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MIPI技术的发展、常见问题及测量方法安捷伦科技(中国)有限公司马卓凡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MobileIndustryProcessorInterface(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MIPID-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MIPID-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，MIPID-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12Mx12-bitx30fps=4.32Gbps。未来除了显示和摄像头接口之外，DigRFv4，UFS,LLI，CSI-3,DSI-2都会统一采用新的MIPIM-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-PHY2.0标准，感兴趣的读者可以到MIPI的网站去下载，该标准支持MIPIHS-Gear2，也为HS-Gear3做好了准备。MIPIM-PHY和MIPID-PHY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DigRFV4,UniPro等协议和应用。归纳来说，D-PHY和M-PHY的主要差异如下：MIPID-PHYMIPIM-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,HighSeedLP,LowPower80Mb/s(极限1Gb/s)~1¼,2½,5Gb/s~1½,3,6Gb/s10Mb/s10k-600Mb/s电气特性HSLPSLVS-200SLVS-120LVCMOS1.2VSLVS-200w/oRX-RTHS信号时钟机制源同步内嵌时钟编码机制无或者8b/9b8b/10b接收端是否需要CDR不需要需要功耗较低更低MIPI组织的架构和Agilent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MIPID-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。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MIPID-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Gear3将达到5.8304Gbps，Agilent已经提供MIPIM-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测试对示波器带宽的要求为了保证MIPI信号的能够准确测量：MIPID-PHY一致性测试规范标准(V1.0)要求示波器带宽至少为4G；MIPIM-PHY的一致性测试规范(V0.84)，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Gear3的5.8304Gbps为例：UI(unitinterval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=0.4/17.15ps=23.3GHz，如果要求3%的测量误差，需要的带宽要更高。MIPID-PHY的架构MIPID-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(DoubleDataRate)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，MIPID-PHY总线的操作模式除了正常的高速(HS,HighSpeed)信号传输状态之外，还定义了低速率传输低功耗模式(LP,LowPower)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，MIPID-PHY也定义了一种可选的低功耗脱离模式(LowPowerEscapeMode)，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100Ω)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100Ω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(GlobalOperation，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MIPI的探头探测方法MIPID-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DataLane+/-,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DataHS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