MIPI技术发展及测试方案

MIPI 技术的发展技术的发展、常见问题及测量方法、常见问题及测量方法 安捷伦科技安捷伦科技(中国中国)有限公司有限公司 马卓凡马卓凡 2012.7 最近一段时间有不少手机芯片、智能手机、摄像头和显示模块客 户等对 MIPI 的测试方案很感兴趣，对传统的无线应用的客户来说，这 个领域还是比较新的，作者写作本文的目的是对 MIPI 技术的发展状况 及 D-PHY 测试中常见的问题、测试内容、方法进行梳理，以及对 MIPI 标准的进展进行总结，希望能帮助读者更加深入理解这个总线的测试原 理和方案。 MIPI 的概况的概况 随着 3G、LTE 以及 4G 标准的发展，智能手机也呈现爆炸式增长， 手机也不再仅仅是简单的语音通话和收发短信的工具，而越来越成为一 个智能终端，除了手机的基本功能之外，它还能实现高分辨率显示，高 像素拍照，高速的数据下载传输，以及高性能的图形处理及软件处理能 力。从内在来看，这推动着芯片间及模组间的数据传输速率呈指数性增 长，另一个方面，为了能够简化设计和提高芯片间及模组间的兼容性， 统一的接口标准也是一大发展趋势。 MIPI 联盟正是在这样的技术发展背景下应运而生，它的全称是 Mobile Industry Processor Interface (移动产业处理器接口) 。这个联盟是 一个开放的会员制组织，旨在推进标准化的应用处理器接口，鼓励所有 移动设备行业的公司参加，其中包括半导体厂商，软件厂商，IP 供应商， 外围设备制造商，测试实验室和终端产品的制造商。根据 MIPI 联盟官 方网站 MIPI.org 上引用的 IPNes 提供的研究报告预计，到 2013 年 MIPI 规范在智能手机中的普及率将达到 100%，到 2015 年在其它类型手机中 也将达到 90%。 MIPI 联盟的目的是在移动设备比如智能手机和平板电脑等硬件和 软件建立接口标准，通过一套标准的硬件接口，将各种外设产品及不同 的供应商产品能够与众多的处理器或 SOC 能够兼容对接。另外软件的标 准化也会提高设计可重用性，降低参与者的进入市场的时间。 下图来源于 MIPI 官方网站，这张图给出了 MIPI 涵盖的所有的接口 总线。MIPI 联盟已经完成了在物理层接口标准（D-PHY 标准和 M-PHY 标准），相机接口（CSI），显示屏接口（DSI），基带与射频 IC 之间的 接口（DigRF 标准），通用闪存总线(UFS，属于 JEDEC 标准)等等，甚至 定义了芯片间互联超高速总线(SSIC，基于 USB3.0 标准)也在最近刚刚发 布。 从上图可见，基于不同的协议标准和应用，物理层将采用统一的 MIPI D-PHY 和 M-PHY 标准，早期主要是摄像头接口(CSI)和显示接口标准 (DSI)在驱动着 MIPI D-PHY 标准，统一的物理层接口方便了系统设计采用 不同厂商的芯片和模组的兼容。随着显示屏的分辨率的提升，摄像头传 感器的像素提升，MIPI D-PHY 的信号速率也要求越来越高，D-PHY 标准 支持的单一 lane 信号速率甚至达到 1.5Gbps。但在未来由于更高的需求， MIPI 总线速率还会进一步提升，举一个例子，如果手机上的 12bit 的 12M 像素相机拍摄视频，如果原始数据刘以 30fps 的速率传输，信号速 率就会达到 12M x 12-bit x 30fps = 4.32Gbps。未来除了显示和摄像头接 口之外，DigRF v4，UFS, LLI，CSI-3, DSI-2 都会统一采用新的 MIPI M-PHY 的标准。2012 年 7 月 13 日，MIPI 组织发布了经过 MIPI 成员的讨论后 刚刚发布了 M-PHY 2.0 标准，感兴趣的读者可以到 MIPI 的网站去下载， 该标准支持 MIPI HS-Gear2，也为 HS-Gear3 做好了准备。 MIPI M-PHY 和和 MIPI D-PHY 的差异的差异 M-PHY 相对于 D-PHY 来说，为了支持更高的数据吞吐能力，以及 实现更低的功耗，M-PHY 采用了高速串行总线经常采用的机制，比如 8b/10b 编码，采用内嵌时钟，接收端使用 CDR 做时钟恢复。