USB-IF 在 2022年10月18日發布最新 USB4 Ver2.0規格，又再次使USB 帶寬增加一倍，通過 USB Type-C 線纜和連接器提供 80Gbps 性能且支援 DisplayPort 2.1。這將有益于更高性能的顯示器、儲存裝置與 USB 集線器等。為了支持更高傳輸性能，USB-IF 也同時發表 USB Type-C 線纜和連接器更新規格到 2.2 版，以及 USB PD 3.1 規格到 1.6 版本。

VESA協會也在前一日 2022年10月17日發布最新 DisplayPort 2.1 規格。同一周內，Intel 也展示其與 USB4 Ver2 規格一致的下一代 Thunderbolt 支持 80Gbps的早期原型。繼 USB-IF 在 2019年9月推出USB4規格，結合資料與影像同時傳輸，將傳輸速度提升至 USB 20Gbps (10Gbps x2) 與 USB 40Gbps (20Gbps x2)，搭配 PD 高達 240W 的快速充電功能，充分滿足游戲玩家高解析度顯示及快充所需；因應全球高效能運算 (HPC) 應用不斷加速，USB-IF發布最新USB4 Ver2.0規格，針對持續成長的數據量與更高解析度的影音規格，提供USB 80Gbps (40Gbps x2)的超高傳輸速度，使USB4持續稱霸外接總線。

本篇文章將介紹此最新規格，重點為以下幾項：

USB4 Gen4 介紹

為什么 USB4 Gen4 采用 PAM3？

USB4 Gen4 規格的「帶寬」優化

新增「非對稱傳輸」帶寬可提升至 120 Gbps

新增 USB3 Gen T 優化帶寬運用

圖1: USB4 PAM3眼圖

USB4 Gen4 介紹

新發布的 USB4 Ver2.0 規格，傳輸速率再次倍增，來到80 Gbps(40G bps x2)，并以 USB4 Gen4來表示。電氣層采用PAM3(Pulse Amplitude Modulation 3-level) 信號編碼，如圖 1 所示，利用三個電壓狀態進行傳輸，所以會形成上下兩個眼圖。

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

USB4 Gen4 規格采用不同以往的傳輸方式，下面先介紹幾個常見的專有名詞。

NRZ vs. PAM3 vs. PAM4

圖2: PAM2/PAM3/PAM4 比較

1.NRZ：Non-Return-to-Zero，也稱作 Pulse Amplitude Modulation 2-level (PAM2) 信號，二進制的編碼，使用高低準位來代表邏輯 1 與 0。NRZ 每個 Symbol 可以傳送1個bit ?(log2 2 = 1)。

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

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

Data Rate 與 Baud Rate

高速總線數據傳輸速度 Date Rate，通常以 bps (bit per second) 來表示，是指每秒傳輸的 bit 數。但是隨著信號編碼的改變，如網通常用 50 GBaud PAM4 傳送，可以達到 100 Gbps Data Rate。

Symbol Rate 以 Baud（波特）來表示。1 Baud 等于每秒傳輸一個 Symbol。而 Data Rate 再依照每個 Symbol 以不同編碼機制下所承載的 bit 數來計算。二者換算關系為：

Date Rate = Baud Rate * Symbol承載比特數

當信號編碼方式為 NRZ 時，Baud Rate 會等于 Data Rate，如 25.6 GBaud 的 NRZ (PAM2) ，Data Rate 為 25.6 Gbps (25.6 GBaud * log2 2)。

當信號編碼方式為 PAM3 時，25.6 GBaud PAM3 的 Data Rate 為40.575 Gbps (25.6 GBaud * log2 3)。

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

說明：PAM3 Symbol 乘載比特數最高為 1.58 個 bits (log2 3= 1.58)，USB4 Gen4 其 Symbol 乘載比特數為 1.57 (11/7 bits)，充分運用 99% PAM3 的傳輸帶寬。

誤碼率 BER vs. TER

在 NRZ 信號，以 bit 來傳輸，誤碼率會以 BER (Bit Error Ratio) 表示。對于 PAM3 以三進制的信號傳輸，誤碼率則以 TER (Trit Error Ratio) 表示。其中 trit 為 trinary digit（三進制數）的縮寫。

