2019年11月16日 | 平板电脑中的数字测量技术

一、平板电脑行业状况，数字电路中的高速总线和接口 

    据iSuppli公司，如果一款新产品带来的影响，可以用它对全球电子价值链所造成冲击的宽度与深度来衡量，那么苹果iPad无疑是科技产业发展中上最重要的产品之一，它影响到iSuppli公司所追踪的多个领域。在科技市场，规模非常重要，但增长才是至高无上的。在摩尔定律的驱使下，科技提供商涌向快速增长的领域，以支撑其在研发与新产能上面的大量投资。在疯狂追求增长的过程中，整个价值链将对自身进行重组，以适应最新和最伟大的创新，并把昨天的热门产品置于次要地位。这种现象在今天尤其明显，科技市场中的几乎每个领域都在受到iPad的影响，有些领域的形态被iPad改变，从半导体和显示器等器件到合同制造，到OEM终端产品和策略，到服务与数据计划。iPad正在驱动对某些元件的新需求，刺激其它一些器件出现短缺，导致一些供应商改变产品线，并创造出新的科技巨头。

    据iSuppli公司的监视器研究主管Rhoda Alexander，在iPad的带动下，slate型平板电脑市场未来两年增长速度将是所有大批量电子终端产品中最快的。2011和2012年全球slate型平板电脑出货量将分别剧增267.3%和75.8%。相比之下，全球科技市场中以前的热门产品——智能电脑，2011和2012年出货量将仅分别上升30.5%和21%。风靡一时的笔记本电脑2011年将仅增长20%，2012年增幅再下降几个百分点。

    平板电脑介于智能手机和笔记本电脑之间，注重电池使用时间和视觉体验。平板电脑包括智能手机和笔记本电脑所具有的无线接口：3G, GPS, Bluetooth，WiFi。这些无线接口的测量与智能手机或笔记本电脑的无线接口测量类似，方案成熟，在此不做介绍。

    平板电脑内部有许多高速数字总线和接口，我们以NVIDIA的Tegra2处理器为例，解析基于其设计的平板电脑所具有的高速数字总线和接口。NVIDIA的Tegra 2基于双核的ARM Cortex A9架构，40nm制程，集成NVIDIA OpenGL ES2.0 GPU。平均功耗500mW，最高功耗1.5W，可按需关闭图形及CPU核心。Tegra 2最主要的优点有两个：第一就是高清，它可以支持非常强劲的高清播放能力、3D播放能力，视觉体验非常出色，是世界上第一个支持1080P全高清显示的嵌入式处理器；第二个优点就是省电，现在Tegra 2可以做到数天的待机时间。目前NVIDIA Tegra 3已经近乎开发完成（预计2011年年中发布），Tegra 4也已经开始投入开发，一个美好的未来就在前方。

    Tegra 2所具有的典型特征，特别是高速数字接口，从下表中展露无疑。处理器内核是ARM9（双核），频率达到1GHz；对外高速数字总线接口：内存总线DDR2/LPDDR2（频率最高达到667MHz)，显示总线和接口HDMI/LCD/MIPI-DSI（最高信号速率可达到2.25Gbps),摄像头接口MIPI-CSI（速率可达1Gbps),另外与外部PC通讯还有USB2.0接口。

    这些总线和接口信号速率高，需要进行信号完整测量，以确保产品的可靠性和与其他产品的兼容性。下面分别介绍HDMI1.4, USB2.0，MIPI, DDR2/LPDDR2这些高速数字总线和接口的技术背景和测量解决方案。

二、HDMI1.4技术背景和测量解决方案

HDMI 是个非常成功的显示接口，在高清显示领域基本普及。目前HDMI 1.2已经淡出市场，主流的是HDMI1.3。出于对于更多功能和广泛应用支持的目的，HDMI组织在09年6月正式发布了HDMI 1.4的产品规范，并在09年11月正式发布了HDMI 1.4的测试规范。HDMI 1.4向下兼容1.3，其总线最高数据速率还是10.2Gbps，相对于1.3来说没有提高，主要是增加了一些新的功能和应用。比如：

