USB Type-C具有尺度小、正反都能插、速度快等长处，一问世便受到了顾客的遍及喜欢，能够说代表了USB接口开展的未来方向。
选用USB Type-C的设备可完结更快的数据传输速率(快2.5倍)，以及更快的充电速度(达100W)。但要想让Type-C成为电子产品的“通用”标配，高速数字器材规划师们还面临着许多的应战。
关于数字规划工程师而言，USB Type-C是一个更具有应战性的架构，首要是因为对数字信号的上升时刻要求极高。一起因为高密度可逆衔接器的体积较小，使规划工程师在根底物理层规划时遇到互操作性意外问题的几率添加。选用丈量和仿真进行充沛调试，并对功用操控互联特性和制作公役进行检定，能够防止上述问题。
本文对整个丈量和仿真进程的每一个过程均进行了阐明，信号完整性工程师能够借此保证其对USB Type-C器材的规划取得成功。其间涉及到仿真/测验的根底性内容，包括处理S参数(散射参数)所运用的一些诀窍和技巧。
USB Type-C的优势
添加电功用的一种简略办法是使东西的体积更小。与更长的设备比较，经过特有的非均匀介质体系可完结更短的电推迟，所产生的损耗也更少，例如，印刷电路板微带传输线。与其他常用消费性衔接器比较，USB Type-C衔接器的体积更小，然后完结更低的损耗和更高的带宽。
一起，在防止串扰和电磁搅扰(EMI)问题时，更高的密度会在衔接器和PCB(印刷电路板)上保持传输线阻抗时产生新的问题。参看USB Type-C插座和USB Type-C插头(图1)。当数据速率抵达10-Gb/s时，多个脉冲宽度为100ps的存储单元会占有发送器和接纳器之间的通路。通路中的任何阻抗问题，以及每个上升沿和下降沿，都会导致屡次反射和耦合。屡次反射使整个链路衔接电路的调试变得困难。
图1 此处所示测验装备选用10个二端口PXI(面向仪器体系的PCI扩展)
VNA(矢量网络剖析仪)卡，以及小图中的二个特别测验夹具。左边标有“lux”的夹具是USB Type-C插座，右侧标有“n70515a”的夹具是USB Type-C的插头
为了简化调试流程，有一点十分重要，即工程师需能够对USB 物理层链路的榜首个组件进行仿真和丈量，并确认哪一个组件未抵达功用要求。一般，在对USB Type-C主机，设备或电缆进行丈量时，有必要运用先进的丈量误差校对技能对丈量夹具进行准确去嵌入。别的，仿真和丈量的关联性有助于减轻杂乱物理层结构所导致的问题，为改善其关联性对组件的准确丈量相同可使建模和仿真获益。
物理层的丈量办法
线性无源互连(例如USB Type-C物理层中所运用的)一般选用两种类型的影响/呼应测验设备进行检定：在时域内，运用时域反射仪(TDR);在频域内，运用矢量网络剖析仪(VNA)。不管主机仪器搜集时域数据，仍是搜集频域数据，一个域的数据设置都会被传输至另一域数据中，选用的是简略的算法(例如，傅里叶变换或傅里叶逆变换);选用专门的信号完整性软件(例如，Keysight的物理层测验体系，或PLTS软件)可使数字和微波工程师更简略完结上述域转化。
大多数信号完整性运用能够经过根本的四端口丈量(两个端口在外，两个端口在内)处理，还有一些更先进的东西能够让作业变得愈加简略，并能够对被测验器材(DUT)功用了解的更多。咱们所运用的20端口PXI结构的VNA便是如此;针对上述USB Type-C通道所进行的20端口数据集丈量仅用时两分钟。
选用此办法所搜集的很多数据被储存为规范格局的Touchstone文件，该文件可随后导入SI专业软件进行剖析。20端口的丈量产生20×20的S参数矩阵，在单个域中具有超越400个曲线。将其乘以域(时刻和频率)和拓扑(单端或差分)的数量或许产生很多的数据。测验手动办理如此多的丈量数据是一场噩梦，但用前述的PLTS软件处理则简略多了。
正确剖析后，经过所取得的元数据集能够对高速数字通道了解的愈加深化。能够充沛检定差分刺进损耗、差分回波损耗、阻抗散布、眼图、近端和远端串扰、形式转化和具有预加剧和均衡的信道优化。
丈量诀窍和技巧
