當(dāng)設(shè)計(jì)物理層調(diào)制解調(diào)器時(shí)，如何滿足AISG v3.0標(biāo)準(zhǔn)要求

引言

過去十年來(lái)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)的普及導(dǎo)致對(duì)支持移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的電子產(chǎn)品需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。同時(shí)對(duì)更高帶寬的需求也在推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供商不斷擴(kuò)大覆蓋范圍，同時(shí)增加蜂窩密度；反過來(lái)，這也促進(jìn)了對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施硬件的需求。

15年前，制造商開始對(duì)蜂窩無(wú)線電設(shè)備的互操作性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，允許在裝配帶有天線裝置、放大器等器件的蜂窩基站時(shí)有更多變化。該通信標(biāo)準(zhǔn)由天線接口標(biāo)準(zhǔn)組織(AISG)于2003年和2004年首次制定。目前AISG標(biāo)準(zhǔn)隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大而不斷發(fā)展。下面ADI將列舉可滿足當(dāng)今和未來(lái)互操作通信需求的若干項(xiàng)功能特點(diǎn)。

AISG v2.0和物理層調(diào)制器

集成調(diào)制器-解調(diào)器（調(diào)制解調(diào)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(hào)之間的轉(zhuǎn)換提供一個(gè)完整的綜合解決方案，該信號(hào)由與蜂窩射頻頻段支持相同電纜的通信標(biāo)準(zhǔn)定義。IC解決方案實(shí)現(xiàn)了更緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，節(jié)省了空間、電源和硬件。此外，集成調(diào)制解調(diào)器能夠以小尺寸封裝提供簡(jiǎn)單、成熟、經(jīng)過工廠測(cè)試的設(shè)備可靠性。

新AISG v3.0標(biāo)準(zhǔn)

AISG在2019年提出對(duì)這項(xiàng)成功標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行升級(jí)。這一步建立在前幾代的成功基礎(chǔ)上，目的是增加新功能，同時(shí)保持主設(shè)備和受其管理的天線線路設(shè)備之間的核心互操作性。

新的AISG v3.0功能包括設(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)別功能來(lái)說是個(gè)有益升級(jí)，但物理層(PHY)從v2.0到v3.0卻保持不變。因此，早期以v2.0標(biāo)準(zhǔn)推出的所有調(diào)制解調(diào)器仍然完全兼容新的AISG v3.0標(biāo)準(zhǔn)。

需要一個(gè)以上的AISG通道

盡管從AISG v2.0升級(jí)到v3.0對(duì)系統(tǒng)的物理層影響很小，但新的v3.0標(biāo)準(zhǔn)會(huì)要求能夠在所有連接的射頻信道上啟動(dòng)和檢測(cè)ping數(shù)據(jù)包。這個(gè)要求有利于電纜連接的映射，使最終用戶能夠識(shí)別多個(gè)初級(jí)電路和次級(jí)電路，并在初始裝配和維護(hù)期間提供一個(gè)故障檢測(cè)工具。每個(gè)信道都需要能夠達(dá)到AISG標(biāo)準(zhǔn)，雖然這個(gè)要求對(duì)最終用戶有幫助，但這給硬件設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了很大的負(fù)擔(dān)，因?yàn)樗麄円屗锌赡艿纳漕l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(gòu)直接轉(zhuǎn)換為兼容V3.0的應(yīng)用，所需的調(diào)制解調(diào)器數(shù)量是前代設(shè)計(jì)的兩倍以上；調(diào)制解調(diào)器需要從六個(gè)（圖1中的灰色區(qū)域）增加到15個(gè)（灰色加紅色區(qū)域）。

圖1.顯示了AISG v2.0與v3.0的應(yīng)用實(shí)例

在上述示例中，每對(duì)天線保留兩個(gè)調(diào)制解調(diào)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(gè)調(diào)制解調(diào)器：四個(gè)在連接到天線陣列（上行）的端口上監(jiān)聽，四個(gè)在下行端口上用于向基站廣播ping?；拘枰硗獾恼{(diào)制解調(diào)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(shù)據(jù)包。

調(diào)制解調(diào)器IC數(shù)量如果超過15個(gè)或16個(gè)就過多了，而且效率低下，這時(shí)可以使用旁路電路或RF開關(guān)來(lái)減少IC數(shù)量，以便在射頻端口之間共享AISG信號(hào)。在v2.0系統(tǒng)中，當(dāng)預(yù)計(jì)只有一個(gè)射頻信道傳送AISG指令時(shí)，傳統(tǒng)的旁路電路會(huì)很有用，它可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行分接，同時(shí)仍然向上或向下傳遞信號(hào)。然而，由于端口需要單獨(dú)識(shí)別，設(shè)計(jì)人員需要將上行和下行分支分開。在新的v3.0設(shè)計(jì)中使用以前的旁路架構(gòu)要困難得多。

