USB Type-C在電腦運算和消費電子市場已獲得諸多關注。集功能性與滿足消費者的訴求於一體，USB Type-C有望成為最受歡迎的介面之一，但同時也可能是最令人困惑的傳輸介面。替代模式(Alternate Mode, Alt Mode)、外設模式(Accessory Mode)、結構化(Structured)供應商自訂訊息(Vendor Defined Messaging, VDM)以及非結構化(Unstructured) VDM等各種術語使得消費者和技術人員摸不著頭緒。這些術語定義了USB Type-C介面是如何支援各種非USB功能。本文將為讀者解析USB Type-C介面可支援的所有非USB功能、系統工程師所需的元件以及消費者需要瞭解的功能。本文也將討論影音模式、數據模式、音訊模式、調試模式以及高功率供電模式。
USB Type-C運用介面五大特色
USB Type-C具有五項主要特色使其成為可靈活擴展運用的介面。
供電
USB Type-C介面預設的5V供電可與先前的USB介面向下相容。不僅如此，全新的USB Type-C介面含4個引腳分別用於供電和接地。結合USB供電規範(USB Power Delivery Specification)可使USB Type-C連接埠最高支援20V的電壓及5A的電流。
對稱的連接
USB Type-C連接器是對稱的，其插頭及纜線方向正反皆可。插頭可正反插解決先前連接器所帶來的主要問題。過去，連接器的種類定義連結裝置的功能(Type-A用於主機，Type-B用於外部裝置)。USB Type-C連接器可以插入兩端中的任一端，而功能則由被連接的硬體決定。USB Type-C纜線兩端的連接器是相同的，因此纜線的插拔得以簡化。
頻寬
USB Type-C支援USB 2.0、USB 3.1 Gen 1(SuperSpeed USB 5Gbit/s)和USB 3.1 Gen 2(SuperSpeed USB 10Gbit/s)資料速率。USB 2.0和USB 3.1分別由不同的規格定義。SuperSpeed USB差分訊號分配於連接器外部的兩側，因此以任一方向插入介面時僅會使用到一組SuperSpeed USB訊號傳輸連接。
通道配置
USB Type-C連接器含2個用於功能協商的通道配置訊號(CC1&CC2)。可確認連接器插入方向，並用於協商連接器上的供電功能、替代模式和外設模式。
非USB訊號傳輸
USB Type-C連接器支援多種原始設備製造商(OEM)產品定制模式，以擴展裝置功能。圖1可見USB Type-C的引腳圖。其中部份引腳可依據產品類型重新設置功能。圖中黃色標示部分的引腳可透過全功能的USB Type-C纜線進行重新配置。而橘色標示部分的引腳也可重新配置用於直連應用(Direct Connect Application)。
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| 圖1 USB Type-C介面引腳圖 |
訊號的重新分配需透過配置通道(Configuration Channel, CC)上的協商實現。介面可進行外設模式和替代模式。若要進行外設模式，CC通道將用於簡單的邏輯性檢測以確認需要何種外設模式。若要進行替代模式，CC通道將使用雙相符號編碼(Biphase Mark Code, BMC)進行雙向通訊以正確地設置連接。在協商過程中，兩端的裝置在進行任何改變之前對訊號的重新配置需一致。所有USB Type-C連接埠均需在非替代模式或非外設模式下能夠與USB連接埠相容使用。
外設模式實作方法
外設模式支援透過USB Type-C連接埠傳輸模擬複合或色差影像訊號。在音訊模式下，音訊輸出來源裝置(如手機或筆記型電腦)能夠透過USB 2.0(D+/D-)引腳傳輸模擬複合訊號(R/L)，同時透過其中一條的邊帶訊號(SBU1或SBU2)接收來自外部音訊源的麥克風訊號。在不久的將來，外設模式預計能支援數位音訊。外設模式需要使用簡單的直流電壓比較器，檢測連接所需的外設模式種類。此檢測模塊可由音訊源裝置執行。一旦檢測完畢，音訊源裝置需用於支援音訊訊號的類比開關，並透過相同引腳傳輸音訊時隔離USB 2.0訊號，如圖2所示。由於並非所有手機/筆記型電腦皆有外設模式，所以消費者需詳閱電子裝置的資料以確定其是否支援透過USB Type-C連接器傳輸音訊。
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| 圖2 透過USB Type-C支援音訊外設模式的系統結構圖 |
PDO/供電傳輸協議實現USB Type-C電力傳輸
