【導讀】過去十年來,蜂窩網(wǎng)絡和手機的普及導致對支持移動通信基礎設施的電子產(chǎn)品需求呈指數(shù)級增長。同時對更高帶寬的需求也在推動網(wǎng)絡提供商不斷擴大覆蓋范圍,同時增加蜂窩密度;反過來,這也促進了對基礎設施硬件的需求。
15年前,制造商開始對蜂窩無線電設備的互操作性進行標準化,允許在裝配帶有天線裝置、放大器等器件的蜂窩基站時有更多變化。該通信標準由天線接口標準組織(AISG)于2003年和2004年首次制定。目前AISG標準隨著市場的擴大而不斷發(fā)展。下面ADI將列舉可滿足當今和未來互操作通信需求的若干項功能特點。
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,旨在為無處不在的RS-485接口和2.176MHz OOK信號之間的轉換提供一個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解決方案實現(xiàn)了更緊湊的系統(tǒng)設計,節(jié)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單、成熟、經(jīng)過工廠測試的設備可靠性。
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,同時保持主設備和受其管理的天線線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(xiàn)、連接映射和多主控制。雖然系統(tǒng)設計人員會發(fā)現(xiàn),新標準對許多更高級別功能來說是個有益升級,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。
需要一個以上的AISG通道
盡管從AISG v2.0升級到v3.0對系統(tǒng)的物理層影響很小,但新的v3.0標準會要求能夠在所有連接的射頻信道上啟動和檢測ping數(shù)據(jù)包。這個要求有利于電纜連接的映射,使最終用戶能夠識別多個初級電路和次級電路,并在初始裝配和維護期間提供一個故障檢測工具。每個信道都需要能夠達到AISG標準,雖然這個要求對最終用戶有幫助,但這給硬件設計人員帶來了很大的負擔,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(shù)量是前代設計的兩倍以上;調制解調器需要從六個(圖1中的灰色區(qū)域)增加到15個(灰色加紅色區(qū)域)。
圖1.顯示了AISG v2.0與v3.0的應用實例
在上述示例中,每對天線保留兩個調制解調器,用于保持基站提供商之間的兼容性。不過,塔頂放大器(TMA)上需要七到八個調制解調器:四個在連接到天線陣列(上行)的端口上監(jiān)聽,四個在下行端口上用于向基站廣播ping?;拘枰硗獾恼{制解調器:一個用于原始AISG信道,另外三個用于從其它端口的TMA接收ping數(shù)據(jù)包。
調制解調器IC數(shù)量如果超過15個或16個就過多了,而且效率低下,這時可以使用旁路電路或RF開關來減少IC數(shù)量,以便在射頻端口之間共享AISG信號。在v2.0系統(tǒng)中,當預計只有一個射頻信道傳送AISG指令時,傳統(tǒng)的旁路電路會很有用,它可以對信號進行分接,同時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。在新的v3.0設計中使用以前的旁路架構要困難得多。
想要管理多個端口的AISG訪問同時不過度增加電子器件的數(shù)量,最終的解決方案是使用一組RF開關。這些開關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,同時允許系統(tǒng)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,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(xiàn)過度衰減,信號功率調整也會很有用。早期的調制解調器通過選擇外部電阻來提供這種調節(jié)能力。這些電阻用于設置功率放大器偏置點,并可針對調制解調器進行調整,以滿足AISG信號要求(參見圖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)射器的功率下降類似,接收器閾值也可能受到功率分配器、在線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調制解調器中都沒有可調的開/關閾值。
省電模式
在系統(tǒng)設計人員的要求中,省電始終是很重要的一項。通常情況下,功率預算限制會對更多關鍵設計元素產(chǎn)生壓力,尤其是當ALD硬件被擴展到更多通道,同時被迫放在一個更緊湊的空間里時。讓不太關鍵的電路(比如AISG調制解調器)有點靈活性,可為系統(tǒng)中的重要模塊提供更多的功率預算。
市場上早期的AISG v2.0調制解調器具有低功耗待機模式,它可以關閉發(fā)射電路,節(jié)省少量電量。每節(jié)省一毫安都是有用的。不過,更好的設計是不僅能夠關閉發(fā)射器,還能夠關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AISG調制解調器都需要一個參考信號來生成2.176MHz載波。它通常配有一個8.704MHz晶振和一個集成振蕩器電路。市場上所有現(xiàn)有的AISG調制解調器都可以在系統(tǒng)內采用初級/次級(或主/從)電路架構,從而節(jié)省晶振,降低BOM成本。