这样做的 另一个目的也是为了更好的覆盖 DigRF V4, UniPro 等协议和应用。归纳 来说，D-PHY 和 M-PHY 的主要差异如下： MIPI D-PHY MIPI M-PHY 链路传输机制 单向或半双工 全双工 每个链路数据速率 HS, High Seed LP, Low Power 80 Mb/s (极限 1Gb/s) 1 , 2 , 5 Gb/s 1 , 3 , 6 Gb/s 10 Mb/s 10k-600Mb/s 电气特性 HS LP SLVS-200 SLVS-120 LVCMOS1.2V SLVS-200 w/o RX-RT HS 信号时钟机制 源同步 内嵌时钟 编码机制 无或者 8b/9b 8b/10b 接收端是否需要 CDR 不需要 需要 功耗 较低 更低 MIPI 组织的组织的架构和架构和 Agilent 的地位的地位 Agilent 自从 2006 年开始就成为了 MIPI 组织的贡献成员 (Contributer)，负责 MIPI 规范的制订和测试方案的开发，在 MIPI 组织的 网站上，你可以找到许多安捷伦参与的身影。 MIPI 的测试规范，可以从下面连接查找 /mipi-testing/workspace/startpage 在这份一致性测试规范里，你可以看到这份测试文档有几位 Agilent 的同事对测试方案的贡献，这是 D-PHY 一致性测试规范里唯一的 仪器供应商的参与。 在再早的资料链接里还能看到基于 Agilent 的示波器和官方 MIPI 离 线分析软件 DPHYGUI 软件所做的 MOI(测试手册)。 MIPI 的认证测试的认证测试 作为 MIPI 组织授权的认证测试机构 UNH-IOL，负责开发 MIPI 测试 方法和发布一致性测试规范，对 MIPI 产品进行规范的认证测试，从他 们官方提供的测试报告实例来看，可以明确看到他们 MIPI D-PHY 的测试 采用的是安捷伦的示波器，可以从下面的链接下载相关的测试规范及测 试实例。 /services/testing/mipi/testsuites.php 由此可见，使用 Agilent 的示波器可以尽可能的保证测试结果与规 范要求以及认证测试机构的测试结果的一致性。 Agilent 提供的 MIPI D-PHY 的物理层一致性测试软件(U7238A)，和 协议触发解码工具(U8802A)，为用户提供一个完整的测试和调试平台。 未来 M-PHY 的标准 Gear 3 将达到 5.8304Gbps，Agilent 已经提供 MIPI M-PHY 的物理层一致性测试软件(U7249A)和协议触发解码(N8807A)的测 试方案，为客户提供了一条有效的升级的途径。 MIPI 测试对测试对示波器带宽的要求示波器带宽的要求 为了保证 MIPI 信号的能够准确测量： MIPI D-PHY 一致性测试规范标准(V1.0)要求示波器带宽至少为 4G； MIPI M-PHY 的一致性测试规范(V 0.84)，对于 G1/G2/G3 的标准要求 带宽至少为 5GHz /10GHz /20GHz，这个带宽标准如何而来的呢，我们以 Gear 3 的 5.8304Gbps 为例： UI (unit interval 位宽) = 1/5.8304G = 171.5ps 根据规范里的要求，20%80%上升/下降时间最小为 10% UI，推算最小 上升/下降时间为 17.15ps，那么示波器为了准确测量边沿时间需要的带 宽(10%测量误差) BWscope = 0.4/17.15 ps = 23.3 GHz，如果要求 3%的测量 误差，需要的带宽要更高。 MIPI D-PHY 的架构的架构 MIPI D-PHY 采用主从结构的方式，采用源同步的机制，Data 相对 于 Clock 以 DDR(Double Data Rate)方式进行数据传输，保持正交相位关 系以确保在接收端可靠的建立保持时间裕度。通常来说数据以单一方向 传输，也支持双向传输模式，比如 CSI, DSI 标准采用单一方向传输。 因为考虑到移动产品设计的功耗问题，MIPI D-PHY 总线的操作模 式除了正常的高速(HS, High Speed)信号传输状态之外，还定义了低速率 传输低功耗模式(LP, Low Power)用于进行控制指令的操作。