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工程师用漫画科普手机技术,小孩都能看懂

半导体行业观察  · 公众号  · 半导体  · 2017-05-05 08:38

正文

听说五一假期,你为了带娃在家宅了三天❓

环游世界、亲近自然的愿望也因此而搁浅

😞→ 😂→ 😭

错过了 N 次环游世界机会的你

还要再错过这个工程师专属技能包吗?

让您 随时随地,环游世界、亲近自然

相信大家看到上面这张图都不会陌生,但却不知您有没有发现——手机芯片组每一部分在各司其职的基础上又紧密相连,可谓一个完美的电子生态系统。

这让人不得不想到海洋、森林、草原中各式各样的动物,它们也在独立和统一中,构成了一个和谐稳定的自然生态链。

废话不多说,下面就让我们同时走进这两个世界,感受科技与自然的独特魅力。


— Part one —

处于世界中心的海底世界

AP(Application Processor)


这里存储着海量的信息、数万代表着信息的字节被实时处理,展示着绚丽多姿的画面、发出悦耳动听的声音、组合出千变万化的功能。


这个世界的建设经历了1.0,2.0(2G),3.0(3G),4.0(4G)时代,目前进入了第五期5.0(5G)的建设。2.0时代的功能手机(Feature Phone),只能打电话、发短信。直到进入3.0时代,智能手机诞生,手机的功能不再局限于打电话,还用它上网、玩游戏,手机就像一个微型电脑一样,到此缤纷海洋应运而生。


下面就让我们走进这座像八爪鱼一样的海洋宫殿,它的每一个触角都与外部的功能紧密的联系在一起。

住在海底世界中心的是CPU家族,他们是整个动物世界的最强大脑。起初CPU家族只有1个兄弟,但随着功能需求越来越多,发展到现在有的CPU家族已经有8个兄弟啦!


同样有8个兄弟的,还有GPU家族,专门负责图像处理,能为您在看电影玩游戏的时候提供更好的视觉体验。

紧挨这两大家族的就是大鲸鱼存储器,每当想到这里,小编就有情绪了 小编的手机内存只有16G,手机上只有微信和淘宝,还要时不时的清理缓存,别人家的都是大鲸鱼,小编的手机里只养了一条小金鱼。

海底世界的另外一位住户——海豚公主 Audio processor则专门负责处理音频信号

在这个深不可测的海洋世界里还存储着不计其数的信息、每一秒都有数万信息需要实时处理,而最终这些信息都要交由我们的雨林小分队传递出去。



— Part two —

穿越错综复杂的热带雨林

基带(Baseband)

这一片大陆上生活着的动物们,就像那热带雨林中缤纷的鸟儿们,能言善语,是通信的信使,它们群体协作,一下子就把通信信息从森林的这一端传到那一端。


射频部分和基带部分是基带芯片的核心。射频部分一般是信息发送和接收的部分;基带部分一般是信息处理的部分。基带芯片就是用来合成即将发射的基带信号,或对接收到的基带信号进行解码。基频是手机中最核心的部分,也是技术含量最高的部分。


总之一句话,基带部分实现了手机的通信功能,不知为何,小编第一时间想到的是里约大冒险中翩翩起舞的金刚鹦鹉群,它们一会儿排成一个“人”字,一会儿排成一个“一”字。

大雁or鹦鹉?Anyway,重要的是它们能在复杂环境中传递信息。移动、联通、电信,2G、3G、4G……这些网络制式全都要在一颗芯片上兼容,而且是不同频率!不同频率!不同频率!这么复杂的通信环境,不就像是茂密的热带雨林嘛?只有那些飞翔的精灵才能在这中间做到游刃有余,将各式通信信号传播出去。带到广袤无垠的非洲草原。



— Part three —

非洲草原

RF (RF front-end, transceiver & PA)

