兼容AISG v3.0的物理层调制解调器设计

来源：analog 发布时间：2023-09-01

摘要： 随着2019年AISG v3.0标准的推出，天线线路通信实现了许多用例。虽然这些变化对操作的物理层几乎没有影响，但一个系统变化是明显的:蜂窝塔上的每个RF连接现在都需要AISG通信来服务ping功能。本文总结了硬件级别上的变化，并演示了带有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用更少的组件和更少的开发开销实现标准需求。

在过去的十年中，蜂窝网络和手机的激增导致了对支持移动通信基础设施的电子设备的指数级需求。同时，对更多带宽的需求也促使网络提供商在增加蜂窝密度的同时不断扩大其覆盖范围;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射频设备的互操作性，允许在蜂窝基站与天线装置、放大器等的组装中有更多的变化。该通信标准最初是由天线接口标准组织(AISG)于2003年和2004年制定的。AISG标准随着市场的扩大而不断发展。有几个特性被认为可以满足当前和未来的互操作通信需求。

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2.176 MHz OOK信号之间的转换提供了一个完整的、专注的解决方案，该信号由通信标准定义，使用与蜂窝射频频段相同的电缆。集成电路解决方案允许更紧凑的系统设计，节省空间，电源和硬件。此外，集成调制解调器在一个小封装中提供了简单，成熟，经过工厂测试的设备的可靠性。

AISG v3.0标准

AISG于2019年提出了对成功标准的升级。这一进化步骤建立在前几代成功的基础上，旨在添加新功能，同时保持主缆及其托管天线线设备(ald)的核心互操作性。

AISG v3.0的特性集包括设备发现、连接映射和多主控制。虽然系统设计人员可以发现该标准对许多高级功能的升级很有帮助，但物理(PHY)层从v2.0到v3.0保持不变(2,3)。因此，所有最初以v2.0引入的调制解调器仍然完全兼容AISG v3.0标准。

需要多个AISG通道

尽管从AISG v2.0到v3.0的步骤对系统的物理层影响很小，但v3.0标准要求能够在所有连接的RF信道上发起和检测ping数据包。这一要求有助于电缆连接的映射，允许最终用户识别多个主次电缆，并在初始组装和维护期间提供故障检测工具。虽然每个信道都需要了解AISG对最终用户有帮助，但它给硬件设计人员带来了很大的负担，要在所有可能的RF信道上包括通信功能，而以前只需要一个。

尝试将AISG v2.0架构直接转换为与v3.0兼容的应用程序可能需要比上一代设计多两倍多的调制解调器——从6个调制解调器(图1中的灰色块)增加到15个(灰色加红色块)。

在图1中，每个天线对保留两个调制解调器，以保持基站提供商之间的兼容性。然而，塔式放大器(TMA)需要7或8个调制解调器:4个用于监听连接天线阵列(上游)的端口，4个用于向基站广播ping信号的下游端口。基站需要额外的调制解调器:一个用于原始的AISG通道，另外三个用于从其他端口的TMA接收ping数据包。

超过15或16个调制解调器ic过多且效率低下，可以通过旁路电路或RF开关在RF端口之间共享AISG信号来减少。传统的旁路电路在v2.0系统中是有用的，当只有一个射频通道被期望携带AISG命令时，允许信号的分接，同时仍然在电缆上或下传递。然而，由于端口需要单独标识，设计师需要将上游和下游分支分开。在v3.0设计中使用以前的旁路架构要困难得多。

在不过度增加电子设备数量的情况下，管理跨多个端口的AISG访问的最终解决方案是使用一组RF开关。这些交换机或一对多多路复用器可以将OOK信号从选定的端口路由到更少的整体调制解调器，同时允许系统在标准AISG通信和ping操作之间重新配置。

可调发射机功率

与旧的AISG设计一样，有一个固有的需要调整发射机功率放大器(PA)的输出电平。当将功率分配器用于电路时，例如图1的v2.0 TMA示例中所示的旁路通道，此功能非常有用。如果由于射频滤波或有损连接导致2.176 MHz频段出现过度衰减，则信号功率调整也很有用。原始调制解调器通过选择外部电阻器值提供这种可调节性。这些电阻用于设置PA偏置点，并且可以调整以使调制解调器满足AISG信号要求(见图2a和2b)。虽然v2.0调制解调器具有一定的灵活性，但在设计阶段，PA的输出功率基本上是固定的，因为调整功率的唯一方法是更换偏置电阻。

与发射器功率下降类似，接收器阈值也可能受到射频信道上的功率分配器、在线滤波或其他衰减因素的影响。不幸的是，与可调节的扩音电源不同，在任何原始的v2.0调制解调器中都没有ON/OFF阈值的可调节性。

节能模式

在系统设计者的要求清单上，节能总是很高的。通常，功率预算限制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时，同时被迫进入更紧凑的空间。在不太关键的电路(即AISG调制解调器)上具有一定的灵活性可以使设计人员为系统中的重要模块提供更多的功率预算。

市场上最初的AISG v2.0调制解调器之一具有低功耗待机模式，该模式将关闭传输电路以节省适量的功率。每毫安都有帮助，但更好的设计不仅是关闭发射器的能力，还包括关闭接收器和调制解调器本身的其他未使用部分。与额外的断电功能相反，调制解调器需要足够灵活，以平衡其他使用模式，例如参考共享。

