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，如下圖所示，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。

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)。

PAM2/PAM3/PAM4 比較

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 (25.6GBaud*log2 2)。

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

Symmetric and Asymmetric USB4 Link

USB4Gen4新增USB3GenT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。如下圖左，無法充分利用 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，如上圖右，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。

編輯：黃飛