設計實體層數據機以滿足 AISG v3.0 標準要求
前言：
作者: ADI GMSL 應用總監Martin D. Stoehr
簡介
過去十年來，蜂巢式網路和手機的普及，導致對支援移動通訊基礎設施的電子產品的需求呈指數級成長。同時對更高頻寬的需求也推動著網路供應商不斷擴大覆蓋範圍，同時增加蜂巢式密度；反過來，這也促進了對基礎設施硬體的需求。
十幾年前，製造商開始對蜂巢式無線電裝置的互通性進行標準化，允許在裝配帶有天線裝置、放大器等元件的蜂巢式基地台時有更多變化。該通訊標準由天線介面標準組織(AISG)於 2003 年和 2004 年首次制定[1]。AISG 標準隨著市場的擴大而不斷發展。以下考量了幾個能滿足當今和未來交互操作通訊需求的功能特點。
AISG v2.0 和實體層調變器
整合式調變器-解調器（數據機）於 2009 年推出，目的在為無處不在的 RS-485 介面和 2.176MHz OOK 訊號之間的轉換提供一個完整的綜合解決方案，該訊號由與蜂巢式射頻頻段支援相同電纜的通訊標準定義。IC 解決方案實現了更精小的系統設計，節省了空間、電源和硬體。此外，整合數據機能夠以小尺寸封裝提供簡單、成熟、經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通性。
新的 AISG v3.0 功能包括設備發現、連接映射和多主控制。雖然系統設計人員會發現，新標準對許多更高級別的功能來說是一個有益的升級，但物理(PHY)層從 v2.0 到 v3.0 卻保持不變[2][3]。因此，早期以 v2.0 標準推出的所有數據機仍然完全相容新的 AISG v3.0 標準。
需要一個以上的 AISG 通道
儘管從 AISG v2.0 升級到 v3.0 對系統的實體層影響很小，但新的 v3.0 標準會要求能夠在所有連接的射頻通道上啟動和檢測 ping 數據封包。這個要求有利於電纜連線的映射，使最終使用者能夠識別多個初級電路和次級電路，並在初始裝配和維護期間提供一個故障檢測工具。每個通道都需要能夠達到 AISG標準，雖然這個要求對最終用戶有所幫助，但這也為硬體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通道都具備通訊能力，而之前只有一個通道需要具備通訊能力。
要想將 AISG v2.0 架構直接轉換為相容 V3.0 的應用，所需的數據機數量是前代設計的兩倍以上；數據機需要從六個（圖 1 中的灰色區域）增加到 15 個（灰色加紅色區域）。
在上述示例中，每對天線保留兩個數據機，用於保持基地台提供商之間的相容性。不過，塔頂放大器(TMA)上需要七到八個數據機：四個在連接到天線陣列（上行）的埠上監聽，四個在下行埠上用於向基地台廣播 ping。基地台需要另外的數據機：一個用於原始 AISG 通道，另外三個用於從其它埠的 TMA 接收 ping 數據封包。
數據機 IC 數量如果超過 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 數量，以便在射頻埠之間共用 AISG 訊號。在 v2.0 系統中，當預計只有一個射頻通道傳送 AISG 指令時，傳統的旁路電路會很有用，它可以對訊號進行分接，同時仍然向上或向下傳遞訊號。然而，由於埠需要單獨識別，設計人員需要將上游和下游分支分開。在新的 v3.0 設計中使用以前的旁路架構要困難得多。
想要管理多個埠的 AISG 存取，同時不過度增加電子元件的數量，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工器可以將 OOK 訊號從選定的埠路由到更少的整體數據機，同時允許系統在標準 AISG 通訊和 ping 操作之間重新配置。
圖 1. AISG v2.0 與 v3.0 的應用實例
圖 2. 發射功率和接收閾值。
可調發射器功率
與舊式 AISG 設計一樣，調整發射器功率放大器的輸出位準是必須的。當電路使用分路器時，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 頻段中出現過度衰減，訊號功率調整也會很有用。早期的數據機通過選擇外部電阻值來提供這種調節能力。這些電阻用於設定功率放大器偏置點，並可針對數據機進行調整，以滿足 AISG 訊號要求（參見圖 2-A 和 2-B）。儘管 v2.0 版數據機有一些靈活性，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。
與發射器的功率下降類似，接收器閾值也可能受到功率分配器、線上濾波或射頻通道上其它衰減因素的影響。可惜的是，與可調功率放大器功率不同，在任何早期 v2.0 數據機中都沒有可調的開/關閾值。
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，功率預算限制會對更多關鍵設計項目產生壓力，尤其是當 ALD 硬體被擴展到更多通道，同時被迫放在一個更精小的空間裡時。讓不太關鍵的電路（即 AISG 數據機）有點靈活性，可為系統中的重要模組提供更多的功率預算。
市場上早期的 AISG v2.0 數據機具有低功耗待機模式，它可以關閉發射電路，節省少量電量。每節省一毫安培都是有所幫助的。不過，更好的設計，是不僅能夠關閉發射器，還能夠關閉接收器塊和數據機自身的其它未使用部分。與其它關斷功能相反的是，數據機需要足夠靈活方能平衡其它使用模式，比如參考共用。
共用參考振盪器
每個 AISG 數據機都需要一個參考訊號來生成 2.176MHz 載波。它通常配有一個 8.704MHz 晶振和一個整合振盪器電路。市場上所有現有的 AISG 數據機都可以在系統內採用初級/次級（或主/從）電路架構，從而節省晶振，降低 BOM 成本。
