AISG v3.0物理層調(diào)制解調(diào)器的新功能

隨著3年新AISG v0.2019標(biāo)準(zhǔn)的引入，天線(xiàn)線(xiàn)通信實(shí)現(xiàn)了許多新的用例。雖然這些變化對(duì)操作的物理層幾乎沒(méi)有影響，但一個(gè)系統(tǒng)性的變化是顯而易見(jiàn)的：蜂窩塔上的每個(gè)RF連接現(xiàn)在都需要AISG通信來(lái)為PING功能提供服務(wù)。本應(yīng)用筆記總結(jié)了硬件層面的一些變化，并展示了新型MAX11947（具有4：1多路復(fù)用器的AISG調(diào)制解調(diào)器）的特性如何幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員以更少的元件和更低的開(kāi)發(fā)開(kāi)銷(xiāo)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(guò)去十年中，導(dǎo)致對(duì)支持移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的電子產(chǎn)品的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。同時(shí)對(duì)更多帶寬的需求也推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供商不斷擴(kuò)大其覆蓋范圍，同時(shí)增加小區(qū)密度，這反過(guò)來(lái)又增加了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施硬件的需求。

15年前，制造商開(kāi)始標(biāo)準(zhǔn)化蜂窩無(wú)線(xiàn)電設(shè)備的互操作性，允許在組裝帶有天線(xiàn)齒輪、放大器等的蜂窩基站時(shí)進(jìn)行更多變化。該通信標(biāo)準(zhǔn)最初由天線(xiàn)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(chǎng)的擴(kuò)大而不斷發(fā)展，本應(yīng)用筆記介紹了MAX11947調(diào)制解調(diào)器的幾個(gè)特性，用于滿(mǎn)足當(dāng)今和未來(lái)的可互操作通信需求。

AISG v2.0 和物理層調(diào)制解調(diào)器

集成調(diào)制器解調(diào)器（調(diào)制解調(diào)器）于2009年推出，為無(wú)處不在的RS-485接口和2.176MHz OOK信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換提供了一個(gè)完整的集中解決方案，該信號(hào)搭載在單個(gè)電路中的蜂窩頻段RF電纜上。IC解決方案可實(shí)現(xiàn)更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)省空間、功耗和硬件，同時(shí)集成調(diào)制解調(diào)器提供了簡(jiǎn)單、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證、經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)測(cè)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(duì)成功標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)。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(shí)保持原器件及其托管天線(xiàn)線(xiàn)設(shè)備（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(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn)新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)許多更高級(jí)別的功能進(jìn)行了有益的升級(jí)，但從v2.0到v3.0，PHY層保持不變。[2][3].因此，原始調(diào)制解調(diào)器仍然與新的AISG v3.0標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。

需要多個(gè) AISG 頻道

從 AISG v2.0 到 v3.0 的跳躍對(duì)系統(tǒng)的物理層影響很小。但是，新標(biāo)準(zhǔn)中要求每個(gè)通道都具有AISG感知能力，以便整個(gè)系統(tǒng)可以使用ping數(shù)據(jù)包映射連接。這有助于構(gòu)建整個(gè)無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)，但給硬件設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了額外的負(fù)擔(dān)，需要將AISG通信包含在所有RF信道上，而以前只需要在一個(gè)信道上。

嘗試將 AISG v2.0 系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接轉(zhuǎn)換為 v3.0 兼容應(yīng)用程序可能需要兩倍于上一代設(shè)計(jì)的調(diào)制解調(diào)器;從15個(gè)調(diào)制解調(diào)器（灰色塊）增加到圖1所示示例中的<>個(gè)調(diào)制解調(diào)器（灰色加紅色塊）。

