AISG v3.0物理层调制解调器的新功能

随着2019年新AISG v3.0标准的引入，天线线通信实现了许多新的用例。虽然这些变化对操作的物理层几乎没有影响，但一个系统性的变化是显而易见的：蜂窝塔上的每个RF连接现在都需要AISG通信来为PING功能提供服务。本应用笔记总结了硬件层面的一些变化，并展示了新型MAX11947（具有4：1多路复用器的AISG调制解调器）的特性如何帮助系统设计人员以更少的元件和更低的开发开销实现新的标准要求。

介绍

蜂窝网络和手机在世界各地的激增，特别是在过去十年中，导致对支持移动通信基础设施的电子产品的需求呈指数级增长。同时对更多带宽的需求也推动网络提供商不断扩大其覆盖范围，同时增加小区密度，这反过来又增加了对基础设施硬件的需求。

15年前，制造商开始标准化蜂窝无线电设备的互操作性，允许在组装带有天线齿轮、放大器等的蜂窝基站时进行更多变化。该通信标准最初由天线接口标准组织（AISG）于2003年和2004年建立[1].AISG标准随着市场的扩大而不断发展，本应用笔记介绍了MAX11947调制解调器的几个特性，用于满足当今和未来的可互操作通信需求。

AISG v2.0 和物理层调制解调器

集成调制器解调器（调制解调器）于2009年推出，为无处不在的RS-485接口和2.176MHz OOK信号之间的转换提供了一个完整的集中解决方案，该信号搭载在单个电路中的蜂窝频段RF电缆上。IC解决方案可实现更紧凑的系统设计，节省空间、功耗和硬件，同时集成调制解调器提供了简单、经过验证、经过工厂测试的设备的可靠性。

新的AISG v3.0标准

AISG于2019年提出了对成功标准的升级。这一演进步骤建立在前几代产品成功的基础上，旨在添加新功能，同时保持原器件及其托管天线线设备（ALD）的核心互操作性。

新的 AISG v3.0 功能集包括设备发现、连接映射和多主控制。虽然系统设计人员会发现新标准对许多更高级别的功能进行了有益的升级，但从v2.0到v3.0，PHY层保持不变。[2][3].因此，原始调制解调器仍然与新的AISG v3.0标准完全兼容。

需要多个 AISG 频道

从 AISG v2.0 到 v3.0 的跳跃对系统的物理层影响很小。但是，新标准中要求每个通道都具有AISG感知能力，以便整个系统可以使用ping数据包映射连接。这有助于构建整个无线电系统，但给硬件设计人员带来了额外的负担，需要将AISG通信包含在所有RF信道上，而以前只需要在一个信道上。

尝试将 AISG v2.0 系统设计直接转换为 v3.0 兼容应用程序可能需要两倍于上一代设计的调制解调器;从6个调制解调器（灰色块）增加到图1所示示例中的15个调制解调器（灰色加红色块）。

图1.AISG v2.0 与 v3.0 的示例应用。

在本例中，每对天线仍需要两个调制解调器以保持兼容性。但是，现在塔式放大器（TMA）上最多需要七个或八个调制解调器，其中四个侦听连接到天线阵列（上游）的端口，四个侦听下游端口，用于向基站广播ping。基站还需要额外的调制解调器，一个用于原始AISG信道，另外三个用于接收来自其他端口上的TMA的ping数据包。

显然，15或16个调制解调器IC是多余的，因为通过使用旁路电路和/或RF开关在RF端口之间共享AISG信号可以减少总数。

可调发射机功率

即使使用较旧的AISG设计，也固有地需要调整发射器功率放大器（PA）的输出电平。每当将分路器用于电路（例如图 1 的 v2.0 TMA 示例中所示的旁路通道）时，通常需要这样做。如果RF滤波或有损连接在2.176MHz信道上存在过大的衰减，则信号功率调整也会有所帮助。原始调制解调器通过用于设置 PA 偏置点的外部电阻提供这种可调性，使调制解调器能够满足 AISG 信号要求（参见图 2-A 和 2-B）。

图2.发射功率和接收阈值。

光谱发射

AISG标准对PHY层的主要要求是任何调制解调器发射器的频谱纯度。光谱性能在 AISG v3.0.0.3 标准第 10.3.11 节 - 模块化特性中得到解决。这些严格的要求限制了PA的带外频谱发射，并且往往非常严格，特别是在30MHz拐点处，任何谐波噪声的功率都必须低于-67dBm，并且测试仪器的分辨率带宽（RBW）设置是最严格的。考虑到频谱模板中的绝对限值，PA输出频谱还必须与整体功率电平相平衡。

