Das leistet die MIPI-A-PHY-Hochgeschwindigkeits-SerDes-Schnittstelle

In Verbindung mit immer höheren Auflösungen, Bildraten und Bittiefen stellen die für die Verbindung von Kameras, Sensoren und Displays in Fahrzeugen erforderlichen Multi-Gigabit-Durchsätze eine besondere Herausforderung für das Design dar. Sie erfordern die Entwicklung neuartiger E/E-Architekturen, die sicherheitskritische Hochgeschwindigkeitsschnittstellen mit großer Reichweite nutzen.

Zur Unterstützung dieser neuen Entwicklungen, hat die MIPI Alliance A-PHY entwickelt (auch als IEEE 2977-2021 anerkannt), eine asymmetrische serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstelle mit großer Reichweite zur Anbindung von Kameras, Sensoren und Displays, die MIPI CSI-2, MIPI DSI-2, DisplayPort und andere Industriestandardprotokolle verwenden. A-PHY macht proprietäre PHYs und Bridges überflüssig, vereinfacht die Netzwerke im Fahrzeug und reduziert Kosten, Gewicht und Entwicklungszeit.

Künftige Automobilarchitekturen werden A-PHY-Schnittstellen als Ergänzung zu symmetrischen Schnittstellen wie Automotive-Ethernet beinhalten. Im Gegensatz zu anderen Schnittstellen wurde MIPI A-PHY so konzipiert, dass es die besonderen Herausforderungen elektromagnetischer Interferenzen (EMI) in Automobilumgebungen löst.

A-PHY erlaubt eine asymmetrische Datenverbindung in Punkt-zu-Punkt-, Daisy-Chain- und anderen Topologien mit unidirektionalen Hochgeschwindigkeitsdaten, integrierten bidirektionalen Steuerdaten und optionaler Stromversorgung über ein einziges Kabel. So werden Kabel, Kosten und Gewicht eingespart. Es bietet eine Reichweite von bis zu 15 Metern (mit vier Inline-Konnektoren), eine niedrige Latenzzeit (z. B. 6 µs bei 16 Gbps), Unterstützung für verschiedene Kabeltypen (Koaxial, geschirmtes differentielles Paar und Sternvierer) und mehrere Power-over-Cable-Optionen. A-PHY ist für die Sensorintegration optimiert, mit vereinfachtem Design und niedrigen Baudraten, die für die meisten Prozess-Nodes geeignet sind.

A-PHY v1.1.1 unterstützt Datenraten von bis zu 16 Gbit/s pro Kanal und 32 Gbit/s über ein einziges Kabel (d. h. mit dualem Downlink über Sternvierer-Kabel). A-PHY v2.0, das im 3. Quartal 2024 veröffentlicht werden soll, erhöht die Datenratenunterstützung auf 32 Gbit/s pro Kanal und bis zu 64 Gbit/s über ein einziges Kabel. A-PHY bietet eine überdurchschnittliche Störsicherheit und Zuverlässigkeit mit einer extrem niedrigen Paketfehlerrate von <10-19 über die gesamte Lebensdauer eines Fahrzeugs. Zur bestmöglichen Optimierung der Schnittstelle kann A-PHY mehrere Protokolle höherer Schichten (gleichzeitig) unter Verwendung von Protokollanpassungsschichten (PALs) transportieren, die eine native Kopplung mit MIPI CSI-2 (für Kameras) und MIPI DSI-2/DisplayPort/embedded DisplayPort (für Displays) unterstützen. Weitere PALs unterstützen I2C, GPIO, Ethernet, SPI, Audio und die MIPI I3C-Schnittstelle (Bild 1).

Neben dem verminderten SNR ist es wichtig, die elektromagnetische Umgebung in Kraftfahrzeugen zu berücksichtigen. Die Hauptfaktoren sind Schmalbandinterferenzen (NBI), Transienten (ToL), Alien Crosstalk (Xtalk) und additives weißes gaußsches Rauschen (AWGN) in der Fahrzeugumgebung. Die Darstellung in Bild 2 zeigt Zeit- und Frequenzbereichsdiagramme an den Empfängerpads eines Systems, das mit einer Symbolrate von 4 GBaud bei 500 mVpp über einen Kanal mit ca. 20 dB Abschwächung auf seiner 2-GHz-Nyquist-Frequenz sendet. Dunkelblau steht für das gesendete Signal und Orange für das Signal nach dem Channel Loss.

Bild 3 zeigt, wie diese Signale am Slicer des Empfängers aussehen, nachdem die Verstärkungen des Analog Front End (AFE) und des Feed-Forward-Equalizers (FFE) hinzugefügt wurden. Selbst bei Verwendung einer relativ ausgereiften Entzerrung und Filterung, die nur eine Verstärkung des Rauschens um ca. 15 dB ermöglicht, sind die Auswirkungen des NBI im Verhältnis zu den gewünschten rekonstruierten Sendepegeln zu erkennen. Im Frequenzbereich ist dies darauf zurückzuführen, dass der größte Teil der NBI-Leistung bei einer Frequenz konzentriert ist, bei der die rauschverstärkende Wirkung des Entzerrers hoch ist. Im Vergleich dazu tritt das ToL-Rauschen bei einer niedrigeren Frequenz auf, die eine viel geringere Rauschverstärkung aufweist.

Diese einfache Analyse zeigt, dass Hochgeschwindigkeitsverbindungen im Automobilbereich durch EMI beeinträchtigt werden und dass Mechanismen zur Rauschunterdrückung und Fehlerkorrektur, die den negativen Auswirkungen von EMI im Automobilbereich entgegenwirken, erforderlich sind, um einen sicheren und stabilen Betrieb von Multi-Gigabit-Datenverbindungen zu gewährleisten.

Zum Schutz vor den Auswirkungen der Kabelalterung wurde A-PHY von MIPI so entwickelt, dass es eine Störfestigkeit von mindestens 40 mV NBI-Spitzenwert bietet, die an die Empfänger-Pads gekoppelt ist. Um dieses Ziel zu erreichen, implementiert A-PHY:

• Dynamic-Pulse Amplituden-Modulationsschemata für alle Geschwindigkeitsstufen, die von NRZ-8b/10b bis zu PAM16 reichen.
• Just-in-Time-Canceller, die mehr als 36dB Just-in-Time-NBI-Canceller bieten.
• Dynamisch modulierte lokale Retransmissionsmechanismen, die eine Paketfehlerrate von <10^-19 unterstützen, was einer durchschnittlichen Intervallzeit von mehr als 10.000 Jahren entspricht.

Im Vergleich dazu gehen andere Schnittstellentechnologien von einer maximalen NBI von ca. 6 mV aus und nutzen nur FEC-Mechanismen (Forward Error Correction), die für den sicheren und zuverlässigen Betrieb der Schnittstelle üblicherweise nicht ausreichend sind.

Fazit

MIPI A-PHY ist ein offener Industriestandard mit starker Unterstützung durch das Ökosystem für Entwicklung, Testing und Interoperabilität und einem klaren Ansatz für die Kommerzialisierung. Im Gegensatz zu anderen Schnittstellen unterstützt A-PHY eine hohe Störfestigkeit, die eine besonders zuverlässige Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit Kupferkabeln der aktuellen Generation über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs ermöglicht. Ergänzend dazu wurde eine Referenzkonformitätstestsuite entwickelt, und es wird ein Konformitätsprogramm eingeführt, um die Konformität von A-PHY-Geräten mit der Spezifikation zu überprüfen. (na)