共享参考振荡器

每个AISG调制解调器都需要一个参考信号来产生2.176 MHz载波。这通常提供了一个8.704 MHz晶体和一个集成振荡器电路。市场上所有现有的AISG调制解调器都可以在系统内设计主/次(或主/次)电路，从而节省晶体，从而降低BOM成本。

每个芯片都可以作为下行调制解调器的主晶体振荡器(XO)，通过SYNCOUT引脚缓冲信号。这个SYNCOUT信号是一个开漏输出，它需要一个简单的外部上拉电阻来供电，所以它可以正常工作。然后，该信号被传播到主调制解调器下游的其他辅助调制解调器。下游调制解调器的数量有限，但是这个参考共享选项是可用的。

使用这种共享架构进行设计确实有一个缺点。使用任何经典的v2.0调制解调器，主调制解调器仍然需要消耗与辅助调制解调器一样多的功率。因此，即使系统设计者节省了组件，他们的电力预算也没有节省。

光谱排放

最后，AISG标准对物理层的一个主要要求是调制解调器发射机的光谱纯度。频谱性能在AISG v3.0.0.3，第10.3.11 -模块化特性中描述。严格的要求限制了PA的带外光谱发射，这往往是非常严格的。特别是在30 MHz膝频率下，任何谐波噪声的绝对功率必须低于-67 dBm，并且测试仪器的分辨率带宽(RBW)设置是最苛刻的。PA输出频谱也必须与整体功率电平(即可调发射功率)保持平衡，保持在光谱掩模的绝对限制范围内。增加功率过大可能导致频谱掩模失效。

由于没有改变发射掩模，v2.0市场上可用的集成调制解调器也符合v3.0标准，尽管它们通常只在30 MHz拐点提供狭窄的1 dB到~4 dB的余量;因此，它们限制了PA输出功率的上限。

在v3.0系统中使用v2.0调制解调器

上面提到的所有特性都可以在经典的v2.0调制解调器中使用。由于物理层本质上是不变的，每个旧的调制解调器满足一个ALD系统设计者的需要。简单地复制现有的AISG解决方案会有害地占用更多的电路板空间，影响系统复杂性，并可能开始主导电源预算，同时几乎没有提供性能改进，也没有提供功能升级。幸运的是，AISG v3.0市场有一个新的改进的替代方案。

升级特性支持AISG调制解调器

推出市场的第一个AISG v2.0调制解调器包括原始的MAX9947。该设备仍然为RS-485和定义的2.176 MHz OOK信号之间的接口提供了完整的解决方案;因此，它与AISG v3.0标准保持完全兼容。尽管原始调制解调器可以满足标准，但v3.0中扩展的需求为增强现有设计提供了机会。

MAX11947具有多项性能改进和附加功能，以解决在新系统中使用老一代ic所固有的许多缺点。调制解调器的主要特点是集成4:1多路复用器。该多路复用器有效地在一个芯片中提供四个调制解调器，并便于自动扫描。这为开发人员提供了一个工具，可以与多达四个RF端口进行交互，同时使用与原始调制解调器几乎相同的PCB占地面积。这种集成开关功能大大减少了指定和测试额外电路(如RF开关)的需要，同时降低了BOM要求。

如前面的例子所示，AISG v2.0系统中需要6个调制解调器，而支持v3.0的系统可能需要16个调制解调器，当合并集成的4:1 mux(图1中的紫色块)时，现在减少到只有5个调制解调器。调制解调器/mux组合还提供了一种无代码的、基于非微控制器的方式来扫描端口并识别ping载波信号，而用户干预很少。自动端口扫描功能有助于映射硬件互连和查找射频布线系统中的故障，以更少的IC组件完成整个过程。

SPI接口不仅可以控制多路复用器和调制解调器，还可以集成以前通过外部组件管理的功能。像PA功率偏置网络(电阻器)这样的部件现在通过数字可调发射功率集成。调制解调器还提供了一个新功能:可调的接收灵敏度阈值。这两种调整都有助于解决旁路系统固有的功率分裂问题，以及其他在线衰减问题。调制解调器不仅可以以0.5 dB的步进从-0.5 dBm左右调节到+7.0 dBm左右，而且还可以独立调节接收比较电平。这允许载波检测阈值的范围从大约- 15dbm到大约-21.5 dBm。可调节的发射功率和接收阈值可以实时修改，允许系统设计人员将这种灵活性传递给最终用户，并允许在现场安装后提高系统性能。

该设备还包含几种电源模式:工作模式、待机模式和关机模式。这为系统设计人员提供了许多选择来改善他们的功率预算。待机模式像v2.0时代的其他经典调制解调器一样禁用发射器电路，与全工作模式相比节省典型的11 mA。通过在断电模式下禁用发射器和接收器电路，可以实现更多的节省。这样可以最大限度地减少功耗(通常比工作模式低20毫安)，同时仍然允许调制解调器作为下游其他调制解调器的主振荡器。如果SYNCOUT缓冲器也关闭，系统设计人员可以与工作模式相比节省超过23ma。

该调制解调器的频谱遵从性超过了前一代调制解调器，现在给系统设计者在30 MHz点的频谱掩模提供了大约15 dB的余量，从而允许在发射机功率设置上有更大的灵活性。

最后，该设备具有与串行接口相关的独特功能:所有经典调制解调器信号都在SPI寄存器内镜像。这意味着在微控制器上不需要额外的GPIO、UART或其他端口引脚来与调制解调器信号进行接口。通过从镜像位读取和写入，接口和控制都可以通过寄存器执行。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之间的桥接，并且资源最少。