图3.AISG v3.0 标准调制解调器频谱发射掩码。

省电

节能始终是系统设计人员要求中的重中之重。通常存在功率预算限制，这会对更关键的设计元素施加压力，特别是当 ALD 硬件扩展到更多通道的同时，它们变得越来越紧凑。在不太关键的电路中具有一定的灵活性，可以让设计人员在功率预算中的重要模块上拥有更大的自由度。

市场上的一款原始AISG v2.0调制解调器具有低功耗待机模式，而另一款调制解调器除了完全关闭设备外无法控制电源。

共享引用

每个AISG调制解调器都需要一个参考信号来产生2.176MHz载波。这通常由一个8.704MHz晶体和一个集成振荡器电路提供。市场上的所有IC都可以在AISG系统中采用初级/次级（或主/从）电路进行架构设计，从而节省晶体，从而降低BOM成本。

每个芯片都可以通过其SYNCOUT引脚缓冲信号，从而充当下游调制解调器的主晶体振荡器（XO）。该 SYNCOUT 信号为漏极开路输出，需要一个简单的外部上拉电阻连接到模拟电源，以便其正常工作。然后将该信号传播到系统中的其他辅助调制解调器。

MAX11947 AISG调制解调器的升级特性

Maxim Integrated推出首款AISG v2.0调制解调器，采用原版MAX9947。该器件仍然为RS-485和定义的2.176MHz OOK信号之间的接口提供了完整的解决方案，因此与新的AISG v3.0标准完全兼容。

那么为什么要采用新设计呢？

尽管Maxim的原始调制解调器可以满足新标准的需求，但v3.0中扩展的功能集也为改进调制解调器提供了机会。因此，Maxim设计了新型MAX11947，提高了性能并增加了一些功能。作为第一步，在调制解调器中添加了一个数字接口以及几个内部配置寄存器。这种新的SPI控制允许集成以前使用外部部件（如PA功率偏置网络）管理的功能。现在，它被整合为数字可调发射功率，并包括与可调PA功率相匹配的另一个功能，即可调接收灵敏度阈值。我们 包括 PA 输出 电阻 来 从 设计 的 物料清单 （BOM） 中 再 移除 一个 外部 元件， 最重要的是， 该 器件 增加 最大 的 特性 是 集成 4：1 端口 多路复用器。新的MUX在一个芯片中有效地提供了四个调制解调器，并促进了自动扫描功能，使开发人员能够与多达四个RF端口进行交互，以满足AISG v3.0的新ping要求。

集成 4：1 多路复用

v3.0要求在所有连接的RF信道上启动和检测ping数据包，这将允许最终用户映射电缆连接，识别多个初级和次级，并在初始组装期间查找接口中的故障等。如前所述，在示例中增加16个调制解调器IC是多余的，使用RF开关在端口之间共享AISG调制解调器可以更容易地满足。这成为新的、集成度更高的设备的主要动机。

这就是新型MAX11947的用武之地。集成的 4：1 多路复用器提供内置开关功能，大大减少了指定和测试额外电路的需求，同时降低了而不是增加了 BOM 要求。在前面的例子中，AISG v2.0系统中的6个调制解调器和支持v3.0的系统可能需要的16个调制解调器，由于其多路复用功能（图1中的紫色块），MAX11947调制解调器总共减少到只有5个。

自动端口扫描

将4：1多路复用器与我们的高性能AISG调制解调器集成，使得Maxim还包含一个专用的有限状态机，以一致驱动所有组件。新型MAX11947提供无代码、非微控制器的扫描端口和识别ping载波信号，用户干预极少。自动端口扫描功能将有助于映射硬件互连并查找射频布线系统的故障 - 使用比其他方式更少的IC组件完成该过程。

内部可调的发射功率

MAX11947对发送器输出功率的可调性与原来的MAX9947调制解调器相同，但现在通过SPI接口进行调整，而不需要在系统设计中包含固定的电阻值。通过改变寄存器中的可编程值，输出可以在约-0.5dBm至约+7.0dBm范围内以0.5dB步长调节（最高功率取决于电源电压）。这种对TX电源的数字控制为系统设计人员提供了即时功率调节能力，从理论上讲，一旦安装在现场，就可以获得更好的性能。这种可调功率还允许设计人员适应旁路通道的信号分配器，同时仍满足AISG发射器的功率要求（见图2B）。

