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作者：ADI戰略應用與產(chǎn)品定義團隊首席工程師Martin D. Stoehr 引言 過(guò)去十年來(lái)，蜂窩網(wǎng)絡(luò )和手機的普及導致對支持移動(dòng)通信基礎設施的電子產(chǎn)品需求呈指數級增長(cháng)。同時(shí)對更高帶寬的需求也在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò )提供商不斷擴大覆蓋范圍，同時(shí)增加蜂窩密度；反過(guò)來(lái)，這也促進(jìn)了對基礎設施硬件的需求。 15年前，制造商開(kāi)始對蜂窩無(wú)線(xiàn)電設備的互操作性進(jìn)行標準化，允許在裝配帶有天線(xiàn)裝置、放大器等器件的蜂窩基站時(shí)有更多變化。該通信標準由天線(xiàn)接口標準組織(AISG)于2003年和2004年首次制定。目前AISG標準隨著(zhù)市場(chǎng)的擴大而不斷發(fā)展。下面ADI將列舉可滿(mǎn)足當今和未來(lái)互操作通信需求的若干項功能特點(diǎn)。 AISG v2.0和物理層調制器 集成調制器-解調器（調制解調器）于2009年推出，旨在為無(wú)處不在的RS-485接口和2.176MHz OOK信號之間的轉換提供一個(gè)完整的綜合解決方案，該信號由與蜂窩射頻頻段支持相同電纜的通信標準定義。IC解決方案實(shí)現了更緊湊的系統設計，節省了空間、電源和硬件。此外，集成調制解調器能夠以小尺寸封裝提供簡(jiǎn)單、成熟、經(jīng)過(guò)工廠(chǎng)測試的設備可靠性。 新AISG v3.0標準 AISG在2019年提出對這項成功標準進(jìn)行升級。這一步建立在前幾代的成功基礎上，目的是增加新功能，同時(shí)保持主設備和受其管理的天線(xiàn)線(xiàn)路設備之間的核心互操作性。 新的AISG v3.0功能包括設備發(fā)現、連接映射和多主控制。雖然系統設計人員會(huì )發(fā)現，新標準對許多更高級別功能來(lái)說(shuō)是個(gè)有益升級，但物理層(PHY)從v2.0到v3.0卻保持不變。因此，早期以v2.0標準推出的所有調制解調器仍然完全兼容新的AISG v3.0標準。 需要一個(gè)以上的AISG通道 盡管從AISG v2.0升級到v3.0對系統的物理層影響很小，但新的v3.0標準會(huì )要求能夠在所有連接的射頻信道上啟動(dòng)和檢測ping數據包。這個(gè)要求有利于電纜連接的映射，使最終用戶(hù)能夠識別多個(gè)初級電路和次級電路，并在初始裝配和維護期間提供一個(gè)故障檢測工具。每個(gè)信道都需要能夠達到AISG標準，雖然這個(gè)要求對最終用戶(hù)有幫助，但這給硬件設計人員帶來(lái)了很大的負擔，因為他們要讓所有可能的射頻信道都具備通信能力，而在早期版本只有一個(gè)信道需要具備通信能力。 要想將AISG v2.0架構直接轉換為兼容V3.0的應用，所需的調制解調器數量是前代設計的兩倍以上；調制解調器需要從六個(gè)（圖1中的灰色區域）增加到15個(gè)（灰色加紅色區域）。 
圖1.顯示了AISG v2.0與v3.0的應用實(shí)例 在上述示例中，每對天線(xiàn)保留兩個(gè)調制解調器，用于保持基站提供商之間的兼容性。不過(guò)，塔頂放大器(TMA)上需要七到八個(gè)調制解調器：四個(gè)在連接到天線(xiàn)陣列（上行）的端口上監聽(tīng)，四個(gè)在下行端口上用于向基站廣播ping�；拘枰硗獾恼{制解調器：一個(gè)用于原始AISG信道，另外三個(gè)用于從其它端口的TMA接收ping數據包。 調制解調器IC數量如果超過(guò)15個(gè)或16個(gè)就過(guò)多了，而且效率低下，這時(shí)可以使用旁路電路或RF開(kāi)關(guān)來(lái)減少I(mǎi)C數量，以便在射頻端口之間共享AISG信號。在v2.0系統中，當預計只有一個(gè)射頻信道傳送AISG指令時(shí)，傳統的旁路電路會(huì )很有用，它可以對信號進(jìn)行分接，同時(shí)仍然向上或向下傳遞信號。然而，由于端口需要單獨識別，設計人員需要將上行和下行分支分開(kāi)。在新的v3.0設計中使用以前的旁路架構要困難得多。 