如图1所示，VNA设置包括一个外围组件互连扩展(PCI-X)机箱，具有可滑动进出的模块，用于可扩展的测验功用。一个嵌入式操控器和10个VNA模块(每个模块为两端口VNA)构成一个20端口VNA。VNA模块丈量规模为300 kHz至26.5 Hz，供给超卓的速度，高动态规模，低盯梢噪声和继续稳定性，以及可进步USB Type-C丈量的精度。
测验电缆扇出到被测通道——在此情况下，由一个USB Type-C插座测验夹具和一个USB Type-C插头组件构成。每条测验电缆结尾的蓝色胶带用于固定测验电缆以添加校准精度。运用的校准是不知道穿透法(也称为交互穿透法)，而且该胶带可保证电缆在DUT的校准和丈量进程中不移动。这是一种众所周知的诀窍，这种办法能够使活络校准中的相移最小化，然后取得最大精度。
进行多端口丈量时，需花些时刻依照必定的逻辑符号S参数数据集的每个端口，这种办法也十分有用。而且，这种办法还有助于从头映射端口，以便剖析软件能够轻松运用默认设置。
1到2，3到4通道拓扑，用于直接制作混合形式参数(图2)。在需求的情况下，SI东西使单端和差分端口映射和从头排序完结可视化变得愈加简略，在处理大数据集时，具有一个SI东西能够节约很多时刻。
图2 Type-C支撑USB 2.0(Dp和Dn)和USB 3.1(发送 –TX1p，TX1n，TX2p，TX2n–和接纳–RX1p，RX1n，RX2p，RX2n)的数据传输通路。将VNA的端口明晰地映射到夹具和DUT，能够保证彻底了解对被测验器材(DUT)功用的剖析
差分S参数
USB物理层运用差分信号，差分信号可包括差分对的p(+)和n(-)通路之间的很多耦合。这需求运用混合形式参数来正确剖析Tx和Rx通道的功用。为了快速了解S参数的更新，图3给出了多形式S参数的4×4矩阵。对这个16元素S参数矩阵的解说并非没有意义，这对一次剖析一个象限是有协助的。
图3 与抱负矩阵比较，丈量S参数矩阵的每个象限，能够更多地了解被测验器材(DUT)的功用
左上方的榜首象限被界说为描绘被测验设备的差分影响和差分呼应特性的参数。这是大多数高速差分互连的实际作业形式，一般是最有用的象限，因而会被首要进行剖析。
第四象限坐落右下方，描绘了经过被测器材传达的共用信号的功用特性。假如器材规划正确，则应进行最小形式转化，那么，第四象限数据也变得不重要了。可是，假如因为规划缺点，而需进行任何形式转化，则第四象限将阐明该共用信号的行为办法。
第二和第三象限别离坐落图3右上方和左下方，这两个象限关于工程师剖析来说是最令人感兴趣的象限。这两个象限也被称为混合形式象限，因为它们能够彻底检定在被测验器材中产生的任何形式转化，无论是共模-差模转化(EMI敏感性)仍是差模-共模转化(EMI辐射)。在测验优化千兆位数据吞吐量的互连规划时，了解形式转化的起伏和方位十分有用。
在本文榜首部分中，咱们了解了差分S参数背面的根本概念。现在咱们能够开端研讨多通道Touchstone文件中的很多信息(图4)。虽然起先看起来很杂乱，但有一些根本的剖析办法能够重复运用，而且能够取得十分成功的成果。咱们现在将评论一些剖析的诀窍和技能，这些诀窍和技能是了解器材功用最方便的办法。
图4 在坐落左上方位的20端口.s20p Touchstone文件象限中，能够一次检查400个S参数，或一次检查多个曲线图
完美的对称
大型多通道S参数文件剖析的榜首阶段中的一个过程是运用时域。VNA S参数丈量能够用快速傅里叶逆变换(IFFT)函数来修正，以提取TDD11时域参数，该时域参数被描绘为电阻对时刻的阻抗曲线，其间时刻标明间隔(信号传达和电阻改变或不接连反射所花费的时刻)。
为什么这种办法优于运用SDD11频域数据?因为频域不能供给任何空间信息。而在时域中，能够快速定位坏的电缆、开路、短路和其他反常的方位。关于保存数据之前的丈量设置，在对其进行“健全性检查”时，制作一切差分通道的差分阻抗曲线是一种快速办法。
一切差分通道(图5)的曲线图显现出一切正向和逆向阻抗曲线波形之间存在完美的对称。因为咱们现已主动正向和逆向丈量了每个通道，因而会显现很多的镜像波形。这便是具有高端口计数仪器的长处。
