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La transmission et la réception d’images constituent une fonctionnalité opérationnelle essentielle de la plupart des appareils électroniques modernes. Smartphones, tablettes, appareils photo, montres, ordinateurs portables — voire les machines à café les plus sophistiquées — : tous comportent, sous une forme ou une autre, des sources et des récepteurs de données d’image. Comprendre comment ces données sont transmises entre les différents composants d’un appareil (par exemple, entre un appareil photo et un processeur) constitue donc un élément essentiel des phases de conception et de validation de tout produit.
Cet article a pour objectif de présenter en détail certains des concepts clés utilisés dans le transfert d’images numériques. Nous abordons ces concepts à travers les normes établies par l’Alliance MIPI, qui a défini certains des protocoles de transmission d’images les plus couramment utilisés dans le secteur.
Modes de fonctionnement : faible consommation (LP) et haute vitesse (HS)
La transmission électronique d’une image implique de convertir chaque pixel de l’image en données binaires (des 0 et des 1), puis de transmettre ce flux de bits sous la forme d’une série d’impulsions électroniques. Cela s’effectue généralement en appliquant une tension variable dans le temps à un conducteur, ou en envoyant un signal qui oscille entre deux niveaux. La tension élevée correspond à un « 1 » et la tension faible à un « 0 ». Les caractéristiques électriques de ces signaux sont définies par des normes industrielles telles que la norme MIPI D-PHY.
Il existe deux modes principaux de transmission de bits ou de signalisation : la transmission à faible puissance (LP) et la transmission à haut débit (HS) :
Mode basse consommation (LP) :
Ce mode se caractérise par une grande amplitude de tension (1,2 V), une transmission asymétrique et une consommation électrique statique minimale. Il est utilisé pour préserver l’autonomie de la batterie lorsque aucune donnée d’image n’est transmise et pour transférer des informations de contrôle à de faibles débits binaires (de l’ordre du Mb/s).
Mode haute vitesse (HS) :
La transmission à haute vitesse est différentielle et se caractérise par une faible amplitude de tension (200 mV). Elle est utilisée pour la transmission rapide de données d’image (de l’ordre du Gb/s). Cette faible amplitude de tension permet de compenser la forte consommation d’énergie liée à la fréquence de commutation élevée.
Anatomie d’une rafale
Une rafale désigne la transmission de données série à haut débit. La transmission d’une rafale HS commence et se termine par un état LP. Ainsi, concrètement, si l’on « observait » une image en cours de transmission, on verrait une série de transitions LP-HS. À quoi cela ressemble-t-il visuellement ? Vous trouverez ci-dessous un exemple de capture d’image analogique réalisée à l’aide de l’analyseur MIPI C-PHY SV5C-CPRX d’Introspect :
Bien que cette acquisition de signal puisse paraître assez simple, chaque section de la rafale est méticuleusement définie par des normes, et c’est à l’ingénieur de validation qu’il incombe de s’assurer que chaque partie de la rafale respecte les spécifications. Par exemple, dans le protocole D-PHY, la séquence permettant de passer en mode rafale HS est constituée d’une série d’états LP : LP-11, LP-01, LP-00 (LP-11 signifie que les fils P et N sont respectivement à l’état logique « 1 », ce qui correspond généralement à 1,2 V. LP-00 signifie que les deux sont à l’état logique « 0 »). La transmission sur la ligne se poursuit en mode haute vitesse jusqu’à ce qu’un autre état LP-11 soit envoyé, ce qui signale l’état d’arrêt. Ce schéma de transitions LP-HS-LP est illustré plus clairement dans le schéma ci-dessous, qui indique les différentes sections de la séquence de rafale :
Couche physique (PHY) et couches de protocole :
Les protocoles régissant la communication entre les périphériques électroniques peuvent être classés en deux niveaux : le niveau PHY et le niveau protocole. La différence entre ces deux niveaux est résumée ci-dessous :
Couche physique :
Le terme « PHY » désigne la couche physique qui relie les composants électriques et qui se situe au niveau opérationnel le plus bas. Les spécifications PHY définissent la manière dont un flux de bits est converti en un signal physique transmis via le support de transmission, par exemple une piste en cuivre. Les caractéristiques électriques et fonctionnelles du signal, les procédures indiquant le début et la fin de la transmission, ainsi que les relations de synchronisation entre l’horloge et les voies de données sont spécifiées par la norme PHY.
Couches de protocole :
Les données numériques sont organisées en paquets d’informations et transmises via les couches PHY. Un paquet est un ensemble d’octets organisés selon une structure bien définie. La couche de protocole est une couche de haut niveau qui définit la structure des paquets transmis via la couche PHY ; une même couche PHY peut prendre en charge différentes couches de protocole. Les protocoles de mise en paquets, tels que CSI-2 et DSI-2, spécifient la taille, l’en-tête, la charge utile et les informations de correction d’erreurs pour chacun des paquets. La figure 4 ci-dessous présente un exemple de capture d’image numérique, réalisée à l’aide de l’analyseur MIPI C-PHY SV5C-CPRX, qui offre une vue complète des informations au niveau des paquets.
D-PHY vs C-PHY
Le C-PHY et le D-PHY comptent parmi les protocoles de niveau PHY les plus couramment utilisés. Bien que ces deux spécifications aient été conçues pour permettre une transmission rapide des données sur plusieurs voies, il existe certaines différences conceptuelles majeures entre ces deux configurations.
La transmission D-PHY s’effectue généralement sur quatre voies de données et une voie d’horloge. La configuration minimale nécessite une voie d’horloge et une voie de données. Chaque voie comporte deux fils (positif et négatif) ; la configuration minimale nécessite donc 4 fils. La transmission des données s’effectue à un débit de 1 bit/UI et peut atteindre une vitesse de 2,5 Gbps/sec (D-PHY v1.2).
La norme C-PHY est plus sophistiquée et élimine le besoin d’une voie d’horloge distincte en intégrant l’horloge dans les données. Dans la norme C-PHY, les voies sont appelées « trios » et chaque trio se compose de trois fils, chacun d’entre eux pouvant transmettre trois niveaux de signal (bas, moyen, haut). Les données sont codées sous forme de symboles spéciaux contenant chacun 2,28 bits d’information. La transmission est ainsi plus efficace, à raison de 2,28 bits/UI, ce qui permet à la transmission C-PHY d’atteindre des débits de données plus élevés avec des fréquences de commutation plus faibles. Les débits de données pour le C-PHY sont souvent exprimés en symboles par seconde plutôt qu’en bits par seconde.
Conclusion
Que vous soyez ingénieur en validation ou que vous soyez en passe de le devenir, ces quatre concepts de transmission d’images MIPI constituent les bases indispensables à tout ingénieur en validation. Outre la création de solutions ultraportables qui simplifient les tâches des ingénieurs dans le domaine des tests et des mesures, notre mission consiste également à donner les moyens aux ingénieurs d’acquérir les connaissances nécessaires grâce à des ressources pédagogiques telles que cet article.
Vous souhaitez en savoir plus sur ces concepts de transmission d’images ? Vous rencontrez des difficultés concrètes liées à ces concepts ? N’hésitez pas à nous contacter à l’adresse info@introspect.ca.
