手機串列式傳輸當紅 探索Mobile Video Interface新介面

2005-09-26
在人手一機或多機的趨勢下,手機仍持續整合音頻、視訊與圖片影像等功能。因此我們可以明白有幾件事正處於現在進行式:其一,資料量不斷地增加;其二,更精細或高解析度的液晶顯示會逐漸被發展出來;其三,伴隨著時尚小型的多樣化與新機種推出的需求...
在人手一機或多機的趨勢下,手機仍持續整合音頻、視訊與圖片影像等功能。因此我們可以明白有幾件事正處於現在進行式:其一,資料量不斷地增加;其二,更精細或高解析度的液晶顯示會逐漸被發展出來;其三,伴隨著時尚小型的多樣化與新機種推出的需求,接腳數量增加,會加大消耗電力與電磁輻射EMI的深刻議題。為了解決以上所描述的各種問題,可將最近紅透半邊天的串列式傳輸方式導入手機世界裡。  

我們可從手機的要求面、機能面與課題面等環環相扣的層次,按部就班地來摸索為何手機會加速高功能化。  

先從要求面來說,要求面一,各種工業設計以超炫時尚外型為主軸推陳出新,帶來的機能是單軸或是雙軸絞鏈(Hinge)的操作,引起的課題就是接腳數量的增加以及加深機構設計的困難度。要求面二,顯色液晶的高精細化與多顏色的加速,導引出來的機能就可能是6.5萬種顏色的QCIF(176×144)、26萬種顏色的QVGA(320×240)或更高層次的解析能力,6.5萬種顏色大約是16位元,而26萬種顏色就相當於18個位元。要求面三,納入更高圖元的照相功能,引導出來的競爭機能就是100萬畫素、200萬畫素、300萬畫素等圖元大戰(圖1),爾後,可以預期將有倍焦(Zoom)機能的戰役。大量資料傳輸也跑不掉,顯示畫面越大,越需要更快的傳送速度。要求面四,可以顯示動畫的要求,牽引出來的機能就是接收數位電視、影像電話等功能(圖2)。  

伴隨要求面二~四所引起的共通課題,即是資料量劇增、絞鏈部分的複雜程度、電磁放射雜訊的增大以及高耗電。由於更多的配線,便要面對EMC(Electro Magnetic Compatibility)問題並找出對策。  

在如此背景殷求下,為了降低資料線與實現功能的控制信號線數目,就需要嶄新的串列式介面來替代。有個稱為「Mobile Video Interface」的介面(圖3)就因應而生,這是由「Seiko Epson」與「Renesas Technology」公司所共同策定的介面規格。  

降低電流消耗  

若是純粹就高速串列介面而言,在實際的現實世界裏早就存在各種提案,也走到實用化的階段。然而,多數的既存介面對於手機之類的裝置有個致命傷,那就是電流的消耗實在不低,偏偏這個參數是手機產品最嚴格的要求規格之一。舉一個實際範例來說,個人電腦顯示器最常採用的LVDS(Low Voltage Differential Signaling)低電壓差動信號(圖4),就是應用廣泛的串列式介面之一,它是在傳送線路上流經數mA的電流,在終端阻抗上變換成電壓差來接收。但數mA的電流這種數字在手機應用上,還不具有足夠的吸引力。  

這個「Mobile Video Interface」介面,當初在開發之際,就定下了幾個明確的目標:  

‧藉由簡單的電路構成,在嵌入式裝置內以一對一的點對點連接型態,完成高速的資料載送,簡單的電路構成就是盡可能要大量削減信號線的數量。  

‧必須擁有低消費電力的基本能力。  

‧採用差動式(Differential)的串列傳送方式,不僅降低消耗電力,也可以降低電磁輻射雜訊干擾EMI的問題。  

‧目標端(Target)無須PLL(Phase-Locked Loop)鎖相迴路的存在。  

‧每一個通道(Channel)的資料傳輸速度為200Mbps。  

‧具有電源中斷(Power Down)以及喚醒(Wakeup)的機能。  

‧資料編碼採用直流平衡(DC Balance)特性極佳的8b/10b編碼方式。  

‧伴隨應用上的差異化,上層可以客製化(Customize)。  

本介面規格的傳輸雙方,分別是「Host端」與「Target端」,所謂的「Host端」就是供給時脈信號的一方,職司控制與管理。  

獨自開發高阻抗I-V變換電路  

綜合以上所言,「Mobile Video Interface」並不能採用如同LVDS的高阻抗,以數「mA」的單位電流來產生I-V(電流-電壓)變換。而是利用獨自開發的高阻抗I-V(電流-電壓)變換電路,傳輸線路的電流單位是以「uA」來計數,電流值比較小,EMI的問題自然就跟著減少。  

若是一般的並列式方式,在液晶顯示面板與液晶顯示控制器間,假設以QCIF的大小來載送18個位元、60個畫框(Frame)的RGB介面信號,信號線的數量大約是20條。如果採用「Mobile Video Interface」,就可以降到4條的程度。  