AISG v2.0 與 v3.0 的應(yīng)用示例

在本例中，每對(duì)天線(xiàn)仍需要兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器以保持兼容性。但是，現(xiàn)在塔式放大器（TMA）上最多需要七個(gè)或八個(gè)調(diào)制解調(diào)器，其中四個(gè)偵聽(tīng)連接到天線(xiàn)陣列（上游）的端口，四個(gè)偵聽(tīng)下游端口，用于向基站廣播ping?；具€需要額外的調(diào)制解調(diào)器，一個(gè)用于原始AISG信道，另外三個(gè)用于接收來(lái)自其他端口上的TMA的ping數(shù)據(jù)包。

顯然，15或16個(gè)調(diào)制解調(diào)器IC是多余的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)使用旁路電路和/或RF開(kāi)關(guān)在RF端口之間共享AISG信號(hào)可以減少總數(shù)。

可調(diào)發(fā)射機(jī)功率

即使使用較舊的AISG設(shè)計(jì)，也固有地需要調(diào)整發(fā)射器功率放大器（PA）的輸出電平。每當(dāng)將分路器用于電路（例如圖 2 的 v0.1 TMA 示例中所示的旁路通道）時(shí)，通常需要這樣做。如果RF濾波或有損連接在2.176MHz信道上存在過(guò)大的衰減，則信號(hào)功率調(diào)整也會(huì)有所幫助。原始調(diào)制解調(diào)器通過(guò)用于設(shè)置 PA 偏置點(diǎn)的外部電阻提供這種可調(diào)性，使調(diào)制解調(diào)器能夠滿(mǎn)足 AISG 信號(hào)要求（參見(jiàn)圖 2-A 和 2-B）。

發(fā)射功率和接收閾值

光譜發(fā)射

AISG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PHY層的主要要求是任何調(diào)制解調(diào)器發(fā)射器的頻譜純度。光譜性能在 AISG v3.0.0.3 標(biāo)準(zhǔn)第 10.3.11 節(jié) - 模塊化特性中得到解決。這些嚴(yán)格的要求限制了PA的帶外頻譜發(fā)射，并且往往非常嚴(yán)格，特別是在30MHz拐點(diǎn)處，任何諧波噪聲的功率都必須低于-67dBm，并且測(cè)試儀器的分辨率帶寬（RBW）設(shè)置是最嚴(yán)格的。考慮到頻譜模板中的絕對(duì)限值，PA輸出頻譜還必須與整體功率電平相平衡。

圖3.AISG v3.0 標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器頻譜發(fā)射掩碼。

省電

節(jié)能始終是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員要求中的重中之重。通常存在功率預(yù)算限制，這會(huì)對(duì)更關(guān)鍵的設(shè)計(jì)元素施加壓力，特別是當(dāng) ALD 硬件擴(kuò)展到更多通道的同時(shí)，它們變得越來(lái)越緊湊。在不太關(guān)鍵的電路中具有一定的靈活性，可以讓設(shè)計(jì)人員在功率預(yù)算中的重要模塊上擁有更大的自由度。

市場(chǎng)上的一款原始AISG v2.0調(diào)制解調(diào)器具有低功耗待機(jī)模式，而另一款調(diào)制解調(diào)器除了完全關(guān)閉設(shè)備外無(wú)法控制電源。

共享引用

每個(gè)AISG調(diào)制解調(diào)器都需要一個(gè)參考信號(hào)來(lái)產(chǎn)生2.176MHz載波。這通常由一個(gè)8.704MHz晶體和一個(gè)集成振蕩器電路提供。市場(chǎng)上的所有IC都可以在AISG系統(tǒng)中采用初級(jí)/次級(jí)（或主/從）電路進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，從而節(jié)省晶體，從而降低BOM成本。

每個(gè)芯片都可以通過(guò)其SYNCOUT引腳緩沖信號(hào)，從而充當(dāng)下游調(diào)制解調(diào)器的主晶體振蕩器（XO）。該 SYNCOUT 信號(hào)為漏極開(kāi)路輸出，需要一個(gè)簡(jiǎn)單的外部上拉電阻連接到模擬電源，以便其正常工作。然后將該信號(hào)傳播到系統(tǒng)中的其他輔助調(diào)制解調(diào)器。