在 HS 模式下， 信号采用差分结构，差分信号电压摆幅约为 200mV，在 LP 模式下采用 单端模式，高电平约为 1.2v。另外，MIPI D-PHY 也定义了一种可选的低 功耗脱离模式(Low Power Escape Mode)，只用 LP 的 Data 信号进行数据 的异步传输。 操作模式包括，高速，控制和脱离模式，如下面表格描述： MIPI 信号接口的电路结构 上图展示了 HS 模式下的发射端和接收端模型，发射端采用差分驱 动模式，当不处于 HS 模式时，接收端 ZID端接(差分输入阻抗 100 )要 关闭，当在接收端 Dp 和 Dn 同时低于 VTERM-EN(最大 450mV)时，接收端 再打开 ZID端接。 在 LP 模式下，如上图所示，发射端使用推挽式(Push-Pull)驱动方 式，并且斜率可控，以降低 EMI 的影响。接收端使用非端接、单端的输 入电路，在每一路上侦测信号的高低状态，接收端需要有良好的设计以 规避毛刺和 RF 干扰信号。 从上述的 HS 和 LP 模式，发射端和接收端的模型可以看到，首先 HS 差分模式下，有一定共模电压；另外，在 HS 和 LP 模式下，接收端 的端接模式分别为 100 和悬空。从测试角度来说，要考虑到这些问题， 我们在下面会针对具体的测量要求进行总结。 MIPI 的测试的测试内容和分类内容和分类 从测试内容上， MIPI 的测试包括 HS 信号(Data, Clock)的电气特性 测量，LP 信号(Data, Clock)的电气特性，Data 全局操作(Global Operation， 可以理解为模式转换)，Clock 全局操作，HS 模式下 Data 和 Clock 的时序 测量等等。如果归纳成两大类，包括电气特性的测量和时序相关的测量。 电气参数测量电气参数测量 电气参数主要包括差分/共模电压，边沿时间等参数测量，关于这 些参数，MIPI 规范里有专门的定义，此处主要针对共模参数进行介绍： 共模电压 VCMTX，测量 DP 和 DN 之间的共模电压，这个电压通常为 200mV，极限范围应该在 150mV 和 250mV 之间，共模失配 VCMTX(1,0)，测 量在差分 1 状态和差分 0 状态下，共模电压的差异。为了降低 EMI 的影 响，MIPI 规范对这些参数有明确的要求。而且为了降低 MIPI 信号对于 手机里的射频信号的影响，MIPI 规范也明确了在 450MHz 以上共模波动 电压必须要小于 15mVrms ，在 50MHz 到 450MHz 之间共模波动电压必须 小于 25mVrms。示波器器一致性测试软件通过加入巴特沃兹 IIR 高通和带 通滤波器，来完成这两个参数的测量。 MIPI 的 HS 信号信号摆幅本身就很小在 200mV，共模噪声也就在 25 毫伏以下，所以要求测量示波器的本底噪声也尽可能的小，这样才能保 证测量结果的信噪比更高或者说提高测量结果的裕度。而安捷伦的高带 宽示波器在仪器底噪方面一直有优异的表现，这样才能精确表征 MIPI 的电气参数。 时序参数测量时序参数测量 CLK 的模式转换时序 数据信号 LP,HS,ClK 模式转换和时序参数 上图为 Data 的模式转换时序参数波形图 Data 和 CLK 的时序关系 Data 以源同步的机制进行信号传输，在发射端 Data 和 CLK 有一定 skew 的要求，接收端 Data 和 CLK 要有一定的建立保持时间的要求，详 见下表要求 示波器软件通过 CLK 和 Data 重建 Data 眼图，通过直方统计图测量 左右两个交叉点的分布，从而测量出来 Data 和 Clock 的 skew，这种统 计的方法可以找到最差的结果，可以保证测量结果的可靠性。 测量测量 MIPI 的探头探测的探头探测方法方法 MIPI D-PHY 有 LP 和 HS 两种状态，LP 的信号为单端模式，HS 为差 分模式，另外在规范里规定了 HS 信号的共模参数的指标以及不同频率 范围内共模电压的波动值，以及模式转换的测量，所以从探头上要采用 单端探头测量 CLK+ / CLK-，以及 Data + / Data -. 