MAX11947的端口掃描操作

隨著2019年新AISG v3.0標(biāo)準(zhǔn)的引入，天線線通信實(shí)現(xiàn)了許多新的用例。雖然這些變化對物理操作層幾乎沒有影響，但一個系統(tǒng)性的變化是顯而易見的：蜂窩塔上的所有RF連接現(xiàn)在都需要AISG通信功能來實(shí)現(xiàn)PING功能。本應(yīng)用筆記介紹了新型Maxim MAX11947，這是一款具有4：1多路復(fù)用器的AISG調(diào)制解調(diào)器，并展示了集成掃描功能如何幫助系統(tǒng)設(shè)計人員以更少的元件和更少的開發(fā)開銷實(shí)現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn)要求。

介紹

蜂窩網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)在世界各地的激增，特別是在過去十年中，導(dǎo)致對支持移動通信基礎(chǔ)設(shè)施的電子產(chǎn)品的需求呈指數(shù)級增長。同時對更多帶寬的需求也推動網(wǎng)絡(luò)提供商不斷擴(kuò)大其覆蓋范圍，同時增加小區(qū)密度，這反過來又增加了對基礎(chǔ)設(shè)施硬件的需求。

15年前，制造商開始標(biāo)準(zhǔn)化蜂窩無線電設(shè)備的互操作性，允許在組裝帶有天線設(shè)備，放大器等的蜂窩基站時出現(xiàn)更多變化。該接口和通信標(biāo)準(zhǔn)最早由天線接口標(biāo)準(zhǔn)組織（AISG）于2003年和2004年建立。[1].AISG標(biāo)準(zhǔn)隨著市場的擴(kuò)大而不斷發(fā)展。本應(yīng)用筆記介紹了最新Maxim產(chǎn)品的幾個特性，用于滿足當(dāng)今和未來的可互操作通信需求。

AISG v2.0和MAX9947

2009年，Maxim Integrated推出了首款符合AISG v2.0物理層（PHY）標(biāo)準(zhǔn)的全集成調(diào)制解調(diào)器。[2].原裝MAX9947[3]為無處不在的RS-485接口和搭載在蜂窩頻段RF電纜上的2.176MHz OOK信號之間的轉(zhuǎn)換提供了完整的解決方案。該解決方案可實(shí)現(xiàn)更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計、節(jié)省空間、降低功耗和減少硬件，此外，集成調(diào)制解調(diào)器提供了簡單、經(jīng)過驗(yàn)證、經(jīng)過工廠測試的設(shè)備的可靠性。

新的AISG v3.0標(biāo)準(zhǔn)

AISG于2019年提出了對已經(jīng)成功的標(biāo)準(zhǔn)的升級。這一演進(jìn)步驟建立在前幾代產(chǎn)品成功的基礎(chǔ)上，旨在添加新功能，同時保持原器件及其托管天線線路器件 （ALD） 的核心互操作性。

新的 AISG v3.0 功能集包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)、連接映射和多主控制。雖然系統(tǒng)設(shè)計人員會發(fā)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)是許多更高級功能的有用升級，但PHY層從v2.0到v3.0保持不變。[4].因此，原來的Maxim調(diào)制解調(diào)器（MAX9947）仍然完全兼容新的AISG v3.0標(biāo)準(zhǔn)。

MAX11947的升級特性

那么為什么要采用新設(shè)計呢？

盡管Maxim最初的AISG調(diào)制解調(diào)器仍然與新標(biāo)準(zhǔn)兼容，但我們認(rèn)為最新版本的擴(kuò)展功能為改進(jìn)現(xiàn)有器件提供了機(jī)會。因此，我們設(shè)計了新型MAX11947。[5]具有多項(xiàng)性能改進(jìn)和附加功能。作為第一步，我們在調(diào)制解調(diào)器中添加了一個數(shù)字接口以及幾個內(nèi)部配置寄存器。這種新的SPI控制允許集成以前的外部功能，例如功率放大器（PA）功率偏置網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在集成為數(shù)字可調(diào)發(fā)射功率。我們 包括 PA 輸出 電阻 以 從 設(shè)計 的 物料清單 （BOM） 中 移除 另外 一個 外部 元件， 以及 與 可調(diào) PA 功率 匹配 的 另一個 特性： 可調(diào) 接收 敏感 度 門 限。最重要的是，該器件的最大功能是集成的4：1端口多路復(fù)用器。新的多路復(fù)用器有效地在一個芯片中提供了四個調(diào)制解調(diào)器，并有助于掃描多達(dá)四個端口以獲取ping信號。

為什么要掃描？

掃描多個射頻端口的能力隨著AISG v3.0的發(fā)布而變得突出。新標(biāo)準(zhǔn)的一個目標(biāo)是定義一個ping過程，以幫助映射布線連接，識別連接的初級和次級等。