有关可调TX功率的更多详细信息，请参见MAX11947数据资料的“输出功率控制”部分。

增加了 RX 阈值的可调性

与发射器可调输出功率一样，接收器阈值可能会受到功率分配器、线控滤波或RF通道上其他衰减因素的影响。遗憾的是，在原来的MAX9947调制解调器中没有可调的开/关门限。

MAX11947的另一个特点是能够像TX功率一样独立调整RX比较电平。这也是通过对内部寄存器进行编程来实现的，允许载波检测阈值范围从-15dBm到-21.5dBm。调制解调器还允许即时调整RX，再次允许系统设计人员将这种灵活性传递给最终用户。

有关可调RX灵敏度门限的更多详细信息，请参见MAX11947数据资料的“输入范围和灵敏度门限控制”和“串联衰减”部分。

新的省电模式

最初的MAX9947仅提供一种工作模式，要么上电并准备接收和发送，要么关断，没有任何功能。MAX11947具有多种电源模式：工作、待机和关断。这为系统设计人员提供了许多节省功耗的选择。

顾名思义，全工作模式的工作原理是器件中的所有内容都在运行，包括发射器和接收器路径、晶体振荡器和 SYNCOUT 系统（由一个晶体振荡器使用的初级/次级），以及数字寄存器和串行接口。

相反，待机模式禁用发射器电路。由于调制解调器将花费大部分时间侦听RF端口上的传入消息，因此使用待机模式可以节省大量功耗，通常电流消耗比全工作模式低11mA。这使系统能够以较低的功率设置持续侦听OOK信号，一旦即将发出消息，就可以使能发送器电路。

通过使用省电模式禁用发射器和接收器电路，可实现更多的节能。此模式可以最大限度地节省功耗（通常比工作模式低 20mA），同时仍允许调制解调器充当下游其他振荡器的主要振荡器。如果SYNCOUT缓冲器也关断，与工作模式相比，系统设计人员可以节省23mA以上的电流。

有关各种省电模式的更多详细信息，请参考MAX11947数据资料的“待机和关断工作模式”部分。

改进的频谱性能

MAX9947满足这些模板要求，同时在30MHz拐点处提供1~2dB的窄裕量。同样，具有竞争力的AISG调制解调器提供约4dB的裕量。

图4.比较光谱性能。

MAX11947超越了上一代调制解调器的一致性，在30MHz点为系统设计人员提供了约15dB的频谱模板裕量。

缓冲同步和继续操作

MAX9947和MAX11947均可用于初级/次级配置，节省晶体，从而降低BOM成本。最初的MAX9947由于没有低功耗模式而受到阻碍，该模式既能使XO电路工作又能节省功耗。

MAX11947解决了这一缺陷。新调制解调器提供待机和关断选项，包括在启用这些低功耗模式时使用振荡器电路的能力。

新型MAX11947的另一个特性是可调的SYNCOUT驱动能力。通过修改寄存器值，用户可以禁用输出（节省更多功率），将其设置为默认驱动电平（与原始MAX9947匹配），或者升压至正常驱动电流的2倍甚至4倍。为了保持漏极开路信号的相同输出电压电平，必须按比例调整上拉电阻。例如，在正常的1x设置下，推荐的上拉电阻是1k？而在 4x 电流模式下，上拉电阻应减小 4 倍，因此 250？电阻器。这个总上拉值可以实现为四个并联1k吗？电阻分布在“星形菊花链”拓扑中，如图5所示。如果主调制解调器和辅助调制解调器之间的走线距离较长，这可能会有所帮助。

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图 5.分布式同步星形菊花链。

备用调制解调器接口

控制最初的MAX9947的过程很简单：通过TXIN、DIR和RXOUT引脚将RS-485驱动器或微控制器（MCU）连接到经典的RS-485接口信号。新的MAX11947可以复制相同的过程，尽管现在这些相同的信号也镜像在SPI寄存器中。这意味着不需要额外的GPIO、UART或其他端口引脚即可与SPI和经典调制解调器信号接口。

通过从镜像的DIR和RXOUT位读取并写入TX_ON位，可以通过寄存器执行接口和控制。系统设计人员现在可以选择使用调制解调器作为RF端口和MCU之间的桥梁，而资源最少。

有关在不连接传统RS-485调制解调器引脚的情况下使用调制解调器的更多详细信息，请参考MAX11947数据资料的“备用调制解调器接口”部分。

结论

MAX11947专为满足新型AISG v3.0系统设计人员的需求而设计。它提供了扩展调制解调器卷筒的额外优势，并提供新的内置灵活性，而不仅仅是节省设计时间和BOM成本。

审核编辑：郭婷