雙模C-PHY/D-PHY：支持下一代VR顯示器

多年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 與游戲和娛樂(lè)應(yīng)用密切相關(guān)。如今，VR/AR 及其組合版本混合現(xiàn)實(shí) (MR) 的應(yīng)用已擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如醫(yī)療保健、軍事、教育、制造、零售、營(yíng)銷和廣告。下一代 VR 顯示器面臨哪些挑戰(zhàn)？是什么讓 MIPI 接口最適合 VR/AR/MR 應(yīng)用？Mixel, Inc. 如何將不同的 MIPI PHY 產(chǎn)品組合成獨(dú)特、差異化、靈活的解決方案？這些問(wèn)題的答案將在整篇文章中揭曉。

為了支持 VR 的多樣化應(yīng)用和用例，并滿足對(duì) PC、手機(jī)和便攜式設(shè)備驅(qū)動(dòng) VR 顯示器不斷增長(zhǎng)的需求，與當(dāng)前一代相比，下一代 VR 顯示器在許多方面都取得了進(jìn)步。

第一代 VR 顯示器支持 1k x 1k 分辨率，這不足以在近視場(chǎng)顯示高分辨率圖像。下一代 VR 顯示器的目標(biāo)是支持約 1000 像素每英寸 (PPI) 的顯示分辨率，以實(shí)現(xiàn) 2k x 2k 的最低顯示分辨率，一直到 4k x 4k，提供最佳用戶體驗(yàn)。

下一代 VR 顯示器的另一個(gè)目標(biāo)是響應(yīng)能力，即 LCD 晶體必須在用戶觀看之前穩(wěn)定下來(lái)，以便在近場(chǎng)視野中呈現(xiàn)清晰的 LCD 圖像。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的技術(shù)之一是加載像素，讓它們有一些時(shí)間穩(wěn)定下來(lái)，然后閃爍背光，這樣用戶只能在像素穩(wěn)定后才能看到它們。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，顯示面板必須以更快的速度更新，這意味著更高的帶寬要求。

降低視頻延遲是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。高視頻延遲會(huì)導(dǎo)致視頻內(nèi)容滯后，從而導(dǎo)致視頻和音頻內(nèi)容不同步。這種影響會(huì)導(dǎo)致暈車問(wèn)題。下一代 VR 顯示 IC 應(yīng)針對(duì)最低延遲進(jìn)行優(yōu)化，這需要部署低延遲接口。

如果在乎功耗的增加，就無(wú)法增加帶寬以支持更高分辨率、更高刷新率和更快的響應(yīng)速度。通常部署在沉浸式頭戴式顯示器中，VR 設(shè)備應(yīng)該消耗最小的功率，從而產(chǎn)生的熱量可以忽略不計(jì)，以提供方便的用戶體驗(yàn)。在顯示器由手機(jī)或其他便攜式設(shè)備驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中，最小化功耗仍然是關(guān)鍵要求。雖然所有標(biāo)準(zhǔn)化接口都在競(jìng)相實(shí)現(xiàn)最高帶寬，但 MIPI 規(guī)范是從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)的，以支持高帶寬、低延遲應(yīng)用程序，同時(shí)最大限度地降低功耗。

XR 系統(tǒng)中的 MIPI

術(shù)語(yǔ) XR 通常用于指代任何現(xiàn)實(shí)技術(shù) VR、AR 和 MR 或其任意組合?，F(xiàn)在，讓我們快速瀏覽一下 MIPI C-PHYSM 和 D-PHYSM 接口，解釋為什么它們是 XR 應(yīng)用的最佳選擇，以及 Mixel 如何以最小的面積和功率開(kāi)銷在單個(gè) PHY 中結(jié)合這兩種接口的特性。

