MAX11947的端口扫描操作

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。虽然这些变化对物理操作层几乎没有影响，但一个系统性的变化是显而易见的：蜂窝塔上的所有RF连接现在都需要AISG通信功能来实现PING功能。本应用笔记介绍了新型Maxim MAX11947，这是一款具有4：1多路复用器的AISG调制解调器，并展示了集成扫描功能如何帮助系统设计人员以更少的元件和更少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设备，放大器等的蜂窝基站时出现更多变化。该接口和通信标准最早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。本应用笔记介绍了最新Maxim产品的几个特性，用于满足当今和未来的可互操作通信需求。

AISG v2.0和MAX9947

2009年，Maxim Integrated推出了首款符合AISG v2.0物理层（PHY）标准的全集成调制解调器。[2].原装MAX9947[3]为无处不在的RS-485接口和搭载在蜂窝频段RF电缆上的2.176MHz OOK信号之间的转换提供了完整的解决方案。该解决方案可实现更紧凑的系统设计、节省空间、降低功耗和减少硬件，此外，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年提出了对已经成功的标准的升级。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路器件 （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是许多更高级功能的有用升级，但PHY层从v2.0到v3.0保持不变。[4].因此，原来的Maxim调制解调器（MAX9947）仍然完全兼容新的AISG v3.0标准。

MAX11947的升级特性

那么为什么要采用新设计呢？

尽管Maxim最初的AISG调制解调器仍然与新标准兼容，但我们认为最新版本的扩展功能为改进现有器件提供了机会。因此，我们设计了新型MAX11947。[5]具有多项性能改进和附加功能。作为第一步，我们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控制允许集成以前的外部功能，例如功率放大器（PA）功率偏置网络，现在集成为数字可调发射功率。我们 包括 PA 输出 电阻 以 从 设计 的 物料清单 （BOM） 中 移除 另外 一个 外部 元件， 以及 与 可调 PA 功率 匹配 的 另一个 特性： 可调 接收 敏感 度 门 限。最重要的是，该器件的最大功能是集成的4：1端口多路复用器。新的多路复用器有效地在一个芯片中提供了四个调制解调器，并有助于扫描多达四个端口以获取ping信号。

为什么要扫描？

扫描多个射频端口的能力随着AISG v3.0的发布而变得突出。新标准的一个目标是定义一个ping过程，以帮助映射布线连接，识别连接的初级和次级等。

如何实现这种新的ping过程的一个例子是在蜂窝网络系统上的塔式放大器（TMA）中。在图1所示的示例中，TMA显示了四个到天线阵列的上行连接和四个到基站的下行RF端口。

图1.AISG v3.0 架构。

只需一个MAX11947即可处理从四通道TMA到天线阵列的所有四个上游端口上的通信或ping。另一个MAX11947用于与基站的下游通信，也可以通过其他三个端口提供ping。这些调制解调器中的每一个都将使用 4：1 MUX 来监控每个端口的四个端口，第一个跨 P1–P4 查看，第二个用于端口 P5–P8，因此只需要两个设备，而以前需要八个设备来监视和通信八个射频端口。

当主（基站无线电）请求天线阵列 ping 截止 TMA 上游的电缆时，扫描变得很有用。四通道TMA上的上游调制解调器可以在每个端口上侦听ping信号，如果该信号未到达预期的端口，它可以快速确定它是否到达以及到达哪个端口。这种扫描功能有助于映射硬件互连并查找射频布线系统的故障。下游调制解调器上的多路复用器仅允许一个设备从四个RF端口中的任何一个ping到下面的基站连接 - 使用比以前需要的更少的IC组件完成映射过程。

端口扫描块

在RF端口中搜索有源ASIG信号需要两个主要要素：1）确定RF端口具有有源载波的能力和2）在多个RF端口之间切换的能力。

第一个功能是任何 AISG 调制解调器的原生功能。每当检测到2.176MHz载波时，调制解调器都会提供该输入信号的几个指示器：MAX11947的DIR和RXOUT引脚指示输入数据。

对于第二个功能，我们新的4：1 MUX提供了将调制解调器连接到多个端口的能力。借助内置的交换功能，端口扫描变得可行。

还有一个功能有助于自动执行扫描：内部状态机。Maxim Integrated预见到了这种协同作用，因此我们采用了专用有限状态机（FSM），以实现端口扫描过程的自动化，并减轻开发人员和MCU硬件的负担。寄存器用于配置状态机，允许自定义使用扫描功能。

使用端口扫描功能

在采用扫描之前，外部硬件环境需要反映在内部端口屏蔽位中。由于寄存器易失性，在电源被移除时会丢失，因此这些设置需要在MAX11947上电后进行编程。

对扫描寄存器进行编程

配置MAX11947进行扫描相对简单。基本上有四个与自动端口扫描系统相关的寄存器：SCAN （0x2）、PINGCFG （0x4）、DWELL_MULTI （0x5） 和 PORTSTAT （0x6）。一旦器件上电，这些寄存器可以按其默认配置使用，也可以自定义。