想要管理多個(gè)端口的AISG訪(fǎng)問(wèn)同時(shí)不過(guò)度增加電子器件的數量，最終的解決方案是使用一組RF開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)或一對多的多路復用器可以將OOK信號從選定的端口路由到負載較小的調制解調器，同時(shí)允許系統在標準AISG通信和ping操作之間重新配置。 可調發(fā)射器功率 與舊式AISG設計一樣，需要調整發(fā)射器功率放大器的輸出電平。當電路使用功率分配器時(shí)，此功能非常有用，比如圖1的v2.0 TMA示例中所示的旁路通道。如果射頻濾波或有損連接使2.176MHz頻段中出現過(guò)度衰減，信號功率調整也會(huì )很有用。早期的調制解調器通過(guò)選擇外部電阻來(lái)提供這種調節能力。這些電阻用于設置功率放大器偏置點(diǎn)，并可針對調制解調器進(jìn)行調整，以滿(mǎn)足AISG信號要求（參見(jiàn)圖2-A和2-B）。盡管v2.0版調制解調器有一些靈活性，但功率放大器的輸出功率在設計階段基本上是固定的，因為調整功率的唯一方法是更換偏置電阻。
圖2.發(fā)射功率和接收閾值 與發(fā)射器的功率下降類(lèi)似，接收器閾值也可能受到功率分配器、在線(xiàn)濾波或射頻通道上其它衰減因素的影響。遺憾的是，與可調功率放大器功率不同，在任何早期v2.0調制解調器中都沒(méi)有可調的開(kāi)/關(guān)閾值。 省電模式 在系統設計人員的要求中，省電始終是很重要的一項。通常情況下，功率預算限制會(huì )對更多關(guān)鍵設計元素產(chǎn)生壓力，尤其是當ALD硬件被擴展到更多通道，同時(shí)被迫放在一個(gè)更緊湊的空間里時(shí)。讓不太關(guān)鍵的電路（比如AISG調制解調器）有點(diǎn)靈活性，可為系統中的重要模塊提供更多的功率預算。 市場(chǎng)上早期的AISG v2.0調制解調器具有低功耗待機模式，它可以關(guān)閉發(fā)射電路，節省少量電量。每節省一毫安都是有用的。不過(guò)，更好的設計是不僅能夠關(guān)閉發(fā)射器，還能夠關(guān)閉接收器塊和調制解調器自身的其它未使用部分。與其它關(guān)斷功能相反，調制解調器需要足夠靈活，以平衡其它使用模式，比如參考源共享。 共享參考振蕩器 每個(gè)AISG調制解調器都需要一個(gè)參考信號來(lái)生成2.176MHz載波。它通常配有一個(gè)8.704MHz晶振和一個(gè)集成振蕩器電路。市場(chǎng)上所有現有的AISG調制解調器都可以在系統內采用初級/次級（或主/從）電路架構，從而節省晶振，降低BOM成本。 通過(guò)SYNCOUT引腳輸出緩沖信號，每個(gè)芯片都可以充當下行調制解調器的主晶體振蕩器(XO)。這個(gè)SYNCOUT信號是一個(gè)開(kāi)漏輸出，需要一個(gè)簡(jiǎn)單的外部上拉電阻連接到模擬電源，這樣它才能正常工作。然后，將這個(gè)信號傳播到初級調制解調器下游的其它次級調制解調器。下行調制解調器的數量是有限的，但可以使用此參考共享選項。 用這種共享架構進(jìn)行設計確實(shí)存在缺點(diǎn)。使用任何經(jīng)典的v2.0調制解調器，初級調制解調器都要消耗與任何次級調制解調器一樣多的功率。因此，即使系統設計人員節省了元件，但功率預算并未節省。 頻譜輻射 最后，AISG標準對PHY層的一個(gè)主要要求是調制解調器發(fā)射器的頻譜純度。頻譜性能在A(yíng)ISG v3.0.0.3第10.3.11節《模塊特性》部分進(jìn)行了描述。嚴格的要求限制了功率放大器的帶外頻譜發(fā)射，這往往是非常嚴格的。尤其是在30MHz的拐點(diǎn)處，任何諧波噪聲的絕對功率必須低于-67dBm，而且測試儀器的分辨率帶寬(RBW)設置是非常嚴苛的。功率放大器的輸出頻譜也必須與總功率水平（即可調TX功率）相平衡，保持在頻譜屏蔽的絕對限制范圍內。功率放大器的功率增加過(guò)多可能會(huì )導致頻譜屏蔽失效。
圖3.AISG v3.0標準調制解調器頻譜發(fā)射屏蔽 由于發(fā)射屏蔽沒(méi)有改變，v2.0市場(chǎng)上可用的集成調制解調器也符合v3.0標準，盡管它們通常在30MHz的拐點(diǎn)處只提供1~4dB的狹窄余量。因此，它們限制了功率放大器輸出功率的上限。 在新的v3.0系統中使用v2.0調制解調器 所有提到的功能在經(jīng)典v2.0調制解調器中都有。由于PHY層基本上沒(méi)有變化，因此每一個(gè)舊款調制解調器都能滿(mǎn)足ALD系統設計人員的需求。