想要管理多個(gè)端口的AISG訪問同時(shí)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(guān)。這些開關(guān)或一對(duì)多的多路復(fù)用器可以將OOK信號(hào)從選定的端口路由到負(fù)載較小的調(diào)制解調(diào)器，同時(shí)允許系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)AISG通信和ping操作之間重新配置。

可調(diào)發(fā)射器功率

與舊式AISG設(shè)計(jì)一樣，需要調(diào)整發(fā)射器功率放大器的輸出電平。當(dāng)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(xiàn)過度衰減，信號(hào)功率調(diào)整也會(huì)很有用。早期的調(diào)制解調(diào)器通過選擇外部電阻來(lái)提供這種調(diào)節(jié)能力。這些電阻用于設(shè)置功率放大器偏置點(diǎn)，并可針對(duì)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行調(diào)整，以滿足AISG信號(hào)要求（參見圖2-A和2-B）。盡管v2.0版調(diào)制解調(diào)器有一些靈活性，但功率放大器的輸出功率在設(shè)計(jì)階段基本上是固定的，因?yàn)檎{(diào)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(diào)功率放大器功率不同，在任何早期v2.0調(diào)制解調(diào)器中都沒有可調(diào)的開/關(guān)閾值。

省電模式

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的要求中，省電始終是很重要的一項(xiàng)。通常情況下，功率預(yù)算限制會(huì)對(duì)更多關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素產(chǎn)生壓力，尤其是當(dāng)ALD硬件被擴(kuò)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(diào)制解調(diào)器）有點(diǎn)靈活性，可為系統(tǒng)中的重要模塊提供更多的功率預(yù)算。

市場(chǎng)上早期的AISG v2.0調(diào)制解調(diào)器具有低功耗待機(jī)模式，它可以關(guān)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(shè)計(jì)是不僅能夠關(guān)閉發(fā)射器，還能夠關(guān)閉接收器塊和調(diào)制解調(diào)器自身的其它未使用部分。與其它關(guān)斷功能相反，調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)器都需要一個(gè)參考信號(hào)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(xiàn)有的AISG調(diào)制解調(diào)器都可以在系統(tǒng)內(nèi)采用初級(jí)/次級(jí)（或主/從）電路架構(gòu)，從而節(jié)省晶振，降低BOM成本。

通過SYNCOUT引腳輸出緩沖信號(hào)，每個(gè)芯片都可以充當(dāng)下行調(diào)制解調(diào)器的主晶體振蕩器(XO)。這個(gè)SYNCOUT信號(hào)是一個(gè)開漏輸出，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(hào)傳播到初級(jí)調(diào)制解調(diào)器下游的其它次級(jí)調(diào)制解調(diào)器。下行調(diào)制解調(diào)器的數(shù)量是有限的，但可以使用此參考共享選項(xiàng)。

用這種共享架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)確實(shí)存在缺點(diǎn)。使用任何經(jīng)典的v2.0調(diào)制解調(diào)器，初級(jí)調(diào)制解調(diào)器都要消耗與任何次級(jí)調(diào)制解調(diào)器一樣多的功率。因此，即使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員節(jié)省了元件，但功率預(yù)算并未節(jié)省。

頻譜輻射

最后，AISG標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PHY層的一個(gè)主要要求是調(diào)制解調(diào)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(jìn)行了描述。嚴(yán)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(yán)格的。尤其是在30MHz的拐點(diǎn)處，任何諧波噪聲的絕對(duì)功率必須低于-67dBm，而且測(cè)試儀器的分辨率帶寬(RBW)設(shè)置是非常嚴(yán)苛的。功率放大器的輸出頻譜也必須與總功率水平（即可調(diào)TX功率）相平衡，保持在頻譜屏蔽的絕對(duì)限制范圍內(nèi)。功率放大器的功率增加過多可能會(huì)導(dǎo)致頻譜屏蔽失效。

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

由于發(fā)射屏蔽沒有改變，v2.0市場(chǎng)上可用的集成調(diào)制解調(diào)器也符合v3.0標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)中使用v2.0調(diào)制解調(diào)器