通過SYNCOUT引腳輸出緩沖信號,每個芯片都可以充當下行調制解調器的主晶體振蕩器(XO)。這個SYNCOUT信號是一個開漏輸出,需要一個簡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(shù)量是有限的,但可以使用此參考共享選項。
用這種共享架構進行設計確實存在缺點。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(tǒng)設計人員節(jié)省了元件,但功率預算并未節(jié)省。
頻譜輻射
最后,AISG標準對PHY層的一個主要要求是調制解調器發(fā)射器的頻譜純度。頻譜性能在AISG v3.0.0.3第10.3.11節(jié)《模塊特性》部分進行了描述。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多可能會導致頻譜屏蔽失效。
圖3.AISG v3.0標準調制解調器頻譜發(fā)射屏蔽
由于發(fā)射屏蔽沒有改變,v2.0市場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(tǒng)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層基本上沒有變化,因此每一個舊款調制解調器都能滿足ALD系統(tǒng)設計人員的需求。簡單地復制現(xiàn)有的AISG解決方案,會占用更多的電路板空間,這一點是不利的,會影響系統(tǒng)的復雜性,并且可能會開始主電源預算,同時在性能上幾乎沒有改進,也沒有帶來功能升級。幸運的是,在AISG v3.0市場上有一個新的、經(jīng)過改進的替代方案。
新款AISG調制解調器提供的升級功能
面向市場推出的第一款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(guī)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足新標準,但v3.0中擴大的要求為提升現(xiàn)有設計提供了良機。
新的MAX11947具有多項性能改進和新增功能,以解決在較新系統(tǒng)中使用舊代IC時固有的諸多不足。新款調制解調器的主要功能特點是集成式4:1多路復用器。該多路復用器在一個芯片中有效提供四個調制解調器,便于自動掃描。這為開發(fā)人員提供了一個與多達四個射頻端口互動的工具,并且與原來的調制解調器相比,占用的印刷電路板面積幾乎相同。這種集成式開關功能大大減少了指定和測試額外電路(如射頻開關)的需要,同時減少了BOM要求。
如前一個例子所示,在AISG v2.0系統(tǒng)中是6個調制解調器,而支持v3.0的系統(tǒng)中可能需要16個調制解調器,現(xiàn)在集成4:1多路復用器(圖1中的紫色區(qū)域)后,調制解調器減少到5個。新的調制解調器/多路復用器組合還提供了一種無代碼、非微控制器的方式來掃描端口和識別ping載波信號,用戶干預非常少。自動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系統(tǒng)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外部元件管理的功能。功率放大器的功率偏置網(wǎng)絡(電阻器)等部件現(xiàn)在可通過數(shù)字可調發(fā)射功率進行整合。該調制解調器還提供了一個新功能:可調接收靈敏度閾值。這兩項調整都有助于解決旁路系統(tǒng)中固有的功率分配問題,以及其它線內衰減問題。不僅可以將TX輸出從大約-0.5dBm調整到大約+7.0dBm(步進為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閾值可以動態(tài)修改,系統(tǒng)設計人員可將這種靈活性傳遞給最終用戶,并支持在現(xiàn)場安裝后提高系統(tǒng)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(tǒng)設計人員提供了多個改進功率預算的選項。待機模式可以像其他v2.0時代的經(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,這通常可以節(jié)省11mA的電力。通過提供關斷模式,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(一般會比運行模式低20mA),同時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緩沖器也關閉,系統(tǒng)設計人員可以比運行模式節(jié)省23mA以上的電力。
這種新的調制解調器在頻譜合規(guī)性方面超越了前代調制解調器,現(xiàn)在為系統(tǒng)設計人員在30MHz頻點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寄存器中進行鏡像。這意味著微控制器上不需要額外的GPIO、UART或其它端口引腳來連接調制解調器信號。通過讀取和寫入鏡像位,接口和控制功能都可以通過寄存器來執(zhí)行。系統(tǒng)設計人員現(xiàn)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的設計旨在滿足新的AISG v3.0系統(tǒng)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,同時帶來了新的內置靈活性,而不僅僅是節(jié)省設計時間和BOM成本。
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