1、在HDMI接口上增加了个双向的100M以太网通道。现在很多机顶盒、游戏机都有网口，可以上网，但是每台设备都接根网线就很麻烦，电视上通常会有不止一个HDMI口，而且是这些设备的中心，所以如果所有需要联网的设备都通过电视的HDMI接口上网就可以把网线省了。这也适应了以后数字家庭的需求，因为可以远程控制。但是最开始HDMI做接口定义时没有考虑以太网通道，所以现在只能把HPD和一个原来没用的Utility管脚用来传以太网的正负差分信号。由于HPD管脚本来还有一些其它作用，而且100M网需要双向传输，所以又加了一些AC耦合和收发分离电路，用于把直流信号、交流信号、共模信号、差分信号分离出来。

2、音频回传通道。通常家里的DVD会驱动音响播放声音，同时通过HDMI接口驱动电视显示图像。当然电视也可以播放声音，但效果会差一些。所以如果电视直接接收的有线信号想通过音响播放的话就需要再反过来从电视朝DVD送一组音频线，这样就很麻烦。现在HDMI 1.4里增加了反向的音频回传通路，这样如果电视想通过音响播放声音就直接通过HDMI口回送给DVD就可以了。这个回送路径也是通过刚才提到的HPD和Utility管脚实现的。所以这两个功能合起来叫HEAC(HDMI Ethernet and Audio Return Channel)，这是HDMI 1.4 新的名词。

3、新的连接器。针对移动应用增加了Type D的连接器，针对车载应用增加了Type E的连接器。现在一些高端的手机中也在考虑增加HDMI接口，见过HDMI接口的人都知道这种连接器（电视上都是Type A的）相对手机来说太大了，虽然HDMI以前也定义了Type C的比较小些的连接器，但相对手机等移动应用还是有点大，所以Type C的连接器基本没推广起来。现在HDMI 1.4里定义的Type D连接器长度只有不到6mm，和Mini USB的大小差不多，所以在手机等移动设备上推广起来尺寸不再是问题。而对于一些车载的影音设备来说，传统的HDMI连接器在振动、高温的环境下不太可靠，所以新定义的Type E的连接器有自锁结构，更加适应车载环境。

4、3D图像和更高分辨率的支持。通常2D显示设备设备显示的是2维图像，现在有些新的显示设备可以显示3D图像（目前还不太成熟）。人眼之所以能看到3维的信息是因为左右眼看到的图像稍有差异，要实现3D的效果就需要显示设备能同时显示2幅视角稍有差异的图像并分别送到左右眼。同样的，就要求视频播放设备也能在传统的一个视频帧里同时传送左右眼的2帧图像，新的HDMI 1.4标准提供了对这种数据格式的支持。同时，为了显示更大的画面，HDMI 1.4里支持的最高分辨率提高到了4196×2160，比原来的1080p显示画面面积大了4倍。不过由于HDMI 1.4接口的最高数据传输速率没有提升，所以4k×2k分辨率情况下的最大帧频只能到24Hz。

综合可见，HDMI 1.4相对与HDMI 1.3来说的改进更多的是在应用层面上拓宽HDMI的应用领域和应用范围，HDMI 1.4的推出对于进一步普及HDMI接口会有比较积极的作用。为了应对HDMI 1.4的测试需求，Agilent作为HDMI测试的领军厂商也及时推出了相应的解决方案，其和传统的1.3的测试的区别在于增加了HEAC的测试项目以及相应的一系列新的夹具。目前HDMI 1.4 的CTS（一致性测试规范）已经正式发布，SillicanImage、ADI等已有商用的芯片正式推出，所以HDMI 1.4在未来的会很快普及。

对于设备提供商来说，最重要的是保证产品的互操作性以获得良好的用户体验。物理层包括3对差分数据和1对差分时钟，HDMI综合测试包括：源设备测试、电缆测试、接收性能测试，而平板电脑中的HDMI的测试主要为源设备测试。通过测试可以使您更了解您的被测设备。如果这个了解是在早期的设计阶段的话，就可以及时采取相应的措施改进。做为一个采纳者，您必须把您的HDMI产品提供给HDMI的ATC做认证测试。Agilent可以给认证前的调试和特性测试提供支持。