非洲草原是一片自由自在的草原,在这片草原上生活着动物界的王者—非洲狮。


通信信号走过基带之后,从数字世界来到了模拟世界,真实世界对于微弱的电信号来讲, 就像是一片旷野,没有几分狮子吼的功夫,想把声音传到5公里外,是坚决不可能的。因此金刚鹦鹉找来了非洲狮来帮忙。


通信芯片基本架构


目前主流的设计是只将射频收发器(小信号部分)集成到手机基带中,未来射频前端也有可能集成到手机基带里。而任何芯片组设计上的改进和优化,都将带动整个内部系统的更新和迭代,那种感觉就像在探索动物世界的旅程中发现了新物种一样令人兴奋。


从美妙的动物世界回到真实的IC工程师的世界,究竟手机芯片里藏了什么样的关键技术?使用什么样的方法进行验证测试?(现实来的就是这么猝不及防)以下建议测试方案,由是德科技keysight technologies友情提供。


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下载更多是德科技 IC 专业技术文档

开始新的探索吧!

👇




(一)

AP和外设连接的高速数字总线

MIPI


对于现代的智能手机或 PAD 来说,其内部要塞入太多各种不同接口的设备,给手机的设计和元器件选择带来很大的难度。其内部存储、显示、摄像、声音等内部接口都是各不相同的。即使以摄像头接口来说,不同的摄像头模组厂商也可能会使用不同的接口形式,这给手机厂商设计手机和选择器件带来了很大的难度。



MIPI (Mobile Industry Processor Interface)是 2003 年由 ARM, Nokia, ST ,TI 等公司成立的一个联盟(www.mipi.org),目的是把手机内部的接口如摄像头、显示屏接口、射频/基带接口等标准化,从而减少手机设计的复杂程度和增加设计灵活性。MIPI 联盟下面有不同的 WorkGroup,分别定义了一系列的手机内部接口标准,比如摄像头接口 CSI、显示接口 DSI、射频接口 DigRF、麦克风/喇叭接口 SLIMbus 等。统一接口标准的好处是手机厂商根据需要可以从市面上灵活选择不同的芯片和模组,更改设计和功能时更加快捷方便。


MIPI 组织主要致力于把移动通信设备内部的接口标准化从而减少兼容性问题并简化设

计。下图是按照 MIPI 组织的设想未来智能移动通信设备的内部架构。


目前已经比较成熟的 MIPI 应用有摄像头的 CSI 接口、显示屏的 DSI 接口以及基带和射频间的 DigRF 接口。UFS、LLI 等规范正在逐步制定和完善过程中……



而由于 MIPI D-PHY 的信号比较复杂,虽然 CSI-DSI 接口已经比较成熟,但想要保证接口信号和协议的一致性仍需要很复杂的测试。为了大家能够全面了解 MIPI CSI-DSI 信号和协议的测试方法,特奉上一段 MIPI D-PHY 实际测量视频。本视频集中讨论了 MIPI D-PHY 技术和测试,当然生活不止眼前的 D-PHY,还有远方的 M-PHY(有完没完 😭),然后继续 M-PHY……


 建议在WiFi环境下观看视频,土豪请随意


若您从事智能手机或平板等的研发,我们还可提供测试验证的一揽子方案资料,包括基于协议分析仪而不是示波器的协议分析,微安级的电流测试等。欢迎登录 Keysight官网 查看相关资料。


(二)

现在智能手机芯片主流内存都采用了

LPDDR4

它到底好在哪里呢?


大鲸鱼、大鲸鱼

小编念念不忘的 内存大鲸鱼

它和CPU之间是怎么连接的呢?