MAX11947 AISG調(diào)制解調(diào)器的升級(jí)特性

Maxim Integrated推出首款A(yù)ISG v2.0調(diào)制解調(diào)器，采用原版MAX9947。該器件仍然為RS-485和定義的2.176MHz OOK信號(hào)之間的接口提供了完整的解決方案，因此與新的AISG v3.0標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。

那么為什么要采用新設(shè)計(jì)呢？

盡管Maxim的原始調(diào)制解調(diào)器可以滿(mǎn)足新標(biāo)準(zhǔn)的需求，但v3.0中擴(kuò)展的功能集也為改進(jìn)調(diào)制解調(diào)器提供了機(jī)會(huì)。因此，Maxim設(shè)計(jì)了新型MAX11947，提高了性能并增加了一些功能。作為第一步，在調(diào)制解調(diào)器中添加了一個(gè)數(shù)字接口以及幾個(gè)內(nèi)部配置寄存器。這種新的SPI控制允許集成以前使用外部部件（如PA功率偏置網(wǎng)絡(luò)）管理的功能?，F(xiàn)在，它被整合為數(shù)字可調(diào)發(fā)射功率，并包括與可調(diào)PA功率相匹配的另一個(gè)功能，即可調(diào)接收靈敏度閾值。我們 包括 PA 輸出 電阻 來(lái) 從 設(shè)計(jì) 的 物料清單 （BOM） 中 再 移除 一個(gè) 外部 元件， 最重要的是， 該 器件 增加 最大 的 特性 是 集成 4：1 端口 多路復(fù)用器。新的MUX在一個(gè)芯片中有效地提供了四個(gè)調(diào)制解調(diào)器，并促進(jìn)了自動(dòng)掃描功能，使開(kāi)發(fā)人員能夠與多達(dá)四個(gè)RF端口進(jìn)行交互，以滿(mǎn)足AISG v3.0的新ping要求。

集成 4：1 多路復(fù)用

v3.0要求在所有連接的RF信道上啟動(dòng)和檢測(cè)ping數(shù)據(jù)包，這將允許最終用戶(hù)映射電纜連接，識(shí)別多個(gè)初級(jí)和次級(jí)，并在初始組裝期間查找接口中的故障等。如前所述，在示例中增加16個(gè)調(diào)制解調(diào)器IC是多余的，使用RF開(kāi)關(guān)在端口之間共享AISG調(diào)制解調(diào)器可以更容易地滿(mǎn)足。這成為新的、集成度更高的設(shè)備的主要?jiǎng)訖C(jī)。

這就是新型MAX11947的用武之地。集成的 4：1 多路復(fù)用器提供內(nèi)置開(kāi)關(guān)功能，大大減少了指定和測(cè)試額外電路的需求，同時(shí)降低了而不是增加了 BOM 要求。在前面的例子中，AISG v2.0系統(tǒng)中的16個(gè)調(diào)制解調(diào)器和支持v3.0的系統(tǒng)可能需要的11947個(gè)調(diào)制解調(diào)器，由于其多路復(fù)用功能（圖1中的紫色塊），MAX<>調(diào)制解調(diào)器總共減少到只有<>個(gè)。

自動(dòng)端口掃描

將4：1多路復(fù)用器與我們的高性能AISG調(diào)制解調(diào)器集成，使得Maxim還包含一個(gè)專(zhuān)用的有限狀態(tài)機(jī)，以一致驅(qū)動(dòng)所有組件。新型MAX11947提供無(wú)代碼、非微控制器的掃描端口和識(shí)別ping載波信號(hào)，用戶(hù)干預(yù)極少。自動(dòng)端口掃描功能將有助于映射硬件互連并查找射頻布線(xiàn)系統(tǒng)的故障 - 使用比其他方式更少的IC組件完成該過(guò)程。

有關(guān)端口掃描功能的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參考MAX11947數(shù)據(jù)資料的“端口掃描”部分，具體細(xì)節(jié)參見(jiàn)應(yīng)用筆記7428：MAX11947的端口掃描操作。

