MIPI-Schnittstellen mit dem Oszilloskop testen

Bild 1: Die guten HF-Eigenschaften der R&S RTO-Oszilloskope und ihre zahlreichen Fehlersuchfunktionen für MIPI-Schnittstellen sparen Zeit in der Entwicklung. Rohde & Schwarz

Jede neue Generation moderner Mobiltelefone kommt mit neuen Features wie zusätzlichen Sensoren, höheren Display-Auflösungen und erweiterter Ausstattung auf den Markt. Die zahlreichen Komponenten im Inneren dieser Geräte kommunizieren schnell und stromsparend über gemeinsame Schnittstellen, um die Funktionsvielfalt reibungslos verfügbar zu machen. Dabei stammen die meistverwendeten Standards für Hardware- und Software-Schnittstellen in Mobilfunkgeräten von der MIPI Alliance (MIPI: Mobile Industry Processor Interface), einer Non-Profit-Organisation, der mehr als 280 Firmen angehören. Laut dieser Alliance ist mindestens einer ihrer Standards in jedem modernen Smartphone und in 90 Prozent aller klassischen Handys implementiert. Auch Tablets und Digitalkameras sowie Produkte für den Automotive- und Gesundheitsbereich nutzen die MIPI-Standards, deren Vielfalt kontinuierlich erweitert wird. Bild 2 zeigt den aktuellen Stand.

Die physikalischen Schichten des MIPI-Frameworks

Das Standard-Framework definiert drei physikalische Schichten: D-PHY, C-PHY und M-PHY (Bild 3). Sie sind optimiert für die schnelle Datenübertragung (high-speed, HS) bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch (low power, LP). Diese Optimierung stellt spezielle Anforderungen an die Testgeräte in der Entwicklung.

D-PHY, die am weitesten entwickelte und am häufigsten eingesetzte Spezifikation, unterstützt Kameras und Display-Applikationen. Die kürzlich veröffentlichte Spezifikation für C-PHY beschreibt eine effiziente, unidirektionale Streaming-Schnittstelle mit langsamem In-Band-Rückkanal. Sie soll künftig bei höheren Geschwindigkeitsanforderungen D-PHY ersetzen. Die dritte Spezifikation M-PHY unterstützt ein größeres Applikationsspektrum, einschließlich Schnittstellen für Display, Kamera, Audio, Video, Speicher, Leistungsmanagement und die Inter-Chip-Kommunikation, beispielsweise zwischen den Chips für das Basisband und denen für HF-Übertragungen. Außerdem wurde sie als physikalische Schicht für Protokolle außerhalb des MIPI-Ökosystems wie Mobile PCIe (M-PCIe) und USB SSIC (Super Speed Inter-Chip) adaptiert.

Bild 2: Überblick über das „Ökosystem“ der MIPI-Spezifikationen am Beispiel eines Mobilgerätes. MIPI Alliance

Für jede physikalische Schicht sind mehrere übergeordnete Protokolle spezifiziert (Bild 3). Derzeit werden die auf C-PHY basierenden Varianten kaum genutzt. Die Spezifikation „Unified Protocol“ (Uni Pro) macht die Gemeinsamkeiten der auf M-PHY basierenden Protokolle auf höheren Schichten nutzbar, um Geräte und Komponenten in Mobilfunksystemen darüber zu verbinden. Die Spezifikation ist für zahlreiche unterschiedliche Komponenten geeignet wie Anwendungs- und Co-Prozessoren, Modems sowie für verschiedene Arten des Datenverkehrs wie Steuersignale, Nutzdaten-Transfer und paketiertes Streaming.

Analyse der Protokolle und Schichten

Bild 3: Applikationen, Protokolle und physikalische Schichten der MIPI-Standards. MIPI Alliance

Während der Entwicklung von Mobilfunkgeräten muss die standardgemäße, fehlerfreie Protokollübertragung zwischen den einzelnen MIPI-Schnittstellen immer wieder getestet werden. Rohde & Schwarz bietet für diese Zwecke für seine Oszilloskope der R&S RTO-Reihe (Bild 1) verschiedene Software-Optionen zur Analyse MIPI-basierter Protokolle und der jeweiligen physikalischen Schichten an (Bild 4). Im Folgenden werden die messtechnischen Anforderungen der MIPI-Standards dargestellt und gezeigt, wie sie sich mit einem RTO Oszilloskop bewältigen lassen. Das geschieht exemplarisch für die beiden MIPI-Standards D-PHY und M-PHY, gilt aber weitgehend auch für die anderen MIPI-Optionen für diese Oszilloskope.