所謂的RGB介面是指VSYNC(垂直同步信號)、HSYNC(水平同步信號)、DOTCLK、DATA信號將畫像從LCD控制器傳送到LCD面板。通常LCD驅動器並沒有畫像用的記憶體存在,故使用RGB介面的場合始終在進行傳送資料。  

電源中斷以及喚醒的機能當然是電源管理必要的手段,當沒有傳送資料時,就可以進一步抑制電力消耗。同時,該機能是透過差動信號線來達成,自然無需新的信號線。  

實現高速資料載送  

此串列式介面適用於下述的元件裝置連結:  

‧手機基頻(Baseband)與應用處理器之間(比如說LCD控制器等)  

‧基頻積體電路(或是應用處理器/LCD控制器)與LCD顯示面板之間  

‧基頻積體電路(或是應用處理器/LCD控制器)與相機之間  

不論是上面所提的哪一種接續場合,都可以實現高速資料載送,同時,為了確保資料可靠的緣故,特意選用8b/10b的編碼方式。8b/10b的編碼方式具有明顯的特徵是邏輯一與邏輯零位元出現的次數均一性較好,也就是意味著直流平衡(DC Balance)特性比較優秀。位元發生錯誤率降低,資料的傳送穩定度高。同時,也可以藉著「Disparity」之差,來檢測出傳送線路是否有錯誤發生。  

而所謂的「Disparity」就是指邏輯一與邏輯零位元出現的次數差。依據8b/10b編碼方式的定義,為了控制用途,除了基礎的資料碼之外,另外定義了額外的K-Code控制碼。此介面在實體層有規定編碼與錯誤檢出的處理。  

利用時脈上沿傳送資料  

接著,就可以來論述「Mobile Video Interface」的資料傳送方式了。正如圖5所示,資料傳送方式乃是藉由時脈線與資料線個別傳送出去,主要原則是利用時脈的上沿來進行資料傳送與接收。圖5中的實線是指正端信號線(Plus),破折線則是指負端信號號(Minus)。  

敬請留意,一般高速串列式介面也都是採用8b/10b的編碼方式,而該編碼方式也具有時脈信號內藏於資料成分之中的特徵,接收端往往就會有各式各樣獨自的定時(Clocking)技巧或技術。而本「Mobile Video Interface」的應用主要是針對手機電話的內部為前提,資料傳送距離比較短,所以才會選擇簡單的傳送方式。  

解說實體層信號與類比電氣特性  

同時,針對通信方式,本規格也定義了單工(Simplex)、半雙工(Half-duplex)、全雙工(Full-duplex)三種通信方式。半雙工(Half-duplex)的場合僅支援主機端(Host)到目標端(Target)的DT0為一個通道。  

而全雙工通信的場合,一個通道的資料傳送之實體信號會有從主機端到目標端的時脈信號(CLK+,CLK-)與資料信號(DT0+,DT0-)。而從目標端到主機端也有選通信號(STB+,STB-)與資料信號(DT1+,DT1-)。因此,總共是8條信號線。底下是這些實體層信號的整理描述(圖6):  

‧「CLK+,CLK-」信號  

乃是主機端提供給目標端的時脈信號,最高的動作頻率為200MHz。因為,目標端就是利用這個時脈作為系統時脈,因此才不需要PLL方塊迴路的存在。  

‧「DTO+,DTO-」信號線  

與「CLK+,CLK-」時脈信號同步輸出。每一個通道(Channel)目前的最高速度為200Mbps,因應系統的需求,可以追加通道的數量。半雙工通信時,「CLK+,CLK-」分周的時脈為同步用途,從目標端輸出資料到主機端。  

‧「STB+,STB-」信號  

從目標端送往主機端的選通信號(Strobe),是從「CLK+,CLK-」所衍生出來的信號。  

‧「DTI+,DTI-」信號  

從目標端送往主機端的輸入資料,每個通道的最高傳送速率也是200Mbps。與「STB+,STB-」信號同步輸出,也如同「DTO+,DTO-」信號一樣,可因應系統需要而追加通道數量。  

「Mobile Video Interface」實體部中的類比電氣特性也是相當重要的一環。類比電源是2.8V(2.5V~3.3V),針對傳送線路分別定義有IH與IL吸收電流(Sink Current),其平均值分別為600μA與120μA。  

拿來與當代LVDS的2mA~3mA相比擬,很明顯是站在優勢的一方。其傳送線路的平均電壓為1.0V,此時,每一對差動的一個通道的消耗電流為1.5mA。攸關於類比部分的電氣特性規範,敬請參照表1。  

