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
TDA7264功率放大器,tda7264 power amplifier
vivo逆势增长的密码：5G领跑，线下门店积极突围
荣耀新机可搭载天玑1100、天玑1200和高通骁龙888等新平台
什么是SOA架构？SOA开发流程概览
基于FPGA和SAA7113芯片的视频采集监控方案
为什么USB4 Gen4采用 PAM3？
Intersil推出双绞线视频信号传输器件EL5171/EL5172
用于正弦信号的高线性度、低噪声LTC2387-18驱动器
汽车电子之传感器分析:几种常见的汽车传感器
推介十款创新IC产品，其中就有目前火热的智能音箱相关的几款IC芯片
中国IC设计业超常规快速发展完全可预期
基于FPGA的EnDat接口编码器数据采集设计
IDC调整对NAND闪存的供需预测
多孔氮化硅陶瓷天线罩材料制备及性能研究
荣耀V9怎么样？华为荣耀V9评测：华为Mate10即将发布荣耀V9降价，你值得购买
关于Wi-Fi 6鲜为人知的功能
关于电机控制技术的介绍
电阻器的主要参数
分享一些电机原理动图
关于驭势科技携智能机场无人驾驶物流解决方案的具体介绍
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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
TDA7264功率放大器,tda7264 power amplifier
vivo逆势增长的密码：5G领跑，线下门店积极突围
荣耀新机可搭载天玑1100、天玑1200和高通骁龙888等新平台
什么是SOA架构？SOA开发流程概览
基于FPGA和SAA7113芯片的视频采集监控方案
为什么USB4 Gen4采用 PAM3？
Intersil推出双绞线视频信号传输器件EL5171/EL5172
用于正弦信号的高线性度、低噪声LTC2387-18驱动器
汽车电子之传感器分析:几种常见的汽车传感器
推介十款创新IC产品，其中就有目前火热的智能音箱相关的几款IC芯片
中国IC设计业超常规快速发展完全可预期
基于FPGA的EnDat接口编码器数据采集设计
IDC调整对NAND闪存的供需预测
多孔氮化硅陶瓷天线罩材料制备及性能研究
荣耀V9怎么样？华为荣耀V9评测：华为Mate10即将发布荣耀V9降价，你值得购买
关于Wi-Fi 6鲜为人知的功能
关于电机控制技术的介绍
电阻器的主要参数
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