【原创】最全面的Thunderbolt介绍和测试原理

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编者注：本文由是德科技中国有限公司的张晓和黄腾共同完成。前段时间我发布了一篇新闻稿，关于USB4的，其中就说到了USB4采用的就是Thunder3.0.如蓝色字体链接。USB 4.0标准即将发布，40Gbps的速率，意义堪比5G。其实Thunderbolt在市场上已经有很多产品了，其测量确实很麻烦，做相关产品的工程师或者从业者可以从本文了解一二。

   

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Thunderbolt历史沿革与简介
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8 l( T4 k8 l% W( A, a3 NThunderbolt标准最初由Intel公司在2009年提出，当时的代号为“雷电”，准备采用光纤传输。
1 F$ O- l- o$ G! k) E2011年，Apple公司和Intel合作推出了1.0版，正式商用于MacBook Pro,双向传输速率达10Gb/s，可支持PCI Express和DisplayPort两种标准。
2013年，Apple公司在其Mac Pro上推出了2.0版，同步传输速度达20Gb/s。
  S7 O: U+ S) ?2015年，Intel在Alpine Ridge上发布了3.0版。为了支持更多的设备，采用了USB Type-C接口，带宽达到40Gb/s。

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图1 采用Thunderbolt标准的单一端口产品示意

近几年来，Thunderbolt和USB两大标准成为终端设备接口的两大流派，不同的是Thunderbolt标准一直由Intel和Apple两家公司掌控，其应用面非常狭窄。而USB标准则由Intel主导的开放协会USB-IF掌握，因此广泛应用于各种电子产品中，在通用接口标准中隐隐然有一统天下之势。因此Intel Thunderbolt团队为了抗衡持续扩张的USB3.x标准，近两年已经开始开放Thunderbolt标准，允许业界更多的厂商参与进来。
( f6 S# d. |/ c0 R/ }8 @就在2019年3月初，USB-IF除了之前重新规划了所有现有的USB3.x标准，统一为USB3.2,更震撼业界的是USB-IF宣布采纳原来由Intel和Apple掌控Thunderbolt3标准并定义为USB4，这意味着Intel已经做好了将Thunderbolt完全公开的准备，未来Thunderbolt将穿上USB4的外衣并广泛被业界采用，这也是整个产业界在面对风起云涌的5G和iABC时代在终端产品上如何加速信息汇聚作出的重要应对。
Thunderbolt/USB4接口的测量和测试已经成为一个热门话题。
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; O  L3 b, d3 x. u( I8 _- KThunderbolt标准及其信号的基本状况
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* ^/ w. M2 g" w9 B' h& N  c# q* D( ?Thunderbolt是一种计算机协议，可以理解为一种电脑里的技术传输技术，该技术主要用于连接PC和其他设备。早期的第一、二代产品采用MiniDisplay接口和有源电缆，融合了成熟的PCI Express数据传输技术和DisplayPort显示技术，两条通道可同时传输这两种协议的数据，每条通道提供双向10Gb/s带宽。

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图2 Thunderbolt多标准融合示意图
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相比一、二代产品，Thunderbolt3.0跨越了一个大台阶，不仅在技术上取得了重大突破，在兼容性和适配性上面也有了相当的提升。为了提供极致的传输速率，Thunderbolt3两条通道可同时传输数据，每条通道提供双向20Gb/s速率，即Thunderbolt3带宽达到最高40Gb/s，它是USB3.0的8倍，是USB3.1的4倍。

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图3 Thunderbolt3与2/1以及USB 3.1传输速度对比
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4 l/ ^( ?3 J. k: ]# Z得益于带宽的提升，Thunderbolt可以支持两台4K，或者一台5K显示器，不到30秒就能完成一部4K影片的传输。
Thunderbolt3通过流行的USBType-C接口实现如此高的速度，而非MiniDisplay接口。这个举措无疑会在设备厂商和主机厂商那边获得大大的加分。同时，Intel也提供了相同的交替模式（ALT mode），通过把USB3.110Gb/s控制器、Displayport控制器整合到Thunderbolt控制器当中，它也获得了对于USB3.1、DP1.4的完全支持；也可以通过Thunderbolt信号传输PCIe协议，支持高速的PCIe存储和网络传输应用。
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图4 Thunderbolt优点

Thunderbolt3通过Type-C接口还可以为设备提供更强的供电，支持100W电力供给，并且可给设备充电功率最高达15W。

图5 基于Type-C接口的Thunderbolt端口充电示意
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' G( j' K# [3 s! j+ ]7 @# x同时，Thunderbolt可以通过菊花链的形式，支持最高6台设备的级联。将笔记本电脑、游戏电脑、高清显示器、高速存储器和扩展坞等众多Thunderlot设备连接在一起，组成一个网络。