答案就是 – LPDDR4


LPDDR4 和她的亲姐妹DDR4 和组成了最新一代的双倍数据速率(DDR)SDRAM 存储器,与 LPDDR3和DDR3相比,数据速率翻倍,2400 Mb/s已算不上高速,LPDDR4 规范中的最大数据速率已达 4266 MT/s。


除了性能有明显增强外,DDR4 和 LPDDR4 还增添了许多新特性,在体系结构上也有所改变,由此获得了众多优势,尤其是在降低功耗方面:

 与 DDR3 和 LPDDR3 相比 ↘↘↘
  • 节能 30-40%

  • 更高效率和可靠性

  • 更高的密度

  • 更多误码检测



这些优势使芯片拥有

更小的体积,更加节能,同时散热更少

总之一句话


当然,毫无悬念的,它也变得更复杂了,测试起来,嘿嘿,也更难了,您知道吗? (悄悄地告诉你  当 DDR4 速率超过2400MT/s后,是德科技的逻辑分析仪进入技术无人区,目前是这个星球上可完成协议测试的唯一逻辑分析仪方案噢。


撇开LPDDR4高速电路的设计不谈 (为什么不谈?因为在下面的视频里会谈的特别细……) LPDDR4的测试,分为物理层测试和功能验证两部分。


JEDEC 标准要求用户分离读/ 写数据以进行数据验证。根据 DDR4 JEDEC 规范,需要采用不同的模板对眼图进行测试,以确保有足够宽的裕量窗口用于无差错数据传输。



这些就是 Rx 计时窗口(TdlVW)测试和 Rx 模板电压(VdlVW)测试。进行这些测试之前,必须能够先把读取数据和写入数据分开。


与大多数串行标准不同,在 DDR 中,读和写是在同一时间通过总线。因此,必须知道哪些数据块与读相关,哪些与写相关。


在以前的 DDR3 技术中,读和写可以分开,因为二者的突发脉冲前导码型不同。在数据开始转换之前,读前导码型由 Hi-Z 状态变为低状态,保持约四分之一到半个时钟周期;写前导码型则由 Hi-Z 状态变为一个时钟周期 。对于 DDR3 工程师而言,有了前导码的差异,识别读写周期就相当容易。


然而……


在 DDR4 中,读周期和写周期具有相同的前导码型,即数据(DQ)转换之前突发脉冲(DQS)的一个时钟周期。当 DQ 不被 DQS 记录时,它保持在高状态。为了在 DDR4 中分离读和写,必须检查 DQS-DQ 的相位差。在写周期上,DQS 与 DQ 中心对齐;在读周期上,DQS 与 DQ 边缘对齐。DQS-DQ 相位可能会出现问题,因为高速数据速率的信号完整性问题通常会引起对齐问题。如果相位与 DQS 没有精确地边缘对准,读数据可能被误认为是写数据。如果相位没有中心对齐,写数据可能被误认为读数据。这些问题可能导致难以正确识别读写周期。


DDR4 和 LPDDR4 规范中的测试方法极为复杂,远远超出常规测试中标准配置所能支持的范围读写信号的识别,眼图的分离,并且要求更多的保持时间测量。裕量缩小意味着为了确保符合规范,用户在验证眼图裕量时必须冒一定的误码率(BER)测量风险。


▲ 眼图模板测试可以确保信号不会超过模板的边界,但是可能发生抖动和误码


物理层测试除了要关注眼图之类的信号完整性外,另一个非常重要的话题是电源完整性,LPDDR4 的直流电源电压是1.1V,LPDDR4X 仅为0.6V,任何干扰源或负载的变化,都有可能造成该直流电压源波动过大,导致不工作,那你实验室的传统测试仪器还能好好地完成电源分布网络的测试和验证吗?如果你正被这个问题困扰,可联系是德科技的开放实验室,用10-bit ADC示波器和专用的电源完整性测试探头来完成哦。



讲了这么多,想必大家已经对 DDR4 和 LPDDR4 了解的更透彻了吧!下面就进入我们的实操环节——是德科技的大拿们在 DesignCon 上的 DDR4 详解视频


前方预警,1小时视频来袭

👇

 建议在WiFi环境下观看视频,土豪请随意



(三)

Baseband/Modem

手机通话功能主力军!