透過 SYNCOUT 針腳輸出緩衝訊號，每個晶片都可以充當下行數據機的主晶體振盪器(XO)。這個SYNCOUT 訊號是一個開漏輸出，需要一個簡單的外部上拉電阻連接到模擬電源，如此其才能正常工作。之後，將這個訊號傳播到初級數據機下游的其它次級數據機。下行數據機的數量是有限的，但可以使用此參考共用選項。
透過這種共用架構進行設計確實存在其缺點。使用任何經典的 v2.0 數據機，初級數據機都要消耗與任何次級數據機一樣多的功率。因此，即使系統設計人員節省了元件，但功率預算並未節省。
頻譜發射
最後，AISG 標準對 PHY 層的一個主要要求是數據機發射器的頻譜純度。頻譜性能在 AISG v3.0.0.3第 10.3.11 節《模組特性》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射，這往往是非常嚴格的。尤其是在 30MHz 的拐點處，任何諧波雜訊的絕對功率必須低於-67dBm，而且測試儀器的解析度頻寬(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準（即可調 TX功率）相平衡，保持在頻譜遮罩的絕對限制範圍內。功率放大器的功率增加過多可能會導致頻譜遮罩失效。
由於發射遮罩沒有改變，v2.0 市場上可用的整合數據機也符合 v3.0 標準，儘管它們通常在 30MHz的拐點處只提供 1~4dB 的狹窄餘量。因此，它們限制了功率放大器輸出功率的上限。
圖 3.AISG v3.0 標準數據機頻譜發射遮罩。
在新的 v3.0 系統中使用 v2.0 數據機
所有提到的功能在經典 v2.0 數據機中都有。由於 PHY 層基本上沒有變化，因此每一個舊款數據機都能滿足 ALD 系統設計人員的需求。簡單地複製現有的 AISG 解決方案，會佔用更多的電路板空間，這一點並不理想，其會影響系統的複雜性，並且可能會開始主導電源預算，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 市場上有一個全新、經過改良的替代方案。
新款 AISG 數據機提供的升級功能
ADI向市場推出的AISG v2.0 數據機是初期的MAX9947[4]。該元件仍然為 RS-485 和規定的 2.176MHz OOK 訊號之間的介面提供完整解決方案，因此它依然與新的 AISG v3.0標準完全相容。儘管早期的數據機也滿足新標準，但 v3.0 中擴大的要求為提升現有設計提供了良機。
MAX11947[5]具有多項性能改進和新增功能，以解決在較新系統中使用舊代 IC 時固有的諸多不足。新款數據機的主要功能特點是整合式 4:1 多工器。該多工器在一個晶片中有效提供四個數據機，便於自動掃描。這為開發人員提供了一個與多達四個射頻埠互動的工具，並且與原來的數據機相比其佔用的印刷電路板面積幾乎相同。這種整合式開關功能大幅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 系統中是 6 個數據機，而支援 v3.0 的系統中可能需要 16 個數據機，現在整合 4:1 多工器（圖 1 中的紫色區域）後，數據機減少到 5 個。新的數據機/多工器組合還提供了一種無代碼、非微控制器的方式來掃描埠和識別 ping 載波訊號，使用者干預非常少。自動埠掃描功能有助於繪製硬體互連圖，並協助查找射頻佈線系統內的故障，使用的 IC 元件比其它方式更少。
新的 SPI 介面不僅可以控制多工器和數據機，還可以整合以前透過外部元件管理的功能。功率放大器的功率偏置網路（電阻器）等部件現在可透過數位可調發射功率進行整合。該數據機並提供了一個新功能：可調接收靈敏度閾值。這兩項調整都有助於解決旁路系統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），而且新的數據機還可以獨立調整 RX 對比水準。這使得載波檢測閾值的範圍大約處於15dBm 到-21.5dBm 之間。可調 TX 功率和 RX 閾值可以動態修改，系統設計人員可將這種靈活性傳遞給最終用戶，並支持在現場安裝後提高系統性能。
新部件還整合了幾種電源模式，分別為：運行、待機和斷電。這為系統設計人員提供了多個改進功率預算的選項。待機模式可以像其他 v2.0 時代的經典數據機一樣，禁用發射器電路。與完全運行模式相比，這通常可以節省 11mA 的電力。透過提供關斷模式，禁用發射器和接收器電路，還可以更省電。這充分降低了功耗（一般會比運行模式低 20mA），同時仍然支援數據機充當其它下游設備的主振盪器。如果 SYNCOUT 緩衝器也關閉，系統設計人員可以比運行模式節省 23mA 以上的電力。
這種新的數據機在頻譜合規性方面超越了前代數據機，現在為系統設計人員在 30MHz 頻點的頻譜遮罩提供了大約 15dB 的餘量，從而使發射器功率設置具有更大的靈活性。
圖 4. 頻譜性能的比較。
最後，新元件還具有與序列介面相關的獨特功能：所有經典的數據機訊號都在 SPI 暫存器中進行鏡像。這意味著微控制器上不需要額外的 GPIO、UART 或其它埠針腳來連接數據機訊號。透過讀取和寫入鏡像位元，介面和控制功能都可以透過暫存器來執行。系統設計人員現在可以選擇使用數據機作為 RF 埠和 MCU 之間的橋樑，而且所需資源很少。
結論
MAX11947 的設計旨在滿足新AISG v3.0 系統設計人員的需求。它具有更多的優勢，擴大了數據機的作用，同時帶來了新的內建彈性，而不僅僅是節省設計階段和 BOM 成本。
參考資訊:
1 Antenna Interface Standards Group Standard No. AISG1: Issue 1.1. AISG, July 2004.
2 Antenna Interface Standards Group Standard No. AISG v2.0. AISG, June 2006.
3 Antenna Interface Standards Group Base Standard AISG v3.0 v3.0.1.1. AISG, May 2019.
