作者：ADI戰略應用與產品定義團隊首席工程師Martin D. Stoehr

引言

過去十年來，蜂窩網絡和手機的普及導致對支持移動通信基礎設施的電子產品需求呈指數級增長。同時對更高帶寬的需求也在推動網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解決方案實現了更緊湊的系統設計，節省了空間、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數據包。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中的灰色區域）增加到15個（灰色加紅色區域）。

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）的端口上監聽，四個在下行端口上用于向基站廣播ping。基站需要另外的調制解調器：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數據包。

調制解調器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，以便在射頻端口之間共享AISG信號。在v2.0系統中，當預計只有一個射頻信道傳送AISG指令時，傳統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，同時允許系統在標準AISG通信和ping操作之間重新配置。

可調發射器功率

與舊式AISG設計一樣，需要調整發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. 發射功率和接收閾值

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、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，它可以關閉發射電路，節省少量電量。每節省一毫安都是有用的。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。市場上所有現有的AISG調制解調器都可以在系統內采用初級/次級（或主/從）電路架構，從而節省晶振，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，即使系統設計人員節省了元件，但功率預算并未節省。

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射器的頻譜純度。頻譜性能在AISG v3.0.0.3第10.3.11節《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射屏蔽

由于發射屏蔽沒有改變，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系統中使用v2.0調制解調器

所有提到的功能在經典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系統設計人員的需求。簡單地復制現有的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系統中是6個調制解調器，而支持v3.0的系統中可能需要16個調制解調器，現在集成4:1多路復用器（圖1中的紫色區域）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絡（電阻器）等部件現在可通過數字可調發射功率進行整合。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。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，并支持在現場安裝后提高系統性能。

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時代的經典調制解調器一樣，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。通過提供關斷模式，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，系統設計人員可以比運行模式節省23mA以上的電力。

這種新的調制解調器在頻譜合規性方面超越了前代調制解調器，現在為系統設計人員在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行。系統設計人員現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系統設計人員的需求。它具有更多的優勢，擴大了調制解調器的作用，同時帶來了新的內置靈活性，而不僅僅是節省設計時間和BOM成本。