如何實(shí)現(xiàn)這種新的ping過程的一個例子是在蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上的塔式放大器（TMA）中。在圖1所示的示例中，TMA顯示了四個到天線陣列的上行連接和四個到基站的下行RF端口。

圖1.AISG v3.0 架構(gòu)。

只需一個MAX11947即可處理從四通道TMA到天線陣列的所有四個上游端口上的通信或ping。另一個MAX11947用于與基站的下游通信，也可以通過其他三個端口提供ping。這些調(diào)制解調(diào)器中的每一個都將使用 4：1 MUX 來監(jiān)控每個端口的四個端口，第一個跨 P1–P4 查看，第二個用于端口 P5–P8，因此只需要兩個設(shè)備，而以前需要八個設(shè)備來監(jiān)視和通信八個射頻端口。

當(dāng)主（基站無線電）請求天線陣列 ping 截止 TMA 上游的電纜時，掃描變得很有用。四通道TMA上的上游調(diào)制解調(diào)器可以在每個端口上偵聽ping信號，如果該信號未到達(dá)預(yù)期的端口，它可以快速確定它是否到達(dá)以及到達(dá)哪個端口。這種掃描功能有助于映射硬件互連并查找射頻布線系統(tǒng)的故障。下游調(diào)制解調(diào)器上的多路復(fù)用器僅允許一個設(shè)備從四個RF端口中的任何一個ping到下面的基站連接 - 使用比以前需要的更少的IC組件完成映射過程。

端口掃描塊

在RF端口中搜索有源ASIG信號需要兩個主要要素：1）確定RF端口具有有源載波的能力和2）在多個RF端口之間切換的能力。

第一個功能是任何 AISG 調(diào)制解調(diào)器的原生功能。每當(dāng)檢測到2.176MHz載波時，調(diào)制解調(diào)器都會提供該輸入信號的幾個指示器：MAX11947的DIR和RXOUT引腳指示輸入數(shù)據(jù)。

對于第二個功能，我們新的4：1 MUX提供了將調(diào)制解調(diào)器連接到多個端口的能力。借助內(nèi)置的交換功能，端口掃描變得可行。

還有一個功能有助于自動執(zhí)行掃描：內(nèi)部狀態(tài)機(jī)。Maxim Integrated預(yù)見到了這種協(xié)同作用，因此我們采用了專用有限狀態(tài)機(jī)（FSM），以實(shí)現(xiàn)端口掃描過程的自動化，并減輕開發(fā)人員和MCU硬件的負(fù)擔(dān)。寄存器用于配置狀態(tài)機(jī)，允許自定義使用掃描功能。

使用端口掃描功能

在采用掃描之前，外部硬件環(huán)境需要反映在內(nèi)部端口屏蔽位中。由于寄存器易失性，在電源被移除時會丟失，因此這些設(shè)置需要在MAX11947上電后進(jìn)行編程。

對掃描寄存器進(jìn)行編程

配置MAX11947進(jìn)行掃描相對簡單?；旧嫌兴膫€與自動端口掃描系統(tǒng)相關(guān)的寄存器：SCAN （0x2）、PINGCFG （0x4）、DWELL_MULTI （0x5） 和 PORTSTAT （0x6）。一旦器件上電，這些寄存器可以按其默認(rèn)配置使用，也可以自定義。

最好的起點(diǎn)是確定 4：1 MUX 上的哪些端口應(yīng)包含在自動掃描過程中。這通常由硬件架構(gòu)定義，F(xiàn)SM 只需要知道要包含在序列中的端口。默認(rèn)情況下，將檢查所有四個 MUX 端口是否有 AISG 載波信號（沒有端口被屏蔽），掃描過程將連續(xù)監(jiān)控每個端口一位，直到找到信號。要從掃描列表中刪除RF端口，可以通過清除與不掃描的端口相關(guān)的位或位（MASK_P0到MASK_P3）來更改PINGCFG （0x4）寄存器。

MAX11947的默認(rèn)數(shù)據(jù)速率設(shè)置為9600波特或9.6kbps，以適應(yīng)默認(rèn)的AISG v3.0標(biāo)準(zhǔn)。MAX11947仍支持其它數(shù)據(jù)速率（38.4kbps和115.2kbps），使MAX11947向后兼容早期方案。該波特率還設(shè)置了DIR停留時間（t住），并通過定義“位周期”（9.6kbps 默認(rèn)設(shè)置為 0.104ms）為端口掃描功能提供基線計時器。偵聽每個端口所花費(fèi)的時間也可以擴(kuò)展到用戶定義的位周期整數(shù)計數(shù)。提供兩個預(yù)配置周期：1x 位周期或 16x 位周期。設(shè)計人員還有另外兩個選項(xiàng)可用：用戶定義的乘法器（范圍從 1x 到 4095x 位周期）或手動控制的等待/索引（可以比提供的任何其他停留時間更短或更長）。通過在 SCAN （0x2） 寄存器中設(shè)置SCAN_DWELL字段，可以選擇手動模式、1x、16x 和用戶編程的位周期。選擇用戶可編程位周期時，應(yīng)將 DWELL 字段（PINGCFG （0x4） 和 DWELL_MULT （0x5））設(shè)置為所需的乘數(shù)。DWELL 字段默認(rèn)為 82 倍乘數(shù)，該乘數(shù)應(yīng)考慮 AISG v3.0 PING 信號的數(shù)據(jù)包長度。

