Cùng một đầu cắm USB-C trên máy tính xách tay có thể đang mang dữ liệu USB4, đang mang luồng hình DisplayPort, hoặc cả hai cùng lúc. Nhưng dưới lớp vỏ chung đó là hai họ tiêu chuẩn khác nhau về điều chế, về mã đường truyền và về ngưỡng băng thông thiết bị. Vì vậy kiểm thử USB4 và kiểm thử DisplayPort không phải hai biến thể của một bài đo — chúng khác nhau đủ để một cấu hình vừa đủ cho bên này lại thiếu hụt cho bên kia. Bài viết này khoanh đúng ranh giới đó: mỗi chuẩn đòi hỏi bao nhiêu băng thông, đồ gá phải xử lý thế nào, và ở đâu là điểm mà thiết bị phổ biến trong danh mục chạm trần.
Một cổng, hai họ tiêu chuẩn
USB4 do USB-IF ban hành, DisplayPort do VESA ban hành. Hai tổ chức, hai bộ quy trình chứng nhận, hai chương trình cấp phép cáp riêng biệt. Điểm giao nhau duy nhất là đầu nối và khả năng ghép kênh: một liên kết USB4 có thể dành một phần băng thông để tải luồng DisplayPort theo chế độ thay thế. Nhưng ở lớp vật lý — nơi kỹ sư đo đạc làm việc — hai chuẩn tách bạch hoàn toàn.
Khác biệt cốt lõi nằm ở điều chế. DisplayPort UHBR vẫn dùng tín hiệu hai mức với mã đường truyền 128b/132b. USB4 phiên bản 2.0 thì chuyển sang PAM3 — tín hiệu ba mức — và đây chính là thay đổi kéo theo mọi hệ quả về thiết bị đo. Ba mức nghĩa là hai mắt tín hiệu chồng lên nhau trong cùng biên độ đỉnh-đỉnh, biên độ mỗi mắt hẹp lại, và mọi nguồn nhiễu vốn chấp nhận được ở tín hiệu hai mức nay ăn thẳng vào biên an toàn.
USB4 phiên bản 2.0: PAM3 ở 25,6 GBaud
USB-IF công bố đặc tả USB4 phiên bản 2.0 vào tháng 10/2022. Các thông số cần nắm khi lập kế hoạch đo:
- Tốc độ ký hiệu 25,6 GBaud mỗi làn, điều chế PAM3 — mỗi ký hiệu mang khoảng 1,58 bit.
- Chế độ đối xứng: hai làn 40 Gb/s mỗi chiều, tổng 80 Gb/s mỗi chiều.
- Chế độ bất đối xứng: dồn ba làn 40 Gb/s về một hướng để đạt 120 Gb/s, chừa một làn 40 Gb/s cho hướng ngược lại — hữu ích cho màn hình độ phân giải rất cao.
- Ánh xạ mã: chuỗi nhị phân được ánh xạ theo cấu hình 11 bit sang 7 trit (chữ số tam phân).
- Chỉ tiêu phía thu: liên kết Gen 4 yêu cầu tỉ lệ lỗi trit từ 1×10⁻⁸ trở xuống, không dùng sửa lỗi thuận FEC.
- Cấp nguồn: đặc tả USB-PD 3.1 đi kèm cho phép tới 240 W.
- Tương thích ngược với các phiên bản USB trước và với Thunderbolt 3.
Một chi tiết ít được nhắc nhưng ảnh hưởng trực tiếp tới khối lượng công việc: Gen 4 có tới 42 bộ cài đặt cân bằng phía phát. Muốn xác định bộ cài tối ưu cho jitter phụ thuộc dữ liệu nhỏ nhất, mỗi bộ đều phải được quét và đặc tính hoá riêng. Đây là lý do các dự án USB4 thế hệ mới thường vỡ kế hoạch thời gian nếu không tự động hoá phần thu thập ngay từ đầu.
DisplayPort 2.1: ba mức UHBR và phần dôi dư rất nhỏ
DisplayPort 2.1 định nghĩa ba tốc độ liên kết siêu cao: UHBR10 ở 10 Gb/s mỗi làn, UHBR13.5 ở 13,5 Gb/s và UHBR20 ở 20 Gb/s. Với bốn làn chính, tốc độ liên kết thô lần lượt là 40, 54 và 80 Gb/s. Mã 128b/132b giữ phần dôi dư ở mức khoảng 3%, nên tốc độ tải hữu ích còn khoảng 38,69 Gb/s với UHBR10, 52,22 Gb/s với UHBR13.5 và 77,37 Gb/s với UHBR20.
