影像工程師都必懂的4個MIPI影像傳輸概念
影像的傳輸與接收是大多數現代電子產品的核心運作特性。智慧型手機、平板電腦、相機、手錶、筆記型電腦，甚至是最高階的咖啡機都包含某種形式的影像資料來源(Sources)與接收端(Sinks)。因此，了解這些資料如何在裝置的各個元件之間(例如在相機與處理器之間)進行傳輸，是任何產品在設計與驗證階段的關鍵一環。
這篇文章目的在深入剖析數位影像傳輸中所使用的一些核心概念。我們將透過MIPI聯盟所制定的標準來呈現這些概念，該聯盟定義了產業內最常使用的一些影像傳輸協定。
運作模式：低功耗(Low Power)與高速(High Speed)
以電子方式傳輸影像，需要將影像的每個像素轉換為二進位資料(0和1)，接著將此位元流作為一系列的電子脈衝進行傳輸。這通常是藉由在導線上發送一個隨時間變化的電壓或訊號來實現，該電壓會在兩個準位之間擺動。高電壓代表「1」，低電壓代表「0」。這些訊號的電氣特性是由MIPI D-PHY等業界標準所定義。
低功耗(LP)模式：
此模式的特點是具有大電壓擺幅(1.2v）、單端訊號傳輸(Single-ended)以及極低的靜態功耗。它用於在不傳輸影像資料時節省電池壽命，並以低位元速率(Mb/s等級)傳輸控制資訊。
高速(HS)模式：
高速訊號傳輸採用差動方式(Differential)，其特點是具有小電壓擺幅(200mv)。它用於影像資料的快速傳輸(Gb/s等級)。低電壓擺幅有助於抵消高切換速率所帶來的高功耗需求。
圖1：MIPI D-PHY或MIPI C-PHY在HS和LP模式下的線路準位。
[來源：MIPI D-PHY規範]
Burst傳輸的結構
Burst是指高速序列資料的傳輸。一次HS burst傳輸的開始與結束都會伴隨著LP狀態。因此在實務上，如果有人去「觀察」正在傳輸的影像，將會看到一連串的LP-HS狀態轉換。這在視覺上是如何呈現的呢？以下顯示了一個使用Introspect的SV5C-CPRX MIPI C-PHY分析儀所捕獲的類比影像範例：
圖2：使用SV5C-CPRX MIPI C-PHY分析儀捕獲的類比影像範例。
(注意：此捕獲畫面是使用差動接收器進行的，在此僅用於插圖目的）
雖然這個訊號捕獲畫面看起來相當簡單，但burst傳輸的每個區段都受到標準的嚴格定義，而驗證工程師的工作就是確保burst傳輸的每個部分都符合規範。例如，在D-PHY協定中，進入HS burst模式的順序是一連串的LP狀態：LP-11 / LP-01 / LP-00(LP-11代表P線和N線分別處於邏輯「1」狀態，通常為1.2v，LP-00則代表兩者皆處於邏輯「0」狀態)。線路上的傳輸會持續保持在高速模式，直到發送另一個LP-11狀態為止，這代表停止狀態。這種 LP-HS-LP的轉換模式可以在下方的示意圖中更清楚地看到，該圖標示出了burst序列的各個區段：
圖3：burst模式下的高速資料傳輸。[來源：MIPI D-PHY規範]
實體層(PHY Layer)與協定層(Protocol Layers)的對比
控管電子週邊設備之間通訊的協定可分為兩個階段：實體層(PHY-level)與協定層(protocol-level)。兩者之間的差異概述如下：
實體層(PHY Layer)：
PHY指的是實體層(Physical Layer)，它負責連接電氣組件，在運作上處於最底層。PHY規範定義了如何將位元流轉換為透過傳輸媒介(例如銅箔走線)發送的實體訊號。訊號的電氣與功能特性、用以指示傳輸開始/結束的程序，以及時脈與資料通道之間的時序關係，皆由PHY標準所規範。
協定層(Protocol Layers)：
數位資料會被組織成資訊封包(Packets)，並透過實體層(PHY layers)進行傳輸。封包是以特定方式組織而成的一組位元組(Bytes)。協定層是一個高階層，負責定義在實體層上傳輸的封包結構，一個實體層可以支援不同的協定層。封包化協定(例如CSI-2和DSI-2)規範了每個封包的大小、標頭(Header)、負載資料(Payload)以及錯誤修正(Error-correction)資訊。下方的圖4顯示了一個使用SV5C-CPRX MIPI C-PHY分析儀所捕獲的數位影像範例，其特色在於完整呈現了封包層級的資訊。
圖4：影像的數位捕獲畫面，顯示了在封包層級所編碼的詳細資訊
D-PHY與C-PHY的對比
C-PHY和D-PHY是最常使用的兩種實體層(PHY-level)協定。雖然這兩項規範旨在提供跨多個通道的高速資料傳輸，但這兩種組態之間存在一些關鍵的概念差異。
🔹D-PHY：其傳輸通常透過四個資料通道和一個時脈通道進行。最低組態需要一個時脈通道和一個資料通道。每個通道包含兩條導線(正極與負極)，因此最低組態需要4條導線。資料傳輸的編碼效率為1bit/UI，且速度可達2.5Gbps(D-PHY v1.2)。
🔹C-PHY：這是一項更為複雜的標準，它透過將時脈嵌入至資料中，從而省去了獨立的時脈通道。在C-PHY中，通道被稱為「三線組(Trios)」，每個三線組由三條導線組成，每條導線皆具備三準位訊號傳輸能力(低、中、高)。資料被編碼為特殊的符號(Symbols)，每個符號包含2.28位元的資訊。因此，其傳輸效率更高，達到2.28bits/UI，這使得C-PHY 傳輸能夠在較低的切換率(Toggle Rates)下達到更高的資料傳輸率。C-PHY的資料速率通常是以「每秒符號數(Symbols per second)」來表示，而非「每秒位元數(Bits per second)」。
結論
無論您是一位驗證工程師，還是正在成為驗證工程師的路上，這四個MIPI影像傳輸概念都是驗證工程師所應具備的知識基石。除了打造能簡化測試與量測領域工程師任務的超可攜式解決方案外，透過像本文這樣的教育資源來賦能工程師，也是我們的使命。
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