“檢查所有 RF 端口”的另一個選項(xiàng)為狀態(tài)機(jī)提供了額外的靈活性。這迫使FSM繼續(xù)尋找載波信號，即使在掃描過程中已經(jīng)檢測到載波信號。此選項(xiàng)由 SCAN （0x2） 寄存器中的CHK_ALL_PORTS字段控制。通過清除 SCAN （0x2） 寄存器中的FULL_DWELL字段，還可以覆蓋停留時間。當(dāng)此字段清除為“0”時，RF端口將被檢測到的載波標(biāo)記，然后狀態(tài)機(jī)將立即移動到序列中的下一個未屏蔽端口。

在掃描過程中，模擬調(diào)制解調(diào)器電路完全正常運(yùn)行，并通過適當(dāng)設(shè)置DIR和RXOUT引腳來提供對2.176MHz OOK信號的正檢測。選擇具有默認(rèn)設(shè)置的用戶編程乘法器，將允許調(diào)制解調(diào)器在每個RF端口上偵聽和解碼完整的PING數(shù)據(jù)包。

掃描端口

啟動掃描過程非常簡單。配置 FSM 使用的變量后，用戶只需在 SCAN （0x2） 寄存器中將START_SCAN位設(shè)置為“1”。此位是自我清除的。一旦該過程啟動，F(xiàn)SM將接管自動掃描，并運(yùn)行圖2和圖3所示的流程圖（與MAX11947數(shù)據(jù)資料的圖14相同）。

默認(rèn)掃描

默認(rèn)端口掃描流程的示例如圖 2 所示。通過將START_SCAN位設(shè)置為“1”來啟動掃描。按照圖中的灰色流動，F(xiàn)SM 將自動在只讀 PORTSTAT （0x6） 寄存器中設(shè)置 SCAN 位;它將啟動LSTN_PORT位到 0 值（從射頻端口 P0 開始）;狀態(tài)機(jī)將清除所有AISG_Px位，然后進(jìn)入“端口循環(huán)”。端口環(huán)路的第一步是將有源RF端口（復(fù)用器（0x1）寄存器中的RFPORT字段）設(shè)置為等于LSTN_PORT值，并開始如圖2所示的綠色路徑所示的“檢測環(huán)路”。FSM 檢查內(nèi)部 DIR 信號，以確定模擬接收器中是否檢測到載波。如果沒有載波的證據(jù)，狀態(tài)機(jī)將首先驗(yàn)證停留時間是否設(shè)置為乘數(shù)值（而不是手動設(shè)置），然后檢查停留時間是否已過期。如果定時器尚未過期，則重復(fù)檢測循環(huán)，直到檢測到信號或停留時間到期。默認(rèn)情況下，掃描將停留在每個未檢測到的端口上 1 倍一個位周期或 0.104 毫秒。

圖2.默認(rèn)端口掃描圖。

一旦檢測到載波，F(xiàn)SM將遵循圖2中的橙色路徑。首先，它將標(biāo)記找到信號的相應(yīng)端口，然后狀態(tài)機(jī)將檢查是否未設(shè)置FULL_DWELL位（默認(rèn)），最后，它將通過評估CHK_ALL_PORTS位值來確定是否應(yīng)該掃描其他端口（默認(rèn)情況下它們不是）。

一旦檢測到 AISG 信號，PORTSTAT （0x6） 寄存器中的掃描位將被清除，自動掃描例程將退出。

手動駐留掃描

手動駐留端口掃描流程的示例如圖 3 所示。通過將START_SCAN位設(shè)置為“1”來啟動掃描。就像默認(rèn)掃描一樣，按照圖中的灰色流，F(xiàn)SM 將自動在只讀 PORTSTAT （0x6） 寄存器中設(shè)置 SCAN 位;它將啟動值 0 的LSTN_PORT位（從射頻端口 P0 開始）;狀態(tài)機(jī)將清除所有AISG_Px位;然后它進(jìn)入“端口環(huán)路”。設(shè)置有源RF端口后，狀態(tài)機(jī)開始“檢測環(huán)路”，這次遵循圖3中的綠色路徑。和以前一樣，F(xiàn)SM檢查內(nèi)部DIR信號，以確定模擬接收器中是否檢測到載波。如果沒有載波的證據(jù)，并且SCAN_DWELL位清除為“0”（手動模式），狀態(tài)機(jī)接下來將移動以檢查 SCAN （0x2） 寄存器中的SCAN_INDEX位。如果尚未設(shè)置索引，則重復(fù)檢測循環(huán)，直到檢測到信號或SCAN_INDEX位設(shè)置為“1”。

