为什么USB4 Gen4采用 PAM3？

USB-IF 在 2022年10月18日发布最新 USB4 Ver2.0规格，又再次使USB 带宽增加一倍，通过 USB Type-C 线缆和连接器提供 80Gbps 性能且支援 DisplayPort 2.1。这将有益于更高性能的显示器、储存装置与 USB 集线器等。为了支持更高传输性能，USB-IF 也同时发表 USB Type-C 线缆和连接器更新规格到 2.2 版，以及 USB PD 3.1 规格到 1.6 版本。

VESA协会也在前一日 2022年10月17日发布最新 DisplayPort 2.1 规格。同一周内，Intel 也展示其与 USB4 Ver2 规格一致的下一代 Thunderbolt 支持 80Gbps的早期原型。继 USB-IF 在 2019年9月推出USB4规格，结合资料与影像同时传输，将传输速度提升至 USB 20Gbps (10Gbps x2) 与 USB 40Gbps (20Gbps x2)，搭配 PD 高达 240W 的快速充电功能，充分满足游戏玩家高解析度显示及快充所需；因应全球高效能运算 (HPC) 应用不断加速，USB-IF发布最新USB4 Ver2.0规格，针对持续成长的数据量与更高解析度的影音规格，提供USB 80Gbps (40Gbps x2)的超高传输速度，使USB4持续称霸外接总线。

本篇文章将介绍此最新规格，重点为以下几项：

USB4 Gen4 介绍

为什么 USB4 Gen4 采用 PAM3？

USB4 Gen4 规格的「带宽」优化

新增「非对称传输」带宽可提升至 120 Gbps

新增 USB3 Gen T 优化带宽运用

图1: USB4 PAM3眼图

USB4 Gen4 介绍

新发布的 USB4 Ver2.0 规格，传输速率再次倍增，来到80 Gbps(40G bps x2)，并以 USB4 Gen4来表示。电气层采用PAM3(Pulse Amplitude Modulation 3-level) 信号编码，如图 1 所示，利用三个电压状态进行传输，所以会形成上下两个眼图。

每通道以25.6 GBaud进行传输，传送端将二进制 bit信号，透过11-bits to 7-trits (三进制) 的映射配置进行编码，以 PAM3 信号传输，达到双通道80 Gbps传输速度。在接收端部分，Gen4要求在没有FEC（Forward Error Correction向前纠错）的条件下，误码率 TER (Trit Error Ratio) 须以 1E-8 或更低的误码率进行接收。

USB4 Gen4 规格采用不同以往的传输方式，下面先介绍几个常见的专有名词。

NRZ vs. PAM3 vs. PAM4

图2: PAM2/PAM3/PAM4 比较

1.NRZ：Non-Return-to-Zero，也称作 Pulse Amplitude Modulation 2-level (PAM2) 信号，二进制的编码，使用高低准位来代表逻辑 1 与 0。NRZ 每个 Symbol 可以传送1个bit  (log2 2 = 1)。

2.PAM3：Pulse Amplitude Modulation 3-level，3 阶脉冲振幅调变，三进制的编码，通常以 -1，0，+1 或者 0，1，2 来表示 Ternary（3元的）值，PAM3 每个 Symbol 可以传送 1.58个bits (log2 3 = 1.58)。

3.PAM4：Pulse Amplitude Modulation 4-level，4 阶脉冲振幅调变，通常以 00，01，10，11 来表示。PAM4 每个 Symbol 可以传送2个 bits (log2 4 = 2)。

Data Rate 与 Baud Rate

高速总线数据传输速度 Date Rate，通常以 bps (bit per second) 来表示，是指每秒传输的 bit 数。但是随着信号编码的改变，如网通常用 50 GBaud PAM4 传送，可以达到 100 Gbps Data Rate。

Symbol Rate 以 Baud（波特）来表示。1 Baud 等于每秒传输一个 Symbol。而 Data Rate 再依照每个 Symbol 以不同编码机制下所承载的 bit 数来计算。二者换算关系为：

Date Rate = Baud Rate * Symbol承载比特数

当信号编码方式为 NRZ 时，Baud Rate 会等于 Data Rate，如 25.6 GBaud 的 NRZ (PAM2) ，Data Rate 为 25.6 Gbps (25.6 GBaud * log2 2)。

当信号编码方式为 PAM3 时，25.6 GBaud PAM3 的 Data Rate 为40.575 Gbps (25.6 GBaud * log2 3)。

USB4 Gen4 以 PAM3 信号，25.6 GBaud 速度传输，透过 11-bits 到 7-trits 的映射配置，以 40.2 Gbps Date Rate (25.6 GBaud* 11/7)，达到双通道传输 80 Gbps。

说明：PAM3 Symbol 乘载比特数最高为 1.58 个 bits (log2 3= 1.58)，USB4 Gen4 其 Symbol 乘载比特数为 1.57 (11/7 bits)，充分运用 99% PAM3 的传输带宽。

误码率 BER vs. TER

在 NRZ 信号，以 bit 来传输，误码率会以 BER (Bit Error Ratio) 表示。对于 PAM3 以三进制的信号传输，误码率则以 TER (Trit Error Ratio) 表示。其中 trit 为 trinary digit（三进制数）的缩写。

