Netzwerkanalyse So testen Sie Kabel von USB Typ C mit Betriebsart DisplayPort

Autor / Redakteur: Yoji Sekine * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Über USB-Kabel vom Typ C lassen sich auch Videosignale übertragen. Dazu ist die Betriebsart DisplayPort vorgesehen. Unser Beitrag zeigt, wie sich dieser Typ Kabel testen lässt und worauf zu achten ist.

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USB-Kabel vom Typ C: Mit dem neuen USB-Kabel lassen sich auch Videosignale übertragen. Dazu ist die Betriebsart DisplayPort notwendig. Im Beitrag zeigen wir den Test eines solchen Kabels.
USB-Kabel vom Typ C: Mit dem neuen USB-Kabel lassen sich auch Videosignale übertragen. Dazu ist die Betriebsart DisplayPort notwendig. Im Beitrag zeigen wir den Test eines solchen Kabels.
(Bild: © nicholashan - Fotolia)

Kurz nachdem die Stecker-Spezifikation für den USB-Typ C veröffentlicht war, stellte die Video Electronics Standards Association, kurz VESA, die Betriebssart „DisplayPort“ vor. Sie kann als alternative Betriebsart über den USB-Steckverbinder laufen. Somit ist DisplayPort nur die Methode der Wahl für ein Design, um Videosignale über eine Steckverbinder des Typs C zu übertragen.

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Das stellt eine Wende bezüglich der bevorzugten Videosteckverbindung dar. Unser Beitrag beschäftigt sich mit möglichen Fragen, die sich beim Test von USB-C-Kabeln bezüglich DisplayPort stellen.

Ein Kabel für den DisplayPort über USB Typ C

Der am 22. September 2014 veröffentlichte VESA-Standard „DisplayPort Alt Mode on USB Type-C“ definiert vier Szenarien, in denen ein Steckverbinder USB Typ C den DisplayPort unterstützen kann, und zwar vollständig interoperabel mit bereits bestehenden DisplayPort-Produkten:

  • Szenario 1: DisplayPort als alternative Betriebsart auf einem USB-C-Kabel.
  • Szenario 2: Ein Verbindungskabel, das einen DisplayPort-Stecker mit USB Typ C verbindet.
  • Szenario 3: Ein Kabel mit Protokollkonverter, das DisplayPort-über-USB-Typ-C mit anderen Videoprotokollen verbindet.
  • Szenario 4: USB Typ C zu Multifunktions-Dockingstation: Gleichzeitig wird die schnelle Datenverbindung USB Enhanced SuperSpeed und DisplayPort verwendet.

Die elektrische Spezifikation des Kabels ist aktuell nur für Szenario 2 definiert (USB-Stecker vom Typ C auf einen DisplayPort-Stecker). Sie basiert wiederum auf der Spezifikation passiver Kabel von USB Typ C auf USB Typ C. Die Testanforderungen für DisplayPort-AltModes sind im Moment noch nicht endgültig festgelegt. Aus diesem Grund sind die in diesem Beitrag gemachten Aussagen die Meinung des Autors. Sie müssen nicht notwendigerweise die Meinung der VESA entsprechen.

Was beim Test von Kabeln für DisplayPort zu beachten ist

Möchte man DisplayPort über USB Typ C in eigenen Produkten implementieren, so muss auf Interoperabilität und Standardkonformität geachtet werden. Zwingend zu beachten sind die unterschiedlichen Impedanzen: DisplayPort ist mit 100 Ohm spezifiziert, USB Typ C mit 85. Hinzu kommt, dass die Datenrate mit der Spezifikation DisplayPort 1.3 auf maximal 8,1 GBit/s pro Lane, also um 50 Prozent, erhöht wurde. Das hat ganz unterschiedliche Auswirkungen auf Parameter wie Dämpfung, Reflexion und Übersprechen bei den Messungen.

Will man sicherstellen, dass die Messung von der Testumgebung nicht beeinträchtigt wird, etwa von den Testadaptern, muss man die möglichen Messartefakte viel strenger durch einen veränderten Messaufbau kompensieren. Verbessert werden sollten auch die Kriterien für den Funktionstest. Der herkömmliche Ansatz berücksichtigt nicht die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Testparametern. Soll künftig die Qualität der Tests verbessert werden, so sind bei den engen Toleranzen neue Methodiken für den Test bei USB Typ C notwendig.