所有提到的功能在經(jīng)典v2.0調(diào)制解調(diào)器中都有。由于PHY層基本上沒有變化，因此每一個(gè)舊款調(diào)制解調(diào)器都能滿足ALD系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的需求。簡(jiǎn)單地復(fù)制現(xiàn)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(tǒng)的復(fù)雜性，并且可能會(huì)開始主電源預(yù)算，同時(shí)在性能上幾乎沒有改進(jìn)，也沒有帶來(lái)功能升級(jí)。幸運(yùn)的是，在AISG v3.0市場(chǎng)上有一個(gè)新的、經(jīng)過改進(jìn)的替代方案。

新款A(yù)ISG調(diào)制解調(diào)器提供的升級(jí)功能

面向市場(chǎng)推出的第一款A(yù)ISG v2.0調(diào)制解調(diào)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)完全兼容。盡管早期的調(diào)制解調(diào)器也滿足新標(biāo)準(zhǔn)，但v3.0中擴(kuò)大的要求為提升現(xiàn)有設(shè)計(jì)提供了良機(jī)。

新的MAX11947具有多項(xiàng)性能改進(jìn)和新增功能，以解決在較新系統(tǒng)中使用舊代IC時(shí)固有的諸多不足。新款調(diào)制解調(diào)器的主要功能特點(diǎn)是集成式4:1多路復(fù)用器。該多路復(fù)用器在一個(gè)芯片中有效提供四個(gè)調(diào)制解調(diào)器，便于自動(dòng)掃描。這為開發(fā)人員提供了一個(gè)與多達(dá)四個(gè)射頻端口互動(dòng)的工具，并且與原來(lái)的調(diào)制解調(diào)器相比，占用的印刷電路板面積幾乎相同。這種集成式開關(guān)功能大大減少了指定和測(cè)試額外電路（如射頻開關(guān)）的需要，同時(shí)減少了BOM要求。

如前一個(gè)例子所示，在AISG v2.0系統(tǒng)中是6個(gè)調(diào)制解調(diào)器，而支持v3.0的系統(tǒng)中可能需要16個(gè)調(diào)制解調(diào)器，現(xiàn)在集成4:1多路復(fù)用器（圖1中的紫色區(qū)域）后，調(diào)制解調(diào)器減少到5個(gè)。新的調(diào)制解調(diào)器/多路復(fù)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(shí)別ping載波信號(hào)，用戶干預(yù)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系統(tǒng)內(nèi)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(fù)用器和調(diào)制解調(diào)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(luò)（電阻器）等部件現(xiàn)在可通過數(shù)字可調(diào)發(fā)射功率進(jìn)行整合。該調(diào)制解調(diào)器還提供了一個(gè)新功能：可調(diào)接收靈敏度閾值。這兩項(xiàng)調(diào)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(nèi)衰減問題。不僅可以將TX輸出從大約-0.5dBm調(diào)整到大約+7.0dBm（步進(jìn)為0.5dB），而且新的調(diào)制解調(diào)器還可以獨(dú)立調(diào)整RX對(duì)比水平。這使得載波檢測(cè)閾值的范圍大約處于-15dBm到-21.5dBm之間。可調(diào)TX功率和RX閾值可以動(dòng)態(tài)修改，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可將這種靈活性傳遞給最終用戶，并支持在現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)行、待機(jī)和斷電。這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了多個(gè)改進(jìn)功率預(yù)算的選項(xiàng)。待機(jī)模式可以像其他v2.0時(shí)代的經(jīng)典調(diào)制解調(diào)器一樣，禁用發(fā)射器電路。與完全運(yùn)行模式相比，這通常可以節(jié)省11mA的電力。通過提供關(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(yùn)行模式低20mA），同時(shí)仍然支持調(diào)制解調(diào)器充當(dāng)其它下游設(shè)備的主振蕩器。如果SYNCOUT緩沖器也關(guān)閉，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以比運(yùn)行模式節(jié)省23mA以上的電力。

這種新的調(diào)制解調(diào)器在頻譜合規(guī)性方面超越了前代調(diào)制解調(diào)器，現(xiàn)在為系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)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(dú)特功能：所有經(jīng)典的調(diào)制解調(diào)器信號(hào)都在SPI寄存器中進(jìn)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(lái)連接調(diào)制解調(diào)器信號(hào)。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(lái)執(zhí)行。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，而且所需資源很少。

結(jié)論

ADI MAX11947的設(shè)計(jì)旨在滿足新的AISG v3.0系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的需求。它具有更多的優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大了調(diào)制解調(diào)器的作用，同時(shí)帶來(lái)了新的內(nèi)置靈活性，而不僅僅是節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間和BOM成本。