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图6 Thunderbolt菊花链示意图
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; q6 h, |9 [! ]. ?+ I; h简单来说，就是一个Thunderbolt搞定所有，于是越来越多追求极致轻薄的笔记本电脑在机身上只留下了一个Thunderbolt3的USBType-C接口；支持Thunderbolt3的扩展设备也越来越多，越来越丰富，从最简单的功能扩展的坞站，到大幅提升电脑性能的外置显卡，再到便携式移动硬盘，都在使用Thunderbolt。
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: m- N4 u0 ^: p4 k! TThunderbolt接口测试的意义和方法论

6 X  K+ \6 j# T/ ~& Z第一、二代Thunderbolt技术因为只支持有源的电缆，在发送端和接收端10Gb/s信号的抖动、眼图有比较好的余量，所以它的测试方法还是比较简单的。Thunderbolt3技术除了支持有源的电缆外，还需要支持无源的电缆。在20Gb/s速率，高速信号经过很短的无源电缆传输，信号都会有显著的损伤。并且为了保证向下兼容性，Thunderlot3两个通道需要同时支持10Gb/s、10.3125Gb/s、20Gb/s和20.625Gb/s四种高速速率；同时，通过ALT mode(交替模式)，Thunderbolt3 还原生地支持USB3.110Gb/s和Displayport，即对于Thunderbolt接口，除了测试Thunderbolt信号本身外，还需要测试USB3.1和DisplayportOver Type-C，这些都大大地增加了测试的复杂程度和工作量。由于USB3.1和Displayport信号测试不在本文的讨论范围之内，后面的章节将只讨论Thunderbolt自身信号测试。
! n5 P& z7 ]6 A2 `业内对于各种高速接口总线测试，需要遵守其相应标准组织如PCI-SIG, USB-IF,HDMI联盟，VESA等定义的一致性测试规范(CTS, Compliance Test Specification)。传统的是以抖动、眼图为基础的发送端Tx测试；当信号速率≥5Gb/s后，以抖动容忍测试为基础的接收端测试也变成了必须。Thunderlot接口测试也不例外，它需要遵守的测试规范是USB Type-C Thunderbolt Alternate ModeElectrical Host/Device Compliance Test Specification，目前最新的版本是Rev.1.5 Version0.9。和传统的USB3.1、PCIEG3等一致性测试相比，Thunderbolt3接口测试有以下三点不同之处：
" [1 t' {, O. m8 o' DPresetCalibration

: Z) W1 I# ^4 D& R/ }+ a! iThunderbolt信号为了补偿有损链路带来的损耗，定义了16种发送端均衡(Preset0~Preset15)，CTS规定在做发送端测试前，需要对每一个接口的每一对高速信号的四种速率分别做Preset的校准，分别测试各种Preset提供的眼宽值，选择能够提供最大眼宽的这种preset，作为后续验证的基础，如果有两种preset得到相同的眼宽值，选择能够提供更大眼高的那种preset。如下图，最终选择preset的结果为P6。
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图7 Preset Calibration测试结果说明

) P: z9 q" h# rCTLE calibration

! D- j3 u3 Y  k$ H- H0 [: X5 M* j针对无源电缆的应用场景，Thunderbolt3的发送端测试点在TP3EQ。示波器在进行信号质量分析前，需要模拟真实device，引入一个参考均衡算法，减轻有损电缆对信号质量的恶化。Thunderbolt Interconnect Specification定义了这种参考均衡算法可以有10中不同的连续时间线性均衡(CTLE:Continuous-Time-Linear-Equalizer)和判决反馈均衡(DFEecision-Feedback-Equalizer)组成。在做TP3EQ测试前，需要校准示波器的参考均衡算法，以期得到最优的眼图结果。具体做法是：对每一个接口的每一对高速信号的四种速率分别应用前面Preset calibration得到的Preset值，调整示波器均衡软件的设定，测试各种设定下得到的眼高值，选择能够提供最大眼高的这种均衡设定，作为TP3EQ测试点的示波器测量眼图时的设定，如果有两种均衡设定得到相同的眼高值，选择能够提供更大眼宽的那种均衡设定。如下图，最终选择的示波器均衡设定为7dB.