HDMI 1.4源设备的物理层测试：一致性测试包括几个测试项目如低电平、差分上升/下降时间等，以及用时钟恢复方法进行的眼图和抖动分析。示波器是Agilent源设备测试的核心。这些实时示波器的高带宽、低噪声以及优异的探头技术保证了清晰的眼图和真正的裕量测试。比如，接收眼图的测试用于验证接收设备的最小接收电平。如果示波器噪声指标较差，其测试结果就有可能会欺骗你，因为它给出了比实际更小的电平裕量，从而造成对设计的错误估计。由于HDMI 1.4最高信号速率相对于1.3没有变化，所以需要的示波器和探头带宽和原来没有变化，都是8GHz；但由于增加了HEAC的通道，所以需要新的夹具把HEAC信号引出，同时需要新的测试软件来支持HEAC信号的测试。以下是HDMI 1.4源设备测试推荐的仪器：

HDMI 1.4 源设备的协议层测试:对于EDID/DDC/CEC的测试仍然使用QuantumData公司的882CA，CEC/CDC的测试还可以用Simplay公司的SL-309实现。对于高速的音视频格式等协议测试，HDMI 1.3时会用到Agilent的U4998A协议分析仪，现在HDMI1.4的测试仍然会用到这个设备。U4998A协议产生和分析仪包含协议分析仪、视频时序分析仪、视频图像分析仪、音频时序分析仪和音视频协议发生器。这个设备支持包括深色在内的协议和音频码型，其软件还提供了预先定义的音视频文件。这一部分相对于HDM 1.3来说主要是增加了对3D、高分辨率的支持等，如3D视频包含2倍以上的图像信息，其格式比2D的更复杂。

三、USB2.0技术背景和测量解决方案

    自从1995年USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）诞生起，由于USB接口的简单易用、支持热插拔、速度快等特点被广泛应用于当今的电子产品中，USB堪称是PC平台上最成功的I/O技术，除PC及外设外，也成为打印机、手机及各种消费电子产品标准的扩展接口。USB标准规范历经多年的发展从第一代的1.0 Low Speed/1.1 Full Speed，演进到2.0 High Speed标准，补充标准On-The-Go（OTG）允许便携设备之间直接交换数据，在2008年底USB 3.0 Super Speed规范也已经发布。这些接口标准都是向下兼容的，接口速度也由1.5Mbps，12Mbps，480Mbps发展到5Gbps。

随着接口传输速度的提高，对于设计和开发者来说，信号完整性的问题也越来越突显，另外以串行的传输结构，在协议层和互操作方面也有更大的挑战。USB-IF（USB Implementers Forum，USB实施者论坛）制定了一致性测试规范，在电气层面、功能层面、互操作层面规定认证测试方案，并授权测试实验室认证测试，USB相关产品通过测试取得USB徽标的认证。这就要求USB开发人员能够在实验室研发阶段，进行满足一致性规范要求的预测试，及早的发现和解决问题，从而加快产品的量产速度。

USB 2.0基本规范：USB 2.0规范定义了三种信号速率，分别是低速，全速和高速，电气特性如表1所示：

    对于上升沿时间为500 ps的高速USB 2.0信号，示波器的带宽至少应该为2GHz左右，以9000系列示波器来说，应选取2.5 GHz带宽的示波器以及更高带宽的差分探头进行高速USB信号的测试。

    USB系统设备类型包括主机 (Host)，集线器(Hub)，外设(Device)。USB Host负责管理I/O系统及应用软件，管理外设枚举 (Enumeration)，在运行过程中初始化对特定外设的操作；每个外设接受操作并做出响应，另外主机也将外设纳入系统的电源管理体系。Hub提供扩展的USB外设接口，最多可以级联5级，最多可以连接127个USB设备。Device接受Host发起的操作，发送或接收数据。设备可以自供电或者由主机供电，主机供电设备最大吸收电流为500mA。上行(Upstream)和下行(Downstream)分别定义了数据从外设到主机以及从主机到外设的方向。USB采用4线结构，分别为VBUS， GND， D+, D-。平板电脑属于外设Device,重点测试高速部分，主要测试内容如下：

    基于9000示波器的USB2.0物理层测试包括示波器DSO9254A，运行于示波器的USB一致性测试软件N5416A，探头InfiniiMax系列的1131A有源放大器及E2678A插座式探头前端，再配合E2649B高速测试夹具，E2646A全速/低速测试夹具，以及安捷伦独有的 OTG测试夹具N5417A对Host，Device，Hub，OTG等不同类型的USB被测件进行测试。整个方案如下图所示：