为什么 USB4 Gen4 采用 PAM3？

USB4 Gen4 想要达到 80 Gbps 且沿用与 Gen3 相同的 PCB 线缆，必须采用新的编码方式如 PAM3 或 PAM4，并且从下列两大方向考量：

总损耗考量

信号从 Host的TX 端经由连接器、线缆，再到Device的RX端，以 Gen3 相同线缆及 PCB 最大允许损耗下，若采用 NRZ 以 40 Gbps 传输，其传输损耗在 Nyquist频率 (20GHz) 将会超过 40dB，IC无法补偿此过高损耗，导致信号无法正确接收，NRZ 无法符合 Gen4 要求。而 PAM4 与 PAM3 在 Gen4 Nyquist 频率为 10GHz 与 12.8 GHz，其总传输损耗分别约为 23dB 与 28dB，IC可以补偿此损耗，纳入分析考量。

误码率考量

PAM3 传送眼高为 NRZ 的一半，PAM4 传送眼高为 NRZ 的 1/3，增加接收端还原信号困难度，而 PAM3 在信号噪声失真比 (SNDR) 优于PAM4，经由模拟以及实际线路的实验结果，未编码 BER 分别为 10E-8 与 10E-6，因而选择采用更适合的 PAM3。

USB4 Gen4 规格的「带宽」优化

USB4 Gen4 支援「非对称传输」，速度可提升至 120 Gbps

为了维持高影像解析传输，在高数据传输情况下，不降低显示品质，Gen4 新增非对称传输 (Asymmetric Link)。只有 Gen4 可以支援非对称传输，Gen2 与 Gen3 仅支援对称传输。

对称传输指的是 TX 通道数 (Lane) 与 RX 通道数一致。USB4 Gen4 必须为双通道传输，只有 Gen2 与 Gen3 可以是单通道传输 (1*TX/1*RX)，也就是在 Lane 0 传输、Lane 1 停用的状态下传输；而双通道对称传输 (2*TX/2*RX) 可以在 Gen2、Gen3、Gen4 任何速度运行。Gen4 除了支持对称双通道传输外，为了可以支持高解析度影像 DP 2.1 传输，且同时高速传输数据，Gen4 新增非对称传输，也就是将其中的一对 TX/RX 通道，作为影像传输通道，以 TX/TX 或 RX/RX 传送，如下图 3。也就是一边传输 “3*TX/1*RX”，而另一边为 “1*TX/3*RX”。使得其在一个方向提供高达120Gbps (40Gbps x3)，同时在另一个方向保持 40Gbps的速率。对称传输转换到非对称传输，是由连接管理 (Connection Manager) 负责控制。

图3: Symmetric and Asymmetric USB4 Link

USB4 Gen4 新增 USB3 Gen T 优化带宽运用

USB4新增支持 USB3 Gen T 隧道协议，主要是让USB3隧道传输可以更充分利用USB4传输带宽。USB3 Gen X 与 USB3 Gen T 是在 USB4 Ver2 中新增的定义，说明如下：

USB3 Gen X：使用现有 USB 3.2 协议的 USB3 隧道架构。

USB3 Gen T：使用修改的 USB 3.2 协议的 USB3 隧道架构，以允许使用 USB4 可用最大带宽。

USB4 需向下相容 USB3，所以在 USB4 Gen2/Gen3 路由器内部，必须配备有 USB3 协议适配器 (USB3 Protocol Adaptor)，将原生的 USB3 协议数据流量和 LFPS 封装在 USB4 数据包中，在 USB4 Ver2 最新规格中将此定义为 USB3 Gen X 隧道协议。

USB3 Gen X 隧道协议下，Hub 只有一个上传的 Embedded SS Hub，即使 Hub 下接装置多通道同时传送，也会被上传 Hub 的带宽限制。如图 4 左，无法充分利用 USB4 更高的带宽。

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

USB3 Gen T 隧道协议使用 USB 3.2 协议的修改版本，主要透过新增USB3 Gen T 协议适配器来达成，如图4右，若主机和设备都支持 USB3 Gen T，例如 Hub 下接两个装置，且都运行在 20 Gbps (USB3 10G x2)，下接带宽共为 40 Gbps，在 Hub 运作，上传与下传会直接通过（无需经由 USB3 embedded SS hub），使得上传带宽亦可为 40 Gbps，不会受限于原 USB3 Gen X 上传 20 Gbps 限制，让 USB3 Tunneling 可以更有效地利用 USB4 的带宽。对 Host、Hub、Device 来说，USB3 Gen T Tunneling 都是可以选择性支持的功能。

结论

USB4 Gen4 传输速度提升到 80 Gbps 并采用 PAM3 编码，新增USB Gen T 与支持非对称传输；测试上由原本只要测试两对 TX/RX，变为4对TX/RX，不只增加了测试时间也增加了测试复杂度。

对于设计团队来说，PAM3 编码是新的挑战，眼高只有原先 NRZ 一半的状况下，信号噪声失真比 (SNDR) 相形重要，更复杂的眼图及抖动测试分析，需要更多时间去摸索。

参考文献

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

编辑：黄飞