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图8 CTLE Calibration测试结果说明

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TransmitterReturn loss
) p$ s' i: n9 Q4 c5 {$ ^/ {8 {
5 c; w5 U& g: ~( J$ c+ O高速串行信号传输速率越高，信号的射频微波化趋势就越明显，20Gb/s的Thunderbolt3信号的Nyquist频率已经高达10GHz。这种情况下，仅仅测试信号的时域指标已经越来越难以保证信号的质量；Thunderbolt发送端在正常传输数据时的回波损耗测试也变成了一个必须的测试项目。如下图所示，同一个Thunderbolt口的两对20Gb/s差分信号近端眼图Lane0 fail, Lane1 pass。测试它们的回波损耗，在10GHz这个频点，Lane0要比Lane1差一点，这个就是根本的原因。
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图9 发送端回波损耗测试
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鉴于今天数字电路的高度集成，在这种成熟和典型的系统研发和生产中，依照芯片供应商的设计方案进行设计开发并进行个性化设计，以及在消费电子领域的规模效应下的降成本以获得更高利润的驱动，针对最终产品进行充分的一致性测试成为必不可少的工作。而对于消费者而言，在购买产品时由于其本身专业知识的欠缺带来的信息不对称，根据市场上不同产品通过标准的认证情况来决定其选择倾向风险最小。因此考虑以上两点，如同黑盒测试一般的一致性测试正在成为今天消费类电子产品出货前的最终检验。所以最终产品由于其针对市场和消费者偏好的个性化设计和降成本驱动带来的信号品质变化，必须经由出货前的一致性测试进行完备和严格的测试，在实际的产品开发和生命周期内，降成本和信号品质达到一个最终的平衡点。Thunderbolt标准作为一个非常典型的外部接口，完全符合以上描述的市场状况。
: \' L- O7 D/ C2 n; P6 h8 i. U5 m因此在系统厂家将最终产品送交测试认证实验室进行最终的Pass/Fail Logo认证测试前，必须先对自己的产品进行Pre-Compliance(预一致性)测试，以便在认证测试实验室达到一次完成从而缩短上市周期和节省金钱的目的。下面我们就针对Thunderbolt标准的发送端、接收端和回波损耗一致性测试作一简要说明。
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Thunderbolt发送端测试方法

3 D6 ?6 @, U" v9 z: [$ X! f& I下图是Thunderbolt发送端测试的连接示意图。和其他的高速串行总线接口发送端一致性测试方案类似，主要有夹具、低损耗相位匹配电缆、示波器组成。除此之外，Thunderbolt发送端测试还需要一个TBT micro-controller，它的作用是：1.运行Intel特殊的脚本程序控制被测设备产生的相应的测试码型RPBS15/PRBS31/SQ32等；2.模拟实际的工作场景，产生串扰信号。

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图10Thunderbolt发送端测试示意图
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7 ^5 k( N9 f- G3 E- x5 y$ E示波器的要求如下：
?  带宽: DC到21±1GHz及以上
% D2 h$ y+ I* U: L?  采样率: 50GSa/s及以上（两通道同时工作时）
0 o" r. _% m/ ?) ]?  存储深度：50Mpt/CH及以上
高级分析功能：1st和2nd阶CDR能力；均衡分析；抖动测量；嵌入/去嵌能力等
是德科技基于InP工艺的Infiniium高带宽示波器，凭借其优异的低噪声、低抖动底噪等硬件性能和专利的尾部拟合”Tail-fit”抖动分离算法等软件，是目前唯一被Intel和Thunderbolt认证实验室认可和批准使用的高带宽示波器。
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图11 Thunderbolt规范关于发送端测试设备说明

如前所示，Thunderbolt3.0需要支持有源电缆和无源电缆两种应用场景，针对的测试点分别是TP1和TP3EQ，即通俗讲的近端测试和远端测试。在进行远端测试时，需要考虑无源电缆的影响。因为一根实体的无源电缆很难完整的表征所有最恶劣的场景，包括插入损耗、回波损耗、串扰等，为了保证测试的一致性和可重复性，发动端测试都是用软件的算法，利用示波器嵌入S参数/传递函数的方式，实现参考链路的模拟。最后，再考虑均衡的影响，判断TP3EQ测试点的信号是否满足规范的要求。

图12 Thunderbolt发送端一致性测试点定义图

详细的测试结果，如下所示，是是德科技的N6470B Thunderbolt3一致性分析软件分析得到的结果。除了前面提到的Preset calibration和CTLEcalibration外，主要包括10Gb/s、10.3125Gb/s20Gb/s和20.625Gb/s四种信号速率下：
! V; K5 B5 U$ T" n. k3 _$ ]?  近端TP1 抖动、眼图、SSC、不相关抖动、不相关确定性抖动等
' b/ ?6 k# T' ^) c# _  Z?  远端TP3EQ 抖动、眼图、不相关抖动、不相关确定性抖动等
* {7 c6 s" R5 Z5 p?  上升时间、下降时间、Preset、AC共模电压等
每个测试项目前面的编号，是和Thunderbolt测试规范一一对应的。
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图13 Thunderbolt发送端一致性测试报告