图5 一切差分通道的曲线图显现出一切正向和逆向阻抗曲线波形之间存在完美的对称
右上方的波形图例标明咱们现已制作了TDD11到TDD88的波形。TDD11通道的正向差分阻抗曲线与TDD22彻底相同，除了TDD22仅仅逆向差分阻抗曲线。所以这两种丈量曲线应为对称，现实确实如此。其他的曲线对也是如此。
正向和逆向通道阻抗曲线
剖析数据通道的下一步是对坐落中心的USB Type-C衔接器进行空间定位(咱们知道它在中心邻近，但需知道其切当的方位)。为此，咱们再次检查时域数据，并在咱们物理断开两个夹具后对通道进行简略地丈量。当断开两个夹具时，咱们会看到一个夹具的阻抗曲线终止于一个开路。当定位到衔接器方位时，能够看到无限阻抗的方位忽然呈现笔直线(图6)。
图6 当夹具断开时，笔直的红线标明开路。这标明每个夹具完毕和开端的方位
为了验证和仔细检查咱们的作业，咱们会看到断开夹具的具有相同的阻抗曲线，但现在从另一个方向来看(图7)。正如咱们之前所说到的，TDD22仅仅TDD11通道的逆向阻抗曲线。就在一个夹具完毕和开端的方位，咱们能够看到相同的笔直红线。很明显，在看这两个TDD11和TDD22波形时，这两个夹具互相彻底不同。
图7 经过将此图与图6进行比较，能够看出两个夹具不同之处
丈量通道
曩昔，一般运用两种办法来消除丈量夹具对被测验器材或DUT的影响(图8)。
图8 为了准确丈量被测验器材(DUT)，有必要首要移除夹具的影响
榜首种办法是运用电磁仿真器对夹具进行建模，并运用仿真的S参数成果往来不断嵌入夹具的影响。但为夹具树立一个准确的模型需求一些时刻。第二个技巧是在用于制作夹具的同一块PCB上树立一个校准用规范。
这些传统的校准办法是将基准面放置在夹具PCB上可放置定制规范的方位。相似TRL的校准用规范在基准面上需求一个TEM形式;也便是说，机械结构反映在基准面上。此种类型校准的终究成果一般使匹配的衔接器功用作为DUT的一部分，例如，USB主机、电缆或设备。能够从全途径丈量中移除夹具，以取得DUT的S参数，其间包括匹配衔接器的功用(图9)。这一般是所希望的成果，因为通道中这些不同组件的供货商需求标明他们的产品能够与匹配的衔接器兼容。
图9 虽然能够从全途径丈量中移除夹具，以取得包括匹配衔接器功用的DUT的S参数，可是为了供给正确的通道推迟，需求选用什么类型的校准将基准面放置在匹配的衔接器中呢?
虽然在DUT中包括匹配的衔接器，关于检定和比较通道中不同组件的功用十分有用，可是当将组件级联在仿真中以与丈量的全途径功用进行比较时，则存在困难。关于观察者而言，清楚明了的是，应当在匹配外表处分隔匹配的衔接器，而且仅留下插头或插座作为DUT的一部分。而难题就在于，选用什么类型的校准将基准面放置在匹配衔接器的中呢?
主动夹具移除
几年前引入了一种相对较新的技能，该技能被称为主动夹具移除(AFR)，只需求一个校准用规范，而不是像TRL需求多个规范。该规范能够是一个背对背2x夹具直通途径，或在某些情况下，仅仅一个敞开的1x夹具结构。直通途径仅仅所衔接夹具的左半部分和右半部分，而且不包括DUT。此处进行了一个斗胆假定，即直通途径有必要是对称的。在选用USB Type-C衔接器的情况下，因为插座不能与另一插座匹配，因而难以树立一个背对背直通途径。
图10 经过比较传统的TRL校准结构(左)和运用AFR技能(右)的校准结构，AFR选用第二层AFR校准将丈量基准面移到终究方位
1端口AFR技能的长处是能够将基准面主动放置在Type-C插头和插座所需匹配外表上(图11)。这样能够取得在仿真中级联的主机、电缆或设备的S参数行为模型，然后改善仿真-丈量的相关性，而且具有准确的电推迟。
图11 1端口AFR技能能够将基准面主动放置在Type-C插头和插座的匹配外表上
每个组件的电推迟能够使用频域中的群推迟或时域中脉冲呼应抵达的峰值来丈量(图12)。经过1端口AFR对插头时刻推迟和插座时刻推迟的丈量，可取得对刺进在一起的两个夹具所丈量的全途径时刻推迟。
图12 经过1端口AFR对插头时刻推迟和插座时刻推迟的丈量，可取得对刺进在一起的两个夹具所丈量的全途径时刻推迟