與其他的標準介面一樣,實體層規定有類比機能與數位機能兩個部位,比如說,串列-並列的轉換或8b/10b編碼就是隸屬於邏輯部位的範疇。  

類比迴路在傳送端產生信號  

為了方便說明起見,先來看本介面在傳送端與接收端於類比部分的概略圖(圖7)。由於本介面針對手機的適用為首要考量,因此高阻抗I-V變換電路與一般的LVDS並不相同。  

傳送端驅動器ON/OFF時,接收端會供給吸收電流(Sink Current)IH/IL。因此,傳送端送往接收端的信號,其電流是從接收端流往傳送端。  

這個介面的類比迴路是在傳送端產生資料信號VI以及其反轉信號/VI。如圖7所示,傳送端就是根據VI及/VI來ON/OFF定電流源驅動器。然而,比較讓人迷惑的地方,是在於驅動(ON)定電流源所需要的電流信號,卻是由接收端所提供的。接收端的供給電流經過I-V電流電壓轉換之後變換成電壓電位差,然後輸入比較器。比較器迴路就會用來檢測出差動電壓差,轉換成原來的單端信號,至於接收端的直流偏壓(DC Bias)方塊乃是用來隔離I-V變換電路以及傳送線路用的。  

觀察傳送線路,當「差動+」側流經IH吸收電流(Sink Current)時的場合,「差動-」側則是留過IL吸收電流(Sink Current)。而在接收端使用終端阻抗R,並將接收端的輸入阻抗匹配傳送線路的特性阻抗(Characteristic Impedance),如此一來就可以減少輸入端的信號反射或雜訊的影響。  

既然是串列式介面,資料的傳送自然也是採用封包(Packet)的方式。規格中對於封包的基本構成與次序有所描述。最為有趣的地方是可以依據應用層面的最上層來將基本封包構成的定義做客製化的處理。不過封包的基礎構成(圖8),還是有跡可循,他是以「標頭(Header)」+「封包資料欄(Packet Data Field」+「註腳(Footer)」的次序來組成。封包與封包之間理所當然是在閒置(Idle)的狀態。  

說明封包種類  

於茲,且就本規格基本案中所提出的封包種類來說明。  

‧寫入請求封包(Write Request Packet)  

位址空間的最高位數為56位元(7個位元組)。每一個封包的資料空間最多為216-2個位元組,爾後有兩個位元組的循環冗餘碼檢測CRC(Cycle Redundancy Check),作為錯誤偵測之用。  

‧讀取請求封包(Read Request Packet)  

有關位址、資料與CRC,與寫入請求封包相同規則。  

‧回應封包(Response Packet)  

因應讀取請求封包的回應封包。也就是說主機端會送出讀取請求封包到目標端。目標端回應主機端做出應答。  

‧認可封包(Acknowledge Packet)  

傳送封包到達時的應答封包。  

‧串流封包(Stream Packet)  

當然是針對串列流的資料傳送而規範的封包。無論是手機液晶面板的表示圖像資料或是相機的傳送資料等,都是其應用。  

目前,上一層的資料連結層(Data Link Layer)有定義「LCD規格」,乃是針對LCD面板的封包構成與順序所定義的。今後,預定在相機、基頻LSI也打算在資料連結層有所定義。  

解讀EMI 電磁干擾及眼狀圖  

一般在評估合乎標準規格的晶片時,除了基本的200Mbps資料傳輸速度特性之外、EMI電磁干擾的評估以及眼狀圖(Eye Diagram)解析,乃是分析串列介面的三個基本面向。  

當在實際評估資料傳輸速度特性的時候,連接線的各種特性阻抗值(如30Ω、40Ω、45Ω、50Ω、55Ω、60Ω)、連接線的各種長度(比如說80mm、120mm、160mm、200mm)、還有所使用面板的規範、LCD控制器介面等,都要面面俱到。  

而在進行EMI電磁干擾的評估,通常是以CISPR國際無線電干擾特別委員會的Class B之三米法則為依歸來實行。最好細線的同軸電纜、軟板(FPC印刷線路配線板)都要進行測定。所謂地三米法則是指測試對象裝置與接收天線的距離為三米,來測試放射妨害波的電場強度。  

依據Seiko Epson公司所進行的測試結果顯示,無論是使用細線的同軸電纜(圖9)或是FPC軟板(圖10),EMI的位階都非常的小。這個結果該是與本介面傳送線路上的流經電流是「μA」的程度息息相關才對。  

至於展示波形資料的眼狀圖(Eye Diagram)是觀察介面傳輸信號整合性最佳的工具。圖11是Seiko Epson公司針對200Mbps的資料載送,觀察QCIF大小面板、每秒60個畫框的RGB介面之結果。  

依據圖11顯示眼狀圖的開口都非常好,乾乾淨淨。信號上沿或下沿(Tr/Tf)也很不錯,信號抖動(Jitter)狀況也合乎理想。  

總之,以上是針對當前的規範做了最淺顯的介紹。若是依據規格測定聯盟的資料顯示,未來除了會在連結層追加相機、基頻的規範之外,第二個版本應該會提升速度到400Mbps的境界。  

(詳細圖表請見新通訊55期9月號)  

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