ rối, không phải máy để phát hành kết quả hợp chuẩn Gen 2 hay Gen 3.
Cho khâu đặc trưng hoá kênh truyền và dựng mô hình đồ gá — công đoạn quyết định chất lượng bước de-embed — máy phân tích mạng Keysight N5227B phủ tới 67 GHz và có cấu hình hai cổng hoặc bốn cổng. Bốn cổng là cấu hình đáng cân nhắc với USB4 vì hai lane vi sai cần đo đồng thời. Phép đo tham số S băng rộng có thể được biến đổi thành biểu đồ trở kháng để lộ vị trí vật lý của các điểm gián đoạn ảnh hưởng tới truyền dẫn, nhờ đó tách được ảnh hưởng của đầu nối, gỡ ảnh hưởng đồ gá và so sánh hành vi kênh đo được với mô hình mô phỏng. Khi cần thêm dải tần hoặc dải động cho các cấu trúc thụ động khó, máy phân tích mạng PNA-X Keysight N5245B là bước nâng cấp hợp lý trong cùng họ.
Kết luận
Ba điều quyết định chất lượng một phép kiểm thử USB4 ở lớp vật lý: nêu rõ điểm đo là TP2 hay TP3, gỡ đồ gá và cáp bằng mô hình tham số S đáng tin cậy trước khi kết luận, và áp đúng bộ giới hạn của thế hệ đang đo thay vì mang giới hạn Gen 3 sang Gen 4. Kèm theo đó là một điều kiện nền thường bị bỏ quên: bản thân máy hiện sóng, máy phân tích mạng và bộ chuẩn hiệu chuẩn phải còn trong hạn, vì sai số của chúng đi thẳng vào mô hình de-embed và từ đó vào kết luận cuối cùng.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Để được tư vấn cấu hình đo tín hiệu tốc độ cao hoặc đặt lịch hiệu chuẩn máy hiện sóng và máy phân tích mạng, vui lòng liên hệ hotline 0908 173 345.
Đọc thêm về chất lượng dữ liệu tham số S dùng cho de-embedding: Kiểm tra chất lượng file Touchstone: tính thụ động, nhân quả và ngoại suy DC.
Mỗi phần mềm kiểm thử tuân thủ USB yêu cầu một mức băng thông tối thiểu của máy hiện sóng; bảng đối chiếu cho dòng XR8 có trong bài máy hiện sóng XR8 Keysight.