為什么 USB4 Gen4 采用 PAM3？

USB4 Gen4 想要達到 80 Gbps 且沿用與 Gen3 相同的 PCB 線纜，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

信號從 Host的TX 端經由連接器、線纜，再到Device的RX端，以 Gen3 相同線纜及 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) 將會超過 40dB，IC無法補償此過高損耗，導致信號無法正確接收，NRZ 無法符合 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困難度，而 PAM3 在信號噪聲失真比 (SNDR) 優于PAM4，經由模擬以及實際線路的實驗結果，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 規格的「帶寬」優化

USB4 Gen4 支援「非對稱傳輸」，速度可提升至 120 Gbps

為了維持高影像解析傳輸，在高數據傳輸情況下，不降低顯示品質，Gen4 新增非對稱傳輸 (Asymmetric Link)。只有 Gen4 可以支援非對稱傳輸，Gen2 與 Gen3 僅支援對稱傳輸。

對稱傳輸指的是 TX 通道數 (Lane) 與 RX 通道數一致。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 停用的狀態下傳輸；而雙通道對稱傳輸 (2*TX/2*RX) 可以在 Gen2、Gen3、Gen4 任何速度運行。Gen4 除了支持對稱雙通道傳輸外，為了可以支持高解析度影像 DP 2.1 傳輸，且同時高速傳輸數據，Gen4 新增非對稱傳輸，也就是將其中的一對 TX/RX 通道，作為影像傳輸通道，以 TX/TX 或 RX/RX 傳送，如下圖 3。也就是一邊傳輸 “3*TX/1*RX”，而另一邊為 “1*TX/3*RX”。使得其在一個方向提供高達120Gbps (40Gbps x3)，同時在另一個方向保持 40Gbps的速率。對稱傳輸轉換到非對稱傳輸，是由連接管理 (Connection Manager) 負責控制。

圖3: Symmetric and Asymmetric USB4 Link

USB4 Gen4 新增 USB3 Gen T 優化帶寬運用

USB4新增支持 USB3 Gen T 隧道協議，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，說明如下：

USB3 Gen X：使用現有 USB 3.2 協議的 USB3 隧道架構。

USB3 Gen T：使用修改的 USB 3.2 協議的 USB3 隧道架構，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 路由器內部，必須配備有 USB3 協議適配器 (USB3 Protocol Adaptor)，將原生的 USB3 協議數據流量和 LFPS 封裝在 USB4 數據包中，在 USB4 Ver2 最新規格中將此定義為 USB3 Gen X 隧道協議。

USB3 Gen X 隧道協議下，Hub 只有一個上傳的 Embedded SS Hub，即使 Hub 下接裝置多通道同時傳送，也會被上傳 Hub 的帶寬限制。如圖 4 左，無法充分利用 USB4 更高的帶寬。

圖4: USB3 Gen X and USB3 Gen T Tunneling Compare

USB3 Gen T 隧道協議使用 USB 3.2 協議的修改版本，主要透過新增USB3 Gen T 協議適配器來達成，如圖4右，若主機和設備都支持 USB3 Gen T，例如 Hub 下接兩個裝置，且都運行在 20 Gbps (USB3 10G x2)，下接帶寬共為 40 Gbps，在 Hub 運作，上傳與下傳會直接通過（無需經由 USB3 embedded SS hub），使得上傳帶寬亦可為 40 Gbps，不會受限于原 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 Host、Hub、Device 來說，USB3 Gen T Tunneling 都是可以選擇性支持的功能。

結論

USB4 Gen4 傳輸速度提升到 80 Gbps 并采用 PAM3 編碼，新增USB Gen T 與支持非對稱傳輸；測試上由原本只要測試兩對 TX/RX，變為4對TX/RX，不只增加了測試時間也增加了測試復雜度。

對于設計團隊來說，PAM3 編碼是新的挑戰，眼高只有原先 NRZ 一半的狀況下，信號噪聲失真比 (SNDR) 相形重要，更復雜的眼圖及抖動測試分析，需要更多時間去摸索。

參考文獻

1. Universal Serial Bus 4 (USB4) Specification, Version 2.0, October 2022

編輯：黃飛

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