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Thunderbolt接收端测试方法

# r% n2 j6 Q9 ^下图是Thunderbolt接收端测试的连接示意图。同样的，和其他的高速串行总线接口接收端一致性测试方案类似，Thunderbolt接收端测试也是由误码仪、夹具、低损耗相位匹配电缆等组成。这个方案和传统的USB3.1、PCIEG3等一致性测试方案相比最大的不同是，Thunderbolt接收端测试只需要误码仪的码型产生单元，误码比较单元在Thunderbolt芯片内部，测试电脑运行Intel特殊的脚本程序，通过Thunderbolt micro-controller读取误码测试时Bert和Thunderbolt芯片Preset和链路协商过程、以及最后的误码测试结果。同时，Thunderbolt micro-controller会模拟实际的工作场景，产生串扰信号。另外，还需要一个微波信号源，产生一个400MHz的AC共模干扰。

图14 Thunderbolt接收端测试示意图

接收端测试的信号源要求如下：
?  信号速率：≥20.625Gb/s
$ M$ F9 s- T. c  j. Q?  信号码型：PRBS15，PRBS31和方波
( u8 ?$ N1 z" A" J! y- q$ ]?  差分电压范围：0-2Vp-p（10mV步进）
6 R9 \1 v4 z, ?! o/ I?  上升时间：≥ 10fs(20%-80%)
7 `2 ]& l- [4 H, I, s/ N?  固有抖动：≤400fsRMS
?  发送端均衡能力
: Z+ l7 r6 ^- n& e?  SSC：向下偏移0%到0.56%
. u, v' j' ~2 G% ?2 V! K& k" L如前所示，Thunderbolt3.0需要支持有源电缆和无源电缆两种应用场景，接收端针对的测试点分别是TP2和TP3EQ。既然信号源需要提供一个标准的符合规范的压力信号进行接收端测试，就必须采用示波器对压力信号进行校准，保证信号源发出的信号经过不同的夹具、电缆后到达测试点各压力成分均满足规范的要求。同时在接收端测试时，我们需要准备两条被Thunderbolt协会认证过的无源电缆，2M长的Thunderbolt2.0(10Gb/s)无源电缆和0.8M长的Thunderbolt3.0(20Gb/s)无源电缆，模拟最恶劣的链路环境。
     
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图15 Thunderbolt接收端测试点定义和设备图

4 d" O2 Y0 G9 o: {详细的接收端测试结果，如下所示。是德科技的N5990A软件，会通过Thunderboltmicro-controller读取误码测试时误码仪和Thunderbolt芯片Preset和链路协商过程、以及最后的误码测试结果。
      

图16 Thunderbolt接收端测试报告

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" l0 a4 |1 h8 k. IThunderbolt回波损耗测试

下图是Thunderbolt回波损耗测试的连接示意图。主要有网络分析仪、相位匹配电缆、测试夹具和Thunderbolt micro-controller组成。控制PC通过ThunderboltMicro-controller配置DUT产生PRBS31信号，验证其回拨损耗是否满足规范的要求。一般会同时验证其特征阻抗。

图17 Thunderbolt回波损耗测试连接示意图
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0 v. c7 `  I  f网络分析仪的要求如下：
8 T4 f( v" c6 C% \1 Q8 l?  2端头同时工作
?  带宽：1MHz-13GHz
' r0 T# T, f& U$ E9 K& @?  动态范围：>50dB
?  TDR选项
% h$ E0 Z6 [1 m/ }: F$ A" @* \, `  \下图是使用Keysight E5071C得到的测试结果，左边是特征阻抗，右边是回波损耗。

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图18 Thunderbolt特征阻抗和回波损耗测试结果图

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发送端测试

如上所述，是德科技基于InP工艺的Infiniium高带宽示波器，凭借其优异的低噪声、低抖动底噪等硬件性能和专利的尾部拟合”Tail-fit”抖动分离算法等软件，是目前被Intel和Thunderbolt认证实验室认可和批准使用的高带宽示波器。Thunderbolt3一致性分析软件N6470B可以快速、准确的协助工程师判断其产品是否满足测试规范的要求。发送端测试的推荐配置如下：
* W6 r  e; P- F2 y( C4 F* \?  UXR0254A/DSAV254A/DSAZV254A（25GHz及以上带宽的高端示波器）

l  D9020ASIA 高级信号完整性分析套件(包括：CTLE/DFE均衡、夹具/线缆去嵌、测试链路嵌入、串扰软件)