规范推荐使用 4 个探头，分别探测 Data Lane +/-, CLK +/-，这样可 以使用一致性测试软件一次性完整测试，但为了节约成本，也可以选用 3 个探头探测，在测量 Data HS 模式信号的参数及时序相关参数时，CLK 可以使用差分探头测试，DP/DN 使用两个单端探头分别测试，测量 CLK 的模式转换也需要 3 个探头，需要改换连接 CLK +/-分别探测，再连接一 个 Data 信号。具体的连接方式，U7238A 测试软件会给出完整的图示连 接指南，按照推荐的探测方式探测。 测试夹具端接和非端接测试夹具端接和非端接 根据前面所说，MIPI 分为 HS 和 LP 两种模式，因为端接方式的差 异，所以在测试时也要考虑到这些问题，测量 HS 信号要端接 100 欧姆， LP 信号是没有端接测量。分两种情况 1. 如果用户是做处理器芯片或摄 像头芯片模组测试发射端信号的性能，需要准备两种测试夹具在两种模 式下切换端接。2. 如果用户做的系统级测试，因为测试环境里接收端包 括端接电路，所以不用特别去考虑端接，使用探头焊接在电路上进行信 号的测量。对于端接夹具 MIPI 官方有专门的参考端接板如下图所示， 用户也可以自己制作端接夹具（100 欧姆端接及无端接两种接口，以及 测量 LP 信号斜率及边沿时间是要求的 Cload）使用手动方式进行测试， 如果是这种夹具可以考虑在板上做标准的 2.54mm 插座或 SMA 接口， 用 E2678A 或者 N5380A 探头前端进行测试。 MIPI M-PHY 测试的变化测试的变化 MIPI M-PHY 在 HS 测试内容上 有一些比较大的更新，比如说要包 括眼图的测量，Tj 和 Dj 的测量，共模功率谱测量等等，从测试的内容 来看很接近传统的高速串行信号的测试方法，规范里也定义了一致性测 试码型 CRPAT(一致性随机码型)和 CJPAT(一致性抖动测试码型)，前者主 要针对发射信号的抖动等参数测量，后者主要为了验证接收端的 PLL 或 者时钟恢复的加压测试。因为 MIPI M-PHY 的测试标准还在完善中，M- PHY 的测试会有所变化，后续笔者会针对规范的变化进一步更新。 探头探头部分的说明部分的说明 Agilent 推荐至少 3 个探头，保证测试内容能够完整测试，Agilent 的探头结构，可以选配差分或者单端的前端，SMA 前端，焊接前端， SMA 前端，这给客户带来非常丰富的选择，不必再单独配置单端探头， 为了进行 MIPI 测试，客户可以自制夹具，配合使用插座方式探头前端。 另外 Agilent 的探头也可以配置高低温延长线 N5450A 以供测量高低温环 境下信号和协议的问题。 另外，除了上述的对于发射端的信号质量的测量，MIPI 一致性测测 试规范里也定义了 Rx 测试标准以及 S 参数测量标准，分别要使用并行 误码仪和网络仪进行测量，完整的测试方案如下图所示，对于 MIPI 的 协议解码和信号激励，我们可以采用示波器里的协议解码选件来完成， 另外，我们也提供了专用的 MIPI D-PHY 协议分析仪和训练器 U4421A。 因为篇幅所限，本文主要针对示波器在信号参数方面的测试方案，不再 详述其 Rx, 互联特性,协议方面的测试方案，如果读者感兴趣可以和安捷 伦的工程师详细讨论。 补充补充 因为有用户对 S 参数部分的测量有疑问，所以此处对这部分的内 容进行适当补充。 规范里定义了回波损耗和模式转换的测试要求，分别包括对发射端 的要求 SDD22/SCC22/SDC22，及接收端的 SDD11/SCC11/SDC11，这些测试主要 是反映在发射端和接收端的端口匹配情况，以及验证差分结构对于共模 干扰的抑制能力，测量的频率范围从 fLP,MAX(20MHz)到 fMAX(1.35GHz)，具 体的测量门限可参考 CTS 里的要求。 另外规范里还要求对于发射端的单端特性阻抗的要求，ZOS(4062.5 欧姆)和接收端的差分特性阻抗 ZID(80125 欧姆)，在测试这两项目的时， 要求发射端处于 HS 模式，接收端打开端接。有一个特别的要求是在测 试发射端特性的时候要求源端发射连续的 01