簡(jiǎn)單地復制現有的AISG解決方案，會(huì )占用更多的電路板空間，這一點(diǎn)是不利的，會(huì )影響系統的復雜性，并且可能會(huì )開(kāi)始主電源預算，同時(shí)在性能上幾乎沒(méi)有改進(jìn)，也沒(méi)有帶來(lái)功能升級。幸運的是，在A(yíng)ISG v3.0市場(chǎng)上有一個(gè)新的、經(jīng)過(guò)改進(jìn)的替代方案。 新款AISG調制解調器提供的升級功能 面向市場(chǎng)推出的第一款AISG v2.0調制解調器采用的是初期的MAX9947。該器件仍然為RS-485和規定的2.176MHz OOK信號之間的接口提供完整解決方案，因此它依然與新的AISG v3.0標準完全兼容。盡管早期的調制解調器也滿(mǎn)足新標準，但v3.0中擴大的要求為提升現有設計提供了良機。 新的MAX11947具有多項性能改進(jìn)和新增功能，以解決在較新系統中使用舊代IC時(shí)固有的諸多不足。新款調制解調器的主要功能特點(diǎn)是集成式4:1多路復用器。該多路復用器在一個(gè)芯片中有效提供四個(gè)調制解調器，便于自動(dòng)掃描。這為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)與多達四個(gè)射頻端口互動(dòng)的工具，并且與原來(lái)的調制解調器相比，占用的印刷電路板面積幾乎相同。這種集成式開(kāi)關(guān)功能大大減少了指定和測試額外電路（如射頻開(kāi)關(guān)）的需要，同時(shí)減少了BOM要求。 如前一個(gè)例子所示，在A(yíng)ISG v2.0系統中是6個(gè)調制解調器，而支持v3.0的系統中可能需要16個(gè)調制解調器，現在集成4:1多路復用器（圖1中的紫色區域）后，調制解調器減少到5個(gè)。新的調制解調器/多路復用器組合還提供了一種無(wú)代碼、非微控制器的方式來(lái)掃描端口和識別ping載波信號，用戶(hù)干預非常少。自動(dòng)端口掃描功能有助于繪制硬件互連圖，并幫助查找射頻布線(xiàn)系統內的故障，使用的IC元件比其它方式更少。 新的SPI接口不僅可以控制多路復用器和調制解調器，還可以整合以前通過(guò)外部元件管理的功能。功率放大器的功率偏置網(wǎng)絡(luò )（電阻器）等部件現在可通過(guò)數字可調發(fā)射功率進(jìn)行整合。該調制解調器還提供了一個(gè)新功能：可調接收靈敏度閾值。這兩項調整都有助于解決旁路系統中固有的功率分配問(wèn)題，以及其它線(xiàn)內衰減問(wèn)題。不僅可以將TX輸出從大約-0.5dBm調整到大約+7.0dBm（步進(jìn)為0.5dB），而且新的調制解調器還可以獨立調整RX對比水平。這使得載波檢測閾值的范圍大約處于-15dBm到-21.5dBm之間�？烧{TX功率和RX閾值可以動(dòng)態(tài)修改，系統設計人員可將這種靈活性傳遞給最終用戶(hù)，并支持在現場(chǎng)安裝后提高系統性能。 新部件還集成了幾種電源模式，分別為：運行、待機和斷電。這為系統設計人員提供了多個(gè)改進(jìn)功率預算的選項。待機模式可以像其他v2.0時(shí)代的經(jīng)典調制解調器一樣，禁用發(fā)射器電路。與完全運行模式相比，這通�？梢怨澥�11mA的電力。通過(guò)提供關(guān)斷模式，禁用發(fā)射器和接收器電路，還可以更省電。這充分降低了功耗（一般會(huì )比運行模式低20mA），同時(shí)仍然支持調制解調器充當其它下游設備的主振蕩器。如果SYNCOUT緩沖器也關(guān)閉，系統設計人員可以比運行模式節省23mA以上的電力。 這種新的調制解調器在頻譜合規性方面超越了前代調制解調器，現在為系統設計人員在30MHz頻點(diǎn)的頻譜屏蔽提供了大約15dB的余量，從而使發(fā)射器功率設置具有更大的靈活性。
圖4.頻譜性能的比較 最后，新器件還具有與串行接口相關(guān)的獨特功能：所有經(jīng)典的調制解調器信號都在SPI寄存器中進(jìn)行鏡像。這意味著(zhù)微控制器上不需要額外的GPIO、UART或其它端口引腳來(lái)連接調制解調器信號。通過(guò)讀取和寫(xiě)入鏡像位，接口和控制功能都可以通過(guò)寄存器來(lái)執行。系統設計人員現在可以選擇使用調制解調器作為RF端口和MCU之間的橋梁，而且所需資源很少。 結論 ADI MAX11947的設計旨在滿(mǎn)足新的AISG v3.0系統設計人員的需求。它具有更多的優(yōu)勢，擴大了調制解調器的作用，同時(shí)帶來(lái)了新的內置靈活性，而不僅僅是節省設計時(shí)間和BOM成本。 |