MIPI D-PHY 是一種簡(jiǎn)單的源同步 PHY，它使用一個(gè)時(shí)鐘通道和不同數(shù)量的數(shù)據(jù)通道。它自 2009 年以來(lái)一直存在，并廣泛部署在 CSI-2SM 和 DSISM 應(yīng)用程序中。另一方面，C-PHY 是 MIPI 家族的新成員，也是更復(fù)雜的 PHY。C-PHY 在三個(gè)信號(hào)上運(yùn)行，一個(gè)三重奏，時(shí)鐘嵌入到數(shù)據(jù)中，因此不需要單獨(dú)的時(shí)鐘通道。單通道 D-PHY 1.2 配置需要四個(gè)引腳，兩個(gè)引腳用于時(shí)鐘通道，兩個(gè)引腳用于數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)高達(dá) 2.5 Gbps 的數(shù)據(jù)速率。單三重 C-PHY 1.1 配置僅需要三個(gè)引腳，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 2.5 Gsps 的符號(hào)率，即 5.7 Gbps。得益于 MIPI C-PHY 巧妙而高效的映射和編碼技術(shù)，數(shù)據(jù)速率效率提高了 2.28 倍。

為了解釋 MIPI D-PHY 和 MIPI C-PHY 在 VR、AR 和 MR 系統(tǒng)中的不同用例，讓我們看一下圖 1。

Figure 1: MIPI Use Cases in XR System

MIPI CSI-2 接口通常用于 AR 應(yīng)用，作為一側(cè)不同類型傳感器（環(huán)境、視頻捕捉、深度捕捉）與另一側(cè)捕捉處理器或橋接芯片之間的接口。DSI 接口通常用于 VR 應(yīng)用程序，其中 GPU 處理器將驅(qū)動(dòng)顯示面板。捕獲處理器和主機(jī)處理器之間的接口可以部署另一對(duì) MIPI TX/RX 低延遲 PHY。在系留應(yīng)用中，處理器（手機(jī)、臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦）使用非 MIPI 接口，可以部署橋接芯片將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 MIPI 形式。DSI 和 CSI-2 都是 MIPI 協(xié)議，可以通過(guò) MIPI C-PHY 和/或 MIPI D-PHY 物理層發(fā)送數(shù)據(jù)。

Mixel 的雙模 C-PHY/D-PHY

Mixel 的雙模式 C-PHY/D-PHY 實(shí)現(xiàn)將兩者組合成一個(gè)組合 PHY，同時(shí)共享相同的管腳盤。D-PHY 鏈路可以作為 1 到 4 條通道運(yùn)行，每條通道以 2.5Gbps 運(yùn)行，而 C-PHY 鏈路可以作為 1 到 3 條通道運(yùn)行，每條通道以高達(dá) 2.5Gbsps 的速度運(yùn)行，相當(dāng)于 5.7Gbps。Mixel Combo PHY 在 D-PHY 模式下支持高達(dá) 10 Gbps 的聚合數(shù)據(jù)速率，在 C-PHY 模式下支持高達(dá) 17.1Gbps 的聚合數(shù)據(jù)速率。

Combo PHY IP 不僅共享串行接口引腳，而且 Mixel 的實(shí)現(xiàn)還為 MIPI C-PHY 重用了所有 MIPI D-PHY 功能塊，從而最大限度地減少了管芯面積和泄漏功率。下面的圖 2 顯示了 Mixel MIPI C-PHY/D-PHY Combo TX 的框圖，用于 DSI 主機(jī)應(yīng)用，旨在驅(qū)動(dòng)最新的 VR 顯示器。

Figure 2: Mixel MIPI C-PHY/D-PHY Combo TX Block Diagram

Mixel Combo C-PHY/D-PHY 支持 D-PHY 和 C-PHY 模式下的通道交換和極性更改功能。有了這樣的功能，系統(tǒng)集成和 PCB 布線就會(huì)更加順暢，因?yàn)橥ǖ?三重奏可以配置為多種組合。

它還配備了內(nèi)置自測(cè)試 (BIST) 引擎，可以跨多個(gè)抽象層（IC、PCB 等）測(cè)試 PHY。BIST 引擎能夠在不同的 MIPI 操作模式下測(cè)試 Combo PHY，并提高可觀察性和可控性。實(shí)施了各種測(cè)試場(chǎng)景以支持生產(chǎn)和特性測(cè)試。