最好的起点是确定 4：1 MUX 上的哪些端口应包含在自动扫描过程中。这通常由硬件架构定义，FSM 只需要知道要包含在序列中的端口。默认情况下，将检查所有四个 MUX 端口是否有 AISG 载波信号（没有端口被屏蔽），扫描过程将连续监控每个端口一位，直到找到信号。要从扫描列表中删除RF端口，可以通过清除与不扫描的端口相关的位或位（MASK_P0到MASK_P3）来更改PINGCFG （0x4）寄存器。

MAX11947的默认数据速率设置为9600波特或9.6kbps，以适应默认的AISG v3.0标准。MAX11947仍支持其它数据速率（38.4kbps和115.2kbps），使MAX11947向后兼容早期方案。该波特率还设置了DIR停留时间（t住），并通过定义“位周期”（9.6kbps 默认设置为 0.104ms）为端口扫描功能提供基线计时器。侦听每个端口所花费的时间也可以扩展到用户定义的位周期整数计数。提供两个预配置周期：1x 位周期或 16x 位周期。设计人员还有另外两个选项可用：用户定义的乘法器（范围从 1x 到 4095x 位周期）或手动控制的等待/索引（可以比提供的任何其他停留时间更短或更长）。通过在 SCAN （0x2） 寄存器中设置SCAN_DWELL字段，可以选择手动模式、1x、16x 和用户编程的位周期。选择用户可编程位周期时，应将 DWELL 字段（PINGCFG （0x4） 和 DWELL_MULT （0x5））设置为所需的乘数。DWELL 字段默认为 82 倍乘数，该乘数应考虑 AISG v3.0 PING 信号的数据包长度。

“检查所有 RF 端口”的另一个选项为状态机提供了额外的灵活性。这迫使FSM继续寻找载波信号，即使在扫描过程中已经检测到载波信号。此选项由 SCAN （0x2） 寄存器中的CHK_ALL_PORTS字段控制。通过清除 SCAN （0x2） 寄存器中的FULL_DWELL字段，还可以覆盖停留时间。当此字段清除为“0”时，RF端口将被检测到的载波标记，然后状态机将立即移动到序列中的下一个未屏蔽端口。

在扫描过程中，模拟调制解调器电路完全正常运行，并通过适当设置DIR和RXOUT引脚来提供对2.176MHz OOK信号的正检测。选择具有默认设置的用户编程乘法器，将允许调制解调器在每个RF端口上侦听和解码完整的PING数据包。

扫描端口

启动扫描过程非常简单。配置 FSM 使用的变量后，用户只需在 SCAN （0x2） 寄存器中将START_SCAN位设置为“1”。此位是自我清除的。一旦该过程启动，FSM将接管自动扫描，并运行图2和图3所示的流程图（与MAX11947数据资料的图14相同）。

默认扫描

默认端口扫描流程的示例如图 2 所示。通过将START_SCAN位设置为“1”来启动扫描。按照图中的灰色流动，FSM 将自动在只读 PORTSTAT （0x6） 寄存器中设置 SCAN 位;它将启动LSTN_PORT位到 0 值（从射频端口 P0 开始）;状态机将清除所有AISG_Px位，然后进入“端口循环”。端口环路的第一步是将有源RF端口（复用器（0x1）寄存器中的RFPORT字段）设置为等于LSTN_PORT值，并开始如图2所示的绿色路径所示的“检测环路”。FSM 检查内部 DIR 信号，以确定模拟接收器中是否检测到载波。如果没有载波的证据，状态机将首先验证停留时间是否设置为乘数值（而不是手动设置），然后检查停留时间是否已过期。如果定时器尚未过期，则重复检测循环，直到检测到信号或停留时间到期。默认情况下，扫描将停留在每个未检测到的端口上 1 倍一个位周期或 0.104 毫秒。

图2.默认端口扫描图。

一旦检测到载波，FSM将遵循图2中的橙色路径。首先，它将标记找到信号的相应端口，然后状态机将检查是否未设置FULL_DWELL位（默认），最后，它将通过评估CHK_ALL_PORTS位值来确定是否应该扫描其他端口（默认情况下它们不是）。

一旦检测到 AISG 信号，PORTSTAT （0x6） 寄存器中的扫描位将被清除，自动扫描例程将退出。

手动驻留扫描

手动驻留端口扫描流程的示例如图 3 所示。通过将START_SCAN位设置为“1”来启动扫描。就像默认扫描一样，按照图中的灰色流，FSM 将自动在只读 PORTSTAT （0x6） 寄存器中设置 