Keine Probleme mit unterschiedlichen Impedanzen

Ein erster Punkt, der beim Test berücksichtigt werden sollte, sind die unterschiedlichen Impedanzen: 85 Ohm bei USB Typ C und 100 Ohm bei DisplayPort. Messung und Kalibrierung in einem Umfeld, das eine von 50 Ohm abweichende Impedanz aufweist, sind möglicherweise schwierig oder nicht reproduzierbar. Aus diesem Grund sollte man mit in einem Umfeld mit 50 Ohm messen und kalibrieren. Alle gewonnenen Ergebnisse aus der Kalibrierung werden mit der Funktion „Umrechnung der Referenzimpedanz“ auf die gewünschte Impedanz umgerechnet, beispielsweise auf die Referenzimpedanz des USB-Typ-C-Ports von 85 Ohm.

Arbeitet man mit S-Parametern, sollte man sich mit dem Konzept der „Referenzimpedanz“ vertraut machen. Üblicherweise werden S-Parameter in der Form „xx dB“ angegeben. Noch genauer ist die Angabe zusammen mit dem Wert des Widerstands in der Form „xx dB bei yy Ohm Referenzimpedanz“. Weil die übliche Referenzimpedanz 50 Ohm beträgt, kann der Wert normalerweise weggelassen werden. Grundsätzlich kann die Referenzimpedanz jeden beliebigen Wert annehmen. 50 Ohm ist lediglich ein gängiger Wert. Dieser lässt sich ohne Probleme ändern.

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Allerdings sollte man nicht vergessen, dass S-Parameter relative (normalisierte) Werte sind. Die Werte der S-Matrix ändern sich mit der Referenzimpedanz. Das Bild 1 zeigt als Beispiel die Messung einer Rückflussdämpfung mit Hilfe des Netzwerkanalysators Keysight ENA mit Option TDR. Mit der Funktion „Umrechnung der Referenzimpedanz“ wurde das Messergebnis von Port 1 und 2 (dünne Kurve) für Port 1 von 100 Ohm auf 85 Ohm und für Port 2 auf 100 Ohm (dicke Kurve) umgerechnet.

Messartefakte der Testadapter kompensieren

Damit sich Kabel an die Messgeräte anschließen lassen, sind entsprechende Testadapter notwendig. Bei einer Datenrate von 8,1 GBit/s muss man für eine akzeptable Ausbeute die von den Testadaptern verursachten Messartefakte kompensieren. Das gilt sinngemäß auch für USB 3.1. Hierfür wurden in der USB 3.1 Cable and Connector Compliance Specification die Methoden „2x thru de-embedding“ und „in-fixture TRL calibration“ vorgestellt.

Bei der Methode „2x thru de-embedding“ lässt man mit einer elektronischen Kalibierungseinheit (Ecal) eine komplette Kalibrierung durchlaufen und erhält so eine Referenzebene am Ende der Testkabel. Danach rechnet man die S-Parameter der Testadapter-Messkurven heraus und verlegt damit die Referenzebene auf die Steckebene in den USB-Steckverbindern. Damit hat man die Messartefakte durch den Testadapter wirksam kompensiert. Entscheidend für die Genauigkeit dieser Methode ist die Qualität der S-Parameter der Testadapter-Messkurven.

Um die S-Parameter zu erhalten, sollte man auf die Funktion „Automatic Fixture Removal“ zurückgreifen. Sie ist Teil der Software N1930B Physical Layer Test System (PLTS) von Keysight. Mit der Funktion erhält man in drei Schritten hochgenaue S-Parameter der Testadapter. Eine alternative Methode ist die TRL-Kalibrierung. Für sie benötigt man allerdings im Vergleich zur Methode „2x thru de-embedding“ zusätzliche Kalibriernormale. Ist die Kalibrierung beendet, hat man die Referenzebene in die USB-Steckverbinder verlegt.