Signaltreue der Messausrüstung

Bild 4: Überblick über die MIPI-Standards, die über die Analyseoptionen für RTO-Oszilloskope abgedeckt werden. Rohde & Schwarz

Bei der Analyse der physikalischen Schicht ist es wichtig, zwischen der Signalintegrität des DUTs (Device unter Test) und der Signaltreue der Messausrüstung zu unterscheiden. Kritische Parameter bei Oszilloskopen sind unter anderem Rauschen und Jitter, DC-Genauigkeit sowie die Bandbreiten-Begrenzung bei großen Verstärkungsfaktoren. Besonders anspruchsvoll ist das Erfassen von LP- und HS-Sequenzen mit ihren stark unterschiedlichen Signalpegeln. Sie erfordern eine hohe Signaltreue zum Bestimmen der Signalqualität – speziell für die HS-Anteile. Bild 5 zeigt die jeweiligen Spannungspegel.

Bild 5: Pegel des MIPI-Signals D-PHY. Rohde & Schwarz

Allgemein gilt, je besser die Eigenschaften der eingesetzten Messgeräte sind, umso größer ist der verbleibende Toleranzbereich für das DUT, was sich in geringerem Ausschuss, niedrigeren Kosten und insgesamt effizienteren Messungen niederschlägt.

200 mV und 1,2 V simultan erfassen

Zur Charakterisierung der physikalischen Schicht wird das LP-Signal bei einem Full Scale von 1,4 V erfasst. Mit 8-bit-A/D-Umsetzern, wie sie in üblichen Oszilloskopen verbaut sind, verbleibt eine Full-Scale-Auflösung von 5,5 mV/bit. Diese ist zwar für Messungen am 200-mV-Signal theoretisch ausreichend, zusätzliche Einflüsse führen aber schnell dazu, dass sie nicht mehr genügt. Denn obige Annahme geht von einem idealen A/D-Umsetzer aus. In der Praxis jedoch reduzieren verschiedene Einflüsse die Anzahl der effektiven Bits (ENOB). Dazu zählen Offset-, Verstärkungs- und Linearitäts-Fehler sowie statisches Rauschen. Bei diesen Anforderungen profitieren die RTO-Oszilloskope von ihrem Low-Noise-Front­end und den präzisen A/D-Umsetzern. Letztere haben einen Dynamikbereich von über 7 bit (ENOB), der über der gesamten Gerätebandbreite von 4 GHz zur Verfügung steht.

Bild 6: Das Oszilloskop RTO bietet die volle Messbandbreite bei jeder Eingangsempfindlichkeit, sogar bei 1 mV/Div. Rohde & Schwarz

Zudem reduziert das niedrige Rauschen der Oszilloskope den Einfluss des Grundrauschens auf die Messung. Ihr effektives Rauschen bei gewähltem Full Scale von 1,4 V, also bei 140 mV/Div, beträgt beispielsweise nur 5 mV – ein Wert, der bei marktüblichen Oszilloskopen deutlich höher sein kann.

Übersteuerung des Frontends

Ein scheinbar geeignetes Verfahren zur Reduzierung des Oszilloskop-Einflusses auf Messungen am HS-Signal ist die Wahl einer höheren Verstärkung. Bei 300 mV Full Scale beispielsweise vergrößert sich die Auflösung auf 1,2 mV/bit und das effektive Rauschen reduziert sich auf 1,1 mV. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Verstärker vor dem A/D-Umsetzer eine gewisse Erholungszeit brauchen, wenn sie außerhalb ihres spezifizierten Bereichs betrieben werden. Während dieser Periode verursacht die im Verstärker gespeicherte Energie Signalverzerrungen und macht Ergebnisse unbrauchbar. Diese Vorgehensweise wäre nur dann sinnvoll, wenn das interessierende Signal erheblich später auftreten würde als der Übergang vom LP- in den HS-Status. Die dafür benötigten Zeitspannen geben die Hersteller gewöhnlich nicht an, sie liegen typischerweise im Bereich mehrerer Nanosekunden.