首先我们来看一下手机芯片无线通信部分从研发到生产环节中,需要经历过的每个开发和测试过程。


1
研发环节

包括产品设计和产品调试。主要进行芯片的软硬件架构和基本的协议栈和射频基带开发。


这个时候, 进行的测试项目主要为:2G/3G/4G和wifi/BT的基带射频自动化测试,以及第一步的通话测试。


2
产品设计验证测试环节

还可称作预测试。就是将无线终端的各个功能模块整合后进行整体测试。这其中包含功能和无线参数验证测试。


在这个环节中,功能测试涉及大部分应用测试,例如 LTE点到点VoLTE 语音、视频测试;吞吐量测试以及功耗测试。


无线参数的设置调整测试包含射频,协议,移动性管理和MIMO OTA测试。


3
标准认证环节

当完成预测试后,就要对产品进行国家和运营商,强制或者非强制的法规测试。从而获取生产许可,以及入网许可。


其实这个环节大部分已经在开发生产环节进行过预测试,根据终端功能的支持程度以及国家和运营商的要求,完成各项测试。如果,终端支持WIFI /BT 或者NFC 功能,还要通过相应的测试要求。


4
当完成以上的开发和测试过程后

就可以进行流水线批量生产了,当然,生产过程中依旧需要执行生产测试。涵盖终端的校准和产品验证。



是德科技还可以在以上每个环节中

提供的测试仪表和测试场景



1
射频研发测试

2G/3G/4G 能够提供基于无线综测仪UXM 进行自动化的射频测试;wifi/BT等通过EXM 实现多端口RF 自动化射频测试;射频性能测试我们还能提供N5182B signal generator +N9030B signal analyzer进行支持。


2
研发功能测试

涵盖丰富的应用测试。例如基于UXM 吞吐量测试,iRat测试;外加 IMS 软件进行VoLTE 语音和视频通话测试。另外配合电流计,还可以实现无线终端的功耗测试。


3
预测试环节

我们能提供完整的预测试系统,T4010S。 我们还有基于UXM 的二阶发的MIMO OTA 测试系统。


4
一致性认证测试

Keysight T4010S 一致性测试系统是目前市场上最高效的测试工具。符合 GCF 和 PTCRB 要求,覆盖完整的 3GPP 射频测试方案。该测试平台可以完成 3GPP TS 36.521-1 LTE 射频标准和 3GPP TS 36.521-3 LTE RRM 标准针对 FDD 和 TDD、1CC、2CC 和 3CC 规定的一致性测试,以及主要网络运营商的 LTE 设备验收计划所要求的一致性测试。T4010S 还提供了 LTE Advanced 功能,例如第 10、11 和 12 版标准中的载波聚合功能。


工程师在进行研发设计验证时,可以结合使用 T4010S 系统与一致性测试中使用的相同硬件出色完成任务。除了 3GPP 要求的参数外,T4010S 还能够执行不同参数的测试方案。该平台可以测试所有 LTE 频段,无需额外的成本。


E7515A UXM 无线测试仪的接收机测试功能包括灵活的信道定义、频分双工(FDD)和时分双工(TDD)选项,以及信道外测量和综合衰落,这些功能使这款台式一致性测试解决方案能够覆盖更广泛的 3GPP 测试方案。


测试方案参数化环境、测试自动化和远程控制功能使 T4010S 一致性测试系统成为进行射频参数测试、裕量搜索和完整系统验证的最灵活工具。它支持经 GCF/PTCRB 验证的测试方案(TP 195),使系统用户可以执行完整的用户设备认证。


5
生产部分

是德提供EXM 多端口平台完成射频校准和验证的测试,测试多制式器件


蜂窝通信:LTE/LTE-Advanced FDD、LTE/LTE-Advanced TDD、HSPA+、W-CDMA、1xEV-DO、cdma2000®、GSM/EDGE-Evo、TD-SCDMA、DECT 和 PHS