Differentielle Einfügedämpfung eines USB-3.1-Kabels vermessen

Das Bild 2 zeigt, wie eine differentielle Einfügedämpfung eines USB-3.1-Kabels vermessen wird. Zum Einsatz kommen beide vorgestellte Methoden, um die Messartefakte zu kompensieren. Die schwarze Kurve zeigt die Anforderung an ein Kabel USB Typ C. Man erkennt in der Grafik, dass die Kompensation der Messartefakte durch die Testadapter den Unterschied zwischen Bestehen und Nichtbestehen des Tests ausmacht. Die rote Messkurve ist unkompensiert. Das Testobjekt würde in diesem Fall durchfallen. Beide Kompensationsmethoden führen allerdings zum gleichen Ergebnis, die nach AFR (orange Kurve) und TRL (blaue Kurve) kompensierten Messkurven liegen so gut wie exakt aufeinander.

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Bisher wurden Verbindungen über eine Messung von Parametern charakterisiert. Dazu gehörte etwa die Impedanz in der Zeitebene und der Einfügedämpfung in der Frequenzebene. Eine grundsätzliche Schwäche des Ansatzes liegt darin, dass die Beziehungen zwischen verschiedenen Testparametern ausblendet sind. Beispielsweise verträgt ein Kanal mit geringerer Dämpfung mehr Übersprechen und Reflexionen; auch umgekehrt.

Baut eine Spezifikation allein auf Einzelparametern muss sichergestellt werden, dass ein Kabel, das eine Parameter-Vorgabe nur knapp erfüllt, dennoch interoperabel ist. Aus diesem Grund werden die Grenzwerte konservativ gesetzt. Einige Kabel können einen oder zwei Parameter nur knapp erfüllen, andere Parameter aber mit deutlicher Reserve einhalten. Würde man nur die einzelnen Parameter betrachten, würde ein solches in Wirklichkeit funktionierendes Kabel als nicht der Norm entsprechend zurückgewiesen werden.

Die elektrische Spezifikation des DisplayPorts

Die elektrische Spezifikation der alternativen Betriebsarten des DisplayPorts basiert auf der Kanalmetrik. Drei Parameter der Signalintegrität beeinflussen die End-zu-End-Performance einer Verbindung: Dämpfung, Reflexion und Übersprechen. Dabei versucht die Spezifikation, alle drei Parameter gemeinsam zu betrachten. Dazu gehören Einfügedämpfung bei der Nyquistfrequenz, integrierte Vielfachreflexion und integriertes Übersprechen.

Die Einfügedämpfung bei der Nyquistfrequenz wird berechnet, indem das Messergebnis der Einfügedämpfung glättet und die geglättete Kurve über das Messergebnis gelegt wird. Die Differenz zwischen der Messkurve und der geglätteten Kurve, oder die Welligkeit der Einfügedämpfung, stellt die integrierte Vielfachreflexion dar. Sie ist definiert als die integrierte Summe aller Übersprechquellen zwischen den einzelnen Lanes des DisplayPorts. Eine Entscheidung über Bestehen oder Nichtbestehen des Tests wird aufgrund aller drei Kanalparameter, also der gesamten Kanalmetrik, gefällt. Nachdem die integrierte Vielfachreflexion von der Einfügedämpfung bei der Nyquistfrequenz abhängt, sind die Grenzwerte definiert als Funktion der Einfügedämpfung.

Bestandene und nicht bestandene Funktionsprüfung

Das Bild 3 zeigt verschiedene Beispiele von Testobjekten, welche die Funktionsprüfung bestanden oder nicht bestanden haben. Die x-Achse ist die Einfügedämpfung bei der Nyquistfrequenz und die y-Achse die integrierte Vielfachreflexion. Messergebnisse im grünen Feld bestehen die Prüfung, Messergebnisse im roten Bereich fallen durch. Um zu bestehen, müssen die gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Einfügedämpfung und Vielfachreflexion berücksichtigt werden.

Für den Test von USB-Kabel des Typs C und der Betriebsart DisplayPort müssen zuerst die verschiedenen Impedanzen angepasst werden. Zudem sollte der Testingenieur die Messartefakte kompensieren, welche durch die Testadapter entstehen. Schließlich gibt es einen Paradigmenwechsel in der Messmethodik: weg von den einzelnen Parametern hin zur Betrachtung der Kanalmetrik aus mehreren Parametern.

* Yoji Sekine arbeitet im Marketing bei Keysight Technologies und hat einen Abschluss als Bachelor of Science in Elektrotechnik.

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