圖3.手動駐留端口掃描圖。

檢測到載波后，F(xiàn)SM 將遵循橙色路徑。在此示例中，F(xiàn)ULL_DWELL位也設(shè)置為“1”，使用戶能夠獨(dú)占控制掃描何時移動到下一個端口。由于設(shè)置了完全停留，因此狀態(tài)機(jī)將在標(biāo)記找到信號的端口后返回到綠色手動停留環(huán)路。此過程將繼續(xù)檢測載體并返回綠色回路，直到載體不再存在，然后流量將返回到圍繞綠色手動停留回路旋轉(zhuǎn)。

索引掃描后，狀態(tài)機(jī)將下拉紫色路徑，并評估是否檢測到信號。如果是這樣，它將評估是否應(yīng)該掃描所有RF端口。在本例中，CHK_ALL_PORTS位設(shè)置為“1”，因此該過程將通過所有未屏蔽的RF端口重復(fù)。

當(dāng)用戶手動索引所有端口時，狀態(tài)機(jī)將按照紅色路徑完成端口掃描，方法是將 SCAN 位清除為“0”并退出手動駐留掃描例程。

通過此過程，用戶可以完全控制端口掃描的時間，同時仍然自動化檢測過程?？紤]到SPI事務(wù)的長度和寄存器的寫入速度，手動駐留掃描可以在任何地方運(yùn)行，從非常快的停留時間到無限等待。為了確定可能的最快停留時間，我們?nèi)AX11947接口的16位字長和使用的SCLK頻率（典型值為8MHz至20MHz，取決于邏輯電源電平），然后計算SCAN_INDEX位的寫入速度。使用5MHz SPI時鐘時，可能大約每3.2μs一次，或者使用20MHz時鐘，可能大約每0.8μs一次?？紤]到使用2.176MHz載波頻率和9.6kbps數(shù)據(jù)速率，所有四個RF端口的最快掃描主要受到檢測載波的能力的限制，而不是狀態(tài)機(jī)索引的速度。

不使用 FSM 進(jìn)行掃描

不需要狀態(tài)機(jī)來掃描端口。用戶只需將多路復(fù)用器（0x1）寄存器中的RFPORT字段設(shè)置為感興趣的端口，然后記下調(diào)制解調(diào)器的DIR和RXOUT引腳輸出。這兩個引腳還通過STATUS（0x7）寄存器中的內(nèi)部位鏡像，允許通過MAX11947的SPI接口對掃描過程進(jìn)行全面的交互式控制。端口連接、時序和信號檢測需要由系統(tǒng)設(shè)計人員使用寄存器讀寫操作來處理。

識別活動端口

自動或手動駐留端口掃描完成后，通過讀取 PORTSTAT （0x6） 寄存器來識別活動端口（檢測到 AISG 載波的射頻端口）。任何較低半字節(jié)位中的“1”將指示檢測到相應(yīng)端口的載波。例如，如果位 0 （AISG_P0） 設(shè)置為“1”，則在掃描過程中在該端口檢測到載波。

評估套件示例

通過延長MAX11947評估板上的停留時間，用戶可以見證掃描過程的運(yùn)行過程。

使用MAX11947評估板數(shù)據(jù)資料，按照步驟部分至步驟5 a。在步驟5-b-ii-3中，選擇“用戶定義的乘數(shù)”并在值框中輸入“4095”，而不是將停留時間設(shè)置為“1X位周期”（請參閱圖4中的注釋）。這將導(dǎo)致每個端口掃描之間的 4095 位周期延遲，總掃描時間約為 2 秒。

接下來，設(shè)置發(fā)射機(jī)板和電纜連接，使接收板（P3）的最后一個端口具有有效的載波信號。作為替代方案，用戶可以在“SCAN 模式”框中選擇“檢查所有未屏蔽的端口”，這將強(qiáng)制狀態(tài)機(jī)偵聽所有端口，而不管在何處檢測到載波信號（參見圖 4 中的紅色框）。

最后，通過單擊[開始掃描]按鈕，用戶將看到每個連續(xù)端口的LED從P0到P3依次亮起。掃描狀態(tài)機(jī)完成該過程后，GUI 中的“AISG 載波”塊將顯示哪個 RF 端口具有檢測到的載波（請參閱圖 4 中的注釋）。

圖4.MAX11947評估板GUI掃描設(shè)置和結(jié)果

審核編輯：郭婷