Synaptics 的用例

部署 Mixel C-PHY/D-PHY 組合 TX 解決方案，領(lǐng)先的高科技人機(jī)界面解決方案提供商 Synaptics Incorporated 開(kāi)發(fā)了世界上第一款同時(shí)使用 MIPI C-PHY 和 D-PHY 的顯示應(yīng)用 IC。VXR7200 VR Bridge 是一種連接解決方案，適用于部署完整 VESA DP1.4 帶寬的系留 USB Type-C 電纜。它針對(duì)分辨率高達(dá) 3k x 3k @ 120Hz 的 VR、AR 和 MR 雙顯示器耳機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化，具有 DSC 壓縮功能，可實(shí)現(xiàn)一流的 HMD 用戶體驗(yàn)。Synaptics R63455 VR 顯示驅(qū)動(dòng)器 IC 是一款配套芯片，可使用特殊的 VR 顯示時(shí)序模式驅(qū)動(dòng)顯示器。

VXR7200 VR 橋芯片管理橋的 DisplayPort 和 MIPI 端。它通過(guò)顯示端口接口與 GPU 處理器通信，以提供顯示要求，如視頻格式（子像素渲染、420、444、8 位、10 位）、壓縮設(shè)置和幀時(shí)序分配。另一方面，Mixel MIPI C-PHY/D-PHY 和 DSI-2 控制器用于與顯示驅(qū)動(dòng)器 IC (DDIC) 通信以配置視頻格式、壓縮設(shè)置、面板掃描時(shí)間、建立時(shí)間、背光閃爍時(shí)間和 局部調(diào)光設(shè)置。

通過(guò)在每個(gè)鏈路上集成兩個(gè) Mixel Combo C-PHY/D-PHY 實(shí)例和 DSI-2 控制器，橋接芯片 MIPI 接口擴(kuò)展為支持八個(gè) MIPI D-PHY 數(shù)據(jù)通道，與六個(gè) MIPI C-PHY 三重奏共享相同的芯片引腳 每只眼睛。橋接 MIPI 接口具有高度可配置性，可支持不同代的顯示面板、多種分辨率和帶寬選項(xiàng)以及不同的壓縮設(shè)置。下面的表 1 解釋了為什么需要雙模 C-PHY/D-PHY 接口來(lái)支持各種應(yīng)用和配置。

Table 1: Bridge Chip Data Rates Supported in Different Configurations

上表顯示了每只眼睛以 90Hz 顯示器驅(qū)動(dòng) 2880x1920 顯示器的不同配置示例。在沒(méi)有壓縮的情況下，DP 鏈路必須配置為支持 32Gbps 帶寬的 4 通道 HBR3，這必須與 MIPI 接口側(cè)的 6 個(gè) C-PHY 三重奏相匹配，以驅(qū)動(dòng) 2880x1920 每眼顯示器。D-PHY 不能用于此，因?yàn)樗С值淖畲髱挼陀诖祟惻渲弥械南到y(tǒng)要求。需要 C-PHY 支持才能支持此重要功能。

當(dāng)啟用橋接顯示或 GPU 顯示壓縮時(shí)，可以使用 D-PHY 通道或 C-PHY 三重奏的不同配置，以優(yōu)化功耗提供所需的 MIPI 帶寬。

硅結(jié)果

以下兩張快照顯示了集成到 Synaptics VXR7200 VR Bridge IC 中的 Mixel 雙模 C-PHY/D-PHY 的測(cè)試結(jié)果。VXR7200 橋接芯片通過(guò) Mixel Combo PHY IP 和 DSI-2 控制器首次在硅片上取得成功，現(xiàn)已投入生產(chǎn)，現(xiàn)已上市。

Figure 3: Mixel MIPI C-PHY Eye Diagram at 2.5Gsps

Figure 4: Mixel MIPI D-PHY Eye Diagram at 2.5Gbps

總而言之，VR/AR/MR 應(yīng)用在不同領(lǐng)域不斷發(fā)展壯大，對(duì)以最低功耗、延遲和 EMI 支持更高帶寬的需求不斷增加。MIPI 接口屬性非常適合 XR 應(yīng)用程序要求。Mixel 雙模 C-PHY/D-PHY IP 產(chǎn)品是適用于系統(tǒng)啟動(dòng)和應(yīng)用用例的獨(dú)特、靈活和通用的解決方案。Mixel C-PHY/D-PHY 產(chǎn)品支持的多鏈路配置使其成為所有 XR 顯示器和傳感器應(yīng)用的理想選擇。

審核編輯：湯梓紅