Phía cáp, VESA chia thành hai hạng chứng nhận cần phân biệt rõ khi mua vật tư cho phòng lab: cáp đạt chứng nhận DP40 hỗ trợ tới mức UHBR10 với đủ bốn làn, cho thông lượng tối đa 40 Gb/s; cáp DP80 hỗ trợ tới UHBR20 với bốn làn, cho 80 Gb/s, và đương nhiên bao gồm cả UHBR13.5. Dùng cáp DP40 để thử một liên kết UHBR20 là cách chắc chắn nhất để thu về một kết quả sai mà không rõ nguyên nhân.
Băng thông máy hiện sóng: con số quyết định cấu hình
Đây là phần thực dụng nhất. Ba ngưỡng cần nhớ, và cả ba đều đã được Keysight nêu rõ:
- DisplayPort UHBR20: cần máy hiện sóng thời gian thực băng thông trên 21 GHz, kèm năng lực phân tích toàn vẹn tín hiệu và jitter cùng phần mềm chứng nhận tự động, để đo được cả UHBR10, UHBR13.5 và UHBR20.
- USB4 phiên bản 2.0, đo tuân thủ: cần máy hiện sóng tối thiểu 25 GHz băng thông và hai kênh để phân tích tín hiệu do thiết bị cần kiểm phát ra.
- USB4 phiên bản 2.0, đặc tính hoá ở mức thiết kế chip: nhà phát triển bán dẫn cần tới 50 GHz băng thông.
Đối chiếu ba ngưỡng này với danh mục cho ra một cây quyết định khá gọn. Máy hiện sóng Infiniium V-Series Keysight DSOV254A có băng thông 25 GHz, tốc độ lấy mẫu 80 GSa/s và bốn kênh analog — vượt thoải mái ngưỡng 21 GHz của UHBR20, và chạm đúng mức tối thiểu 25 GHz cho đo tuân thủ USB4 phiên bản 2.0. Chạm đúng mức tối thiểu nghĩa là không còn biên dự phòng, nên nếu công việc chủ yếu xoay quanh USB4 Gen 4 thì máy hiện sóng Infiniium V-Series Keysight DSOV334A với 33 GHz là lựa chọn hợp lý hơn: cùng 80 GSa/s, cùng bốn kênh, nhưng có biên để hấp thụ suy hao của đồ gá và cáp. Điểm cộng thực tế là DSOV254A có đường nâng cấp băng thông lên 33 GHz, nên phòng lab có thể bắt đầu ở mức thấp rồi mở rộng khi phạm vi công việc lớn dần.
Cần nói thẳng một giới hạn: mốc 50 GHz cho đặc tính hoá ở mức thiết kế chip nằm ngoài tầm của cả hai model trên. Nếu bài toán của bạn là phát triển SerDes chứ không phải kiểm tra sản phẩm hoàn chỉnh, hãy đặt vấn đề ngay từ đầu thay vì kỳ vọng mở rộng dần.
Đồ gá, de-embedding và điểm gá đo
Ở 25,6 GBaud, đồ gá không còn là phụ kiện. Đường từ đầu nối trên bo mạch thử tới đầu vào máy hiện sóng có suy hao, phản xạ và méo pha đủ lớn để làm hỏng kết luận nếu không được tách khỏi kết quả. Quy trình chuẩn là đặc tính hoá đồ gá riêng, rồi de-embedding phần đóng góp của nó khỏi dạng sóng đo được.
Ba nguyên tắc thực hành đáng nhớ. Thứ nhất, điểm gá đo phải khớp với điểm tham chiếu mà đặc tả quy định — đo đúng thông số nhưng sai điểm thì kết quả không dùng để đối chiếu chuẩn được. Thứ hai, cáp và đầu chuyển phải nằm trong chu kỳ hiệu chuẩn và được kiểm tra định kỳ, vì hư hỏng cơ khí ở đầu nối tần số cao thường âm thầm. Thứ ba, với tín hiệu ba mức, sai số biên độ ảnh hưởng mạnh hơn hẳn so với tín hiệu hai mức, nên phần hiệu chỉnh dọc cần được xử lý cẩn thận hơn thói quen cũ.