无线连通性:802.11a/b/g/n/j/p/ac/af/ah、WLAN MIMO 2x2/3x3/4x4、蓝牙®、WiMAX、多卫星 GNSS、FM、Zigbee 和数字视频 



后排的同学表示,字儿太密,看不清~~~~~



好吧,那还是甩个视频,顺便甩个呆萌的小帅哥,Keysight的无线工程师,张行同学~~

提前预告一下,这个视频有毒,花絮随意出现,要问这么差的剪辑手哪里找?末尾彩蛋里甜甜的女声,就是这胡乱剪辑的幕后黑手 嘿嘿


 建议在WiFi环境下观看视频,土豪请随意



(四)

PA——无线信号放大的最后保障


如果按单位晶体管的价格算,PA(射频功率放大器)可以算得上是最贵的那么几种的半导体器件了。就这么一个器件,设计和使用人员对它是又爱又恨,它既是无线通信信号最后放大的保障,也是一个耗电与信号失真的大户。大家绞尽脑汁,就为了那么一点点地提高频谱效率,减少失真与非线性。


测量工程师

那有没有一个合适的测试工具来配合PA研发调试呢?

是德技术大咖

答案是肯定的 —— N7614B PA测试软件



 N7614B 是Keysight Signal Studio中的一个应用软件,上面这张图既是软件的框图,也是打开本软件的第一界面。很直观,有没有!它支持Signal Studio广泛的波形以及自定义波形,能够测试的基本项目包括失真 (AM-AM, AM-PM, CCDF), 功率 (Channel power, ACP) 和 调制 (Raw EVM, Demod EVM, Dynamic EVM, EVM vs. Power)


具体参数可以点开各框图进行编辑,当然它还支持当下最时髦的CFR,DPD和ET功能验证,这年头做PA的不提这么几个关键词都不好意思说自己是做PA的 。值得一提的是它同时支持窄带、宽带以及双带DPD和ET。


给一张测试结果图大家直观感受一下

👇



利用这个软件加上信号分析仪上已有的X-Apps或89601软件差不多就可以把一个PA完完整整地各项指标测出来,而且可以交互调试的参数非常多。但有些同学就说了我是从事PA产品验证或产品生产工作,测试项茫茫多,有时还得连续测上个24小时,用这些研发测试工具手动调来调去,累觉不爱。


测量工程师

那有没有一个合适的测试工具来配合PA研发验证或生产测试?

是德技术大咖

答案还是肯定的 —— S8901A PA测试软件。



 S8901A 是基于Keysight Test Automation Platform的软件,顾名思义,它的目标就是实现自动化测试与验证,已经包含了一些Keysight 工业级测量IP插件,只需要在步骤里面选择添加。这些个插件都是经过Keysight硬件加速或软件优化过的,速度杠杠的。到目前为止支持的测试项目包括Power servo, gain, P1dB compression, ACPR, DC current, PAE, harmonic, IM3, S-parameter, EVM, ET and DPD。


再给一张测试图大家直观感受一下

👇



可以直接在软件面板上观察到每个项目的通过情况、消耗时间以及重点性能图表,也可以导出数据文件进行后续分析。值得一提的是,用户还可以自定义编写测量步骤,例如机械手或探针台控制、产线操作员界面、多站点支持等等,S8901A也给了一些参考,下面是一个产线操作员界面:



大咖们的干货讲解

是不是让你在IC领域有种醍醐灌顶的畅快

这些只是冰山一角

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关于是德科技

是德科技(NYSE:KEYS)帮助客户将具有突破性的电子产品和系统以更低的成本更快推向市场。从设计到仿真,再到原型设计验证、生产测试以及网络中的优化,是德科技提供全方位的电子信号测试与分析解决方案。我们的客户遍及全球通信、互联网基础设施、航空航天与国防、汽车、半导体和通用电子终端市场。2016 财年,是德科技收入达 29 亿美元。更多信息,请访问www.keysight.com。

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