內(nèi)部可調(diào)的發(fā)射功率

MAX11947對(duì)發(fā)送器輸出功率的可調(diào)性與原來(lái)的MAX9947調(diào)制解調(diào)器相同，但現(xiàn)在通過(guò)SPI接口進(jìn)行調(diào)整，而不需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包含固定的電阻值。通過(guò)改變寄存器中的可編程值，輸出可以在約-0.5dBm至約+7.0dBm范圍內(nèi)以0.5dB步長(zhǎng)調(diào)節(jié)（最高功率取決于電源電壓）。這種對(duì)TX電源的數(shù)字控制為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了即時(shí)功率調(diào)節(jié)能力，從理論上講，一旦安裝在現(xiàn)場(chǎng)，就可以獲得更好的性能。這種可調(diào)功率還允許設(shè)計(jì)人員適應(yīng)旁路通道的信號(hào)分配器，同時(shí)仍滿(mǎn)足AISG發(fā)射器的功率要求（見(jiàn)圖2B）。

有關(guān)可調(diào)TX功率的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)MAX11947數(shù)據(jù)資料的“輸出功率控制”部分。

增加了 RX 閾值的可調(diào)性

與發(fā)射器可調(diào)輸出功率一樣，接收器閾值可能會(huì)受到功率分配器、線(xiàn)控濾波或RF通道上其他衰減因素的影響。遺憾的是，在原來(lái)的MAX9947調(diào)制解調(diào)器中沒(méi)有可調(diào)的開(kāi)/關(guān)門(mén)限。

MAX11947的另一個(gè)特點(diǎn)是能夠像TX功率一樣獨(dú)立調(diào)整RX比較電平。這也是通過(guò)對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，允許載波檢測(cè)閾值范圍從-15dBm到-21.5dBm。調(diào)制解調(diào)器還允許即時(shí)調(diào)整RX，再次允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將這種靈活性傳遞給最終用戶(hù)。

有關(guān)可調(diào)RX靈敏度門(mén)限的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)MAX11947數(shù)據(jù)資料的“輸入范圍和靈敏度門(mén)限控制”和“串聯(lián)衰減”部分。

新的省電模式

最初的MAX9947僅提供一種工作模式，要么上電并準(zhǔn)備接收和發(fā)送，要么關(guān)斷，沒(méi)有任何功能。MAX11947具有多種電源模式：工作、待機(jī)和關(guān)斷。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了許多節(jié)省功耗的選擇。

顧名思義，全工作模式的工作原理是器件中的所有內(nèi)容都在運(yùn)行，包括發(fā)射器和接收器路徑、晶體振蕩器和 SYNCOUT 系統(tǒng)（由一個(gè)晶體振蕩器使用的初級(jí)/次級(jí)），以及數(shù)字寄存器和串行接口。

相反，待機(jī)模式禁用發(fā)射器電路。由于調(diào)制解調(diào)器將花費(fèi)大部分時(shí)間偵聽(tīng)RF端口上的傳入消息，因此使用待機(jī)模式可以節(jié)省大量功耗，通常電流消耗比全工作模式低11mA。這使系統(tǒng)能夠以較低的功率設(shè)置持續(xù)偵聽(tīng)OOK信號(hào)，一旦即將發(fā)出消息，就可以使能發(fā)送器電路。

通過(guò)使用省電模式禁用發(fā)射器和接收器電路，可實(shí)現(xiàn)更多的節(jié)能。此模式可以最大限度地節(jié)省功耗（通常比工作模式低 20mA），同時(shí)仍允許調(diào)制解調(diào)器充當(dāng)下游其他振蕩器的主要振蕩器。如果SYNCOUT緩沖器也關(guān)斷，與工作模式相比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以節(jié)省23mA以上的電流。

有關(guān)各種省電模式的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參考MAX11947數(shù)據(jù)資料的“待機(jī)和關(guān)斷工作模式”部分。