Cùng họ vấn đề này, phần trình bày chi tiết hơn về cấu hình đo lớp vật lý cho giao diện hình ảnh tốc độ cao có trong bài kiểm thử HDMI 2.2 lớp vật lý với FRL 96 Gbps.
Kiểm thử USB4 phía thu: nơi PAM3 tạo ra ranh giới thật
Đo phía phát chỉ là một nửa công việc. Phía thu phải chứng minh nó chịu được tín hiệu đã bị suy giảm có kiểm soát — nghĩa là cần một nguồn phát có khả năng tiêm jitter, suy hao và nhiễu theo kịch bản, rồi đếm lỗi.
Ở đây có một ranh giới cần nêu rõ. Hệ thống BERT tốc độ cao Keysight M8040A chạy tới 64 GBaud và hỗ trợ hai dạng điều chế NRZ và PAM4. Với DisplayPort UHBR — vốn là tín hiệu hai mức ở 20 Gb/s mỗi làn — năng lực NRZ này phủ trọn nhu cầu. Nhưng USB4 phiên bản 2.0 dùng PAM3, một dạng điều chế không nằm trong hai dạng nêu trên, nên bài đo phía thu cho Gen 4 đòi hỏi giải pháp hỗ trợ PAM3 một cách tường minh. Đây là chi tiết dễ bị bỏ qua khi chọn thiết bị theo con số tốc độ: 64 GBaud lớn hơn 25,6 GBaud rất nhiều, nhưng dạng điều chế mới là ràng buộc quyết định.
Ở nhánh ngược lại, không phải phép đo nào cũng cần thiết bị hàng chục GHz. Việc gỡ rối đường CC, quá trình thương lượng cấp nguồn USB-PD, tín hiệu điều khiển và các đường nguồn phụ hoàn toàn nằm trong tầm của một máy hiện sóng phổ thông: máy hiện sóng Keysight MSOX3104G với băng thông 1 GHz, bốn kênh analog cộng 16 kênh số, phù hợp cho lớp công việc này và tránh việc chiếm dụng máy băng thông cao cho những phép đo không cần tới.
Ba lỗi thường gặp
Chọn máy theo tốc độ tổng thay vì theo tốc độ ký hiệu và dạng điều chế. Nhãn “80 Gb/s” xuất hiện ở cả USB4 phiên bản 2.0 lẫn DisplayPort UHBR20, nhưng một bên là PAM3 ở 25,6 GBaud, bên kia là hai mức ở 20 Gb/s mỗi làn. Yêu cầu thiết bị không giống nhau.
Dùng cáp sai hạng chứng nhận. Cáp DP40 và DP80 phục vụ hai mức tốc độ khác nhau. Đây là nguồn gốc của rất nhiều kết quả “không đạt” thực ra là lỗi vật tư.
Bỏ qua de-embedding rồi kết luận về biên an toàn. Ở tốc độ ký hiệu này, suy hao đồ gá không phải sai số bậc hai. Không tách được phần đóng góp của đồ gá thì mọi con số về biên an toàn đều lạc quan giả tạo — và với PAM3, biên vốn đã hẹp hơn.
Kết luận
Trình tự đúng khi lập cấu hình là: xác định chuẩn và phiên bản, tra tốc độ ký hiệu cùng dạng điều chế, đối chiếu với ba ngưỡng băng thông 21 / 25 / 50 GHz, rồi mới xét tới đồ gá và phần mềm chứng nhận. Với phòng lab phục vụ cả hai chuẩn, mức 25 GHz là điểm vào tối thiểu và 33 GHz là điểm cân bằng có biên dự phòng. Riêng bài đo phía thu, hãy kiểm tra dạng điều chế được hỗ trợ trước khi nhìn vào con số GBaud.
Cuối cùng, kết quả đối chiếu chuẩn chỉ có giá trị khi máy hiện sóng, đầu dò và bộ đồ gá còn trong chu kỳ hiệu chuẩn — ở dải băng thông này, sai số thiết bị chiếm tỉ trọng thực chất trong ngân sách sai số tổng. Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 — liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình theo đúng chuẩn và phiên bản bạn đang áp dụng, hoặc lên lịch hiệu chuẩn cho thiết bị hiện có.