供電資料物件(Power Data Object, PDO)為包含可透過USB Type-C傳輸的電壓和電流效能的資料封包。每個USB Type-C連接埠(支援供電)在新建連接時可發送最多6個PDO。隨後接收裝置會篩選這6個PDO，在確定合適的電壓和電流配對後建立供電協定，進而實現USB Type-C連接埠間的電力傳輸。USB type-C支援的電壓範圍為0V至20V，以50mV幅度增減，支援的電流範圍為0A至5A，以10mA幅度增減。USB Type-C介面必須支援5V@900mA供電，其他電壓與電流參數均為選項。消費者在購買USB Type-C充電器時必須仔細確認其功能及要求，以滿足快速充電的需求。否則消費者將可能遇到僅有1個PDO相符的局面，即5V@900mA(4.5W)。基於上述情況，未來的設計發展將使消費者能夠更加方便地配對供電和用電裝置。
三大結構化VDM替代模式
替代模式是透過USB Type-C連接器協商和傳輸非USB資料的另一種選擇方式。目前已有2款與USB開發者論壇(USB Implementers Forum)達成合作協定的標準化替代模式—DisplayPort和MHL，分別由其所屬的標準組織開發。其中，Thunderbolt 3是英特爾(Intel)開發的私有替代模式。
DisplayPort和MHL致力於支援USB Type-C的產品連接至外部顯示器，而Intel最新的Alpine Ridge控制器，整合PCI Express Gen3和USB 3.1 Gen 2功能為Thunderbolt新增資料支援的附加層。根據arstechnica的報導，Thunderbolt替代模式憑藉其整合功能可提供USB Type-C最高級的協定支援，除支援PCI Express Gen 3、USB 3.1 Gen 2、DisplayPort 1.2以及Thunderbolt外，Thunderbolt 3支援最高40Gbit/s速率，相當於驅動兩個4K 60fps顯示器或一個5K 60fps顯示器所需的頻寬。
另一方面，DisplayPort更注重影像解析度，致力於透過單一USB Type-C連接埠傳輸8K解析度影像。DP1.3能夠提供32.4Gbit/s速率，支援無視覺失真的影像資料，依據VESA FAQ頁面提供的資訊，此速率可滿足8K 60fps 4：2：0的影像傳輸要求。
第二種適用於USB Type-C的標準化替代模式為MHL，能夠支援壓縮或無壓縮的影像訊號。在未經壓縮的情況下，MHL可提供24Gbit/s的速率，適用於4K 60fps 12位元色深的影像傳輸。使用顯示流壓縮(Display Stream Compression, DSC)技術後，MHL可支援高達72Gbit/s的速率，滿足8K 60fps 4：4：4影像傳輸的頻寬需求，這使得MHL成為滿足有效影音頻寬需求的首選。DSC是基於行的壓縮演算法，可提供無視覺失真的解決方案，同時將使用壓縮技術所產生的影像延遲降到最低。由圖3可見使用DSC前和使用DSC後的圖像實例。
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| 圖3 右圖按照DSC規範進行2.5x壓縮，左圖則未經壓縮。一般很難看出兩者的差別。 |
系統架構工程師必須先選擇可支援所需選標準的晶片組，以運用上述兩種標準化替代模式。Intel是Thunderbolt的獨家供應商，而MHL或DisplayPort則有眾多供應商。由於沒有特定的品牌限制，消費者在購買產品前需閱讀產品文件以瞭解產品支援何種替代模式，避免發生購買了支援DisplayPort USB Type-C產品卻將其連接到MHL配件的情況。
結構化/非結構化VDM
結構化和非結構化VDM均建立於SVID(標準ID或供應商ID)並由USB-IF核准，以確保兩者皆為獨一無二。標準ID被指定為標準化替代模式，適用於整個USB Type-C生態系統(如MHL和DisplayPort)。供應商ID僅適用於某個企業，可能不為大眾所知。
USB供電(USB Power Delivery, USB PD)訊息/指令由上述標準或供應商獨家定義。結構化VDM訊息在USB PD規格中定義為可擴展的指令，是進入和退出替代模式的主要機制。非結構化VDM完全由供應商定義，並普遍(但非必需)在替代模式中使用一次。舉例來說，一旦進入替代模式，可能會持續發送結構化VDM以管理替代模式的運行。不過有些指令的需求是很難用結構化VDM來支援。
提高消費者了解程度為USB Type-C成功關鍵
USB Type-C成功的關鍵在於教育消費者並提升了解程度。在初次面對消費者時應著重強調USB Type-C的全新優勢：
消費者在購買USB Type-C充電器時需要確認充電器是否滿足裝置的快速充電功能要求(電壓和電流)以享受最快的充電體驗。並非所有的手機和筆記型電腦皆支援外設模式，所以消費者需要確認產品是否具備所需的功能，如USB Type-C介面是否支援音訊模式。由於替代模式沒有特定的品牌限制，因此消費者需確認產品支援何種替代模式(如MHL、DisplayPort或Thunderbolt)。
(本文作者為萊迪思半導體資深行銷經理)