改進(jìn)的頻譜性能

MAX9947滿(mǎn)足這些模板要求，同時(shí)在1MHz拐點(diǎn)處提供2~30dB的窄裕量。同樣，具有競(jìng)爭(zhēng)力的AISG調(diào)制解調(diào)器提供約4dB的裕量。

圖4.比較光譜性能。

MAX11947超越了上一代調(diào)制解調(diào)器的一致性，在15MHz點(diǎn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了約30dB的頻譜模板裕量。

緩沖同步和繼續(xù)操作

MAX9947和MAX11947均可用于初級(jí)/次級(jí)配置，節(jié)省晶體，從而降低BOM成本。最初的MAX9947由于沒(méi)有低功耗模式而受到阻礙，該模式既能使XO電路工作又能節(jié)省功耗。

MAX11947解決了這一缺陷。新調(diào)制解調(diào)器提供待機(jī)和關(guān)斷選項(xiàng)，包括在啟用這些低功耗模式時(shí)使用振蕩器電路的能力。

新型MAX11947的另一個(gè)特性是可調(diào)的SYNCOUT驅(qū)動(dòng)能力。通過(guò)修改寄存器值，用戶(hù)可以禁用輸出（節(jié)省更多功率），將其設(shè)置為默認(rèn)驅(qū)動(dòng)電平（與原始MAX9947匹配），或者升壓至正常驅(qū)動(dòng)電流的2倍甚至4倍。為了保持漏極開(kāi)路信號(hào)的相同輸出電壓電平，必須按比例調(diào)整上拉電阻。例如，在正常的1x設(shè)置下，推薦的上拉電阻是1k？而在 4x 電流模式下，上拉電阻應(yīng)減小 4 倍，因此 250？電阻器。這個(gè)總上拉值可以實(shí)現(xiàn)為四個(gè)并聯(lián)1k嗎？電阻分布在“星形菊花鏈”拓?fù)渲?，如圖5所示。如果主調(diào)制解調(diào)器和輔助調(diào)制解調(diào)器之間的走線(xiàn)距離較長(zhǎng)，這可能會(huì)有所幫助。

圖5.分布式同步星形菊花鏈。

有關(guān)振蕩器電路關(guān)斷的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)“關(guān)斷模式”部分，緩沖SYNCOUT操作請(qǐng)參考MAX11947數(shù)據(jù)資料的“時(shí)鐘主/從配置”部分。

備用調(diào)制解調(diào)器接口

控制最初的MAX9947的過(guò)程很簡(jiǎn)單：通過(guò)TXIN、DIR和RXOUT引腳將RS-485驅(qū)動(dòng)器或微控制器（MCU）連接到經(jīng)典的RS-485接口信號(hào)。新的MAX11947可以復(fù)制相同的過(guò)程，盡管現(xiàn)在這些相同的信號(hào)也鏡像在SPI寄存器中。這意味著不需要額外的GPIO、UART或其他端口引腳即可與SPI和經(jīng)典調(diào)制解調(diào)器信號(hào)接口。

通過(guò)從鏡像的DIR和RXOUT位讀取并寫(xiě)入TX_ON位，可以通過(guò)寄存器執(zhí)行接口和控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以選擇使用調(diào)制解調(diào)器作為RF端口和MCU之間的橋梁，而資源最少。

有關(guān)在不連接傳統(tǒng)RS-485調(diào)制解調(diào)器引腳的情況下使用調(diào)制解調(diào)器的更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參考MAX11947數(shù)據(jù)資料的“備用調(diào)制解調(diào)器接口”部分。

結(jié)論

MAX11947專(zhuān)為滿(mǎn)足新型AISG v3.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的需求而設(shè)計(jì)。它提供了擴(kuò)展調(diào)制解調(diào)器卷筒的額外優(yōu)勢(shì)，并提供新的內(nèi)置靈活性，而不僅僅是節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和BOM成本。

審核編輯：郭婷