Bild 7: Der Startbildschirm der R&S Scope Suite zeigt die verfügbaren Konformitätstests. Rohde & Schwarz

Selbst wenn ein übersteuerter Verstärker den interessierenden Bereich nicht beeinflusst, kann es trotzdem zu Problemen kommen, weil viele Oszilloskope bei hoher Verstärkung mit reduzierter Bandbreite arbeiten, um das Rauschen zu verringern. Diese Einschränkungen sind oftmals drastisch. Bei höchster Verstärkung stehen oft nur noch maximal 500 MHz zur Verfügung. Da der Standard D-PHY die Messung der Anstiegs- und Abfallzeiten in der Größenordnung von 100 ps erfordert, sind Oszilloskope mit Bandbreiten von mindestens 3,5 GHz erforderlich. Arbeitet der Anwender mit einer Eingangsempfindlichkeit von 30 mV/Div und verwendet einen typischen aktiven Tastkopf mit einem Teilerverhältnis von 10:1, dann muss er, um den kompletten Bereich des 200-mV-Differenzsignals abzudecken, am Frontend 3 mV/Div einstellen. Bei diesem Wert reicht die Bandbreite der meisten Oszilloskope nicht aus. Beim RTO dagegen steht durch sein rauscharmes Frontend und seines A/D-Umsetzers die volle Gerätebandbreite bis hinab zu 1 mV/Div zur Verfügung. Es bietet damit eine sehr hohe Messdynamik für Konformitätsmessungen (Bild 6).

Bild 8: Konfiguration der M-PHY- /Uni Pro-Protokoll-Decodierung. Rohde & Schwarz

Neben diesen technischen Details steht bei Konformitätsmessungen ein rasch zu Ergebnissen führender intuitiver Workflow im Vordergrund. Den bieten die R&S Scope Suite (Bild 7) und die zugehörige Compliance-Testoption RTO-K26. Der Anwender profitiert von den Schritt-für-Schritt-Anleitungen und den erklärenden Bildern, sodass Messungen auf Anhieb gelingen. Zudem nutzt die Option die zahlreichen Möglichkeiten des digitalen Trigger-Systems der Oszilloskope, um schnell die richtigen Signale zu isolieren und die Messzeit zu reduzieren.

Bild 9: Auswahl der zu decodierenden Protokolldetailschicht. Rohde & Schwarz

Kommunikation zwischen Komponenten

Nachdem der Entwickler eines Designs die Signalintegrität verifiziert hat, wird er die Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten untersuchen und nach Fehlern suchen. Trigger- und Decodier-Software für MIPI und serielle Kommunikationsprotokolle (Bild 4) vereinfachen diese Untersuchungen erheblich.

So bietet Rohde & Schwarz für seine RTO-Oszilloskope die Option RTO-K44. Sie unterstützt die Fehlersuche sowohl direkt auf der untersten physikalischen Schicht M-PHY als auch auf den höheren Protokollschichten des Uni-Pro-Standards. Das 4-GHz-Modell RTO2044 deckt Uni Pro 1.6 bis zum HS-Übertragungsmodus Gear 2 (HS-G2, 2,9 Gbit/s) ab. Dementsprechend ermöglicht es auch ein Debugging von Protokollen wie CSI-3, UFS und Uni Port-M.

Bild 10: Decodier-Ergebnisse der M-PHY-Schicht mit Zoom und Tabelle zeigen die Details der Frames und Bursts. Rohde & Schwarz

Für das Setup zur Decodierung eines M-PHY-Signals auf zwei seriellen Datenverbindungen (Lanes) werden zwei differenzielle Tastköpfe an die Kanäle 1 und 2 angeschlossen. Ein Dialogfeld führt durch die Konfiguration (Bild 8). Der Anwender muss lediglich zwischen M-PHY und Uni Pro wählen und die Anzahl der seriellen Datenverbindungen angeben (bis zu vier Lanes werden unterstützt). Es sind gekoppelte oder individuelle Schwellenwerte verwendbar.

In einem zweiten Schritt werden das Datenformat und die zu decodierende Schicht eingestellt. Die Wahl der Schicht ist nützlich, um Fehler auf unterschiedlichen Protokolldetailschichten aufzudecken, beginnend bei den Flankenübergängen über die Bits und Symbole bis hin zu den höheren Uni Pro-Schichten (Bild 9).

Bild 11: Konfiguration der Decodierung des M-PHY- /Uni Pro-Protokolls. Rohde & Schwarz

In Bild 10 zeigt das Oszilloskop für das Beispiel-Setup mit aktivierter Decodierung die unterschiedlichen Bursts für Daten und Marker (MK0, MK1, MK2) an. Für die tiefer gehende Analyse einzelner Bursts listet die Tabelle links unten im Screenshot (Decode results details 1) die zugehörigen Details auf. Die protokollabhängige Triggerung der Option RTO-K44 grenzt die jeweiligen Datentelegramme voneinander ab (Bild 11). Durch den Einsatz der schnellen und genauen Trigger mit zusätzlicher Software­-Selektion ist ein extrem performanter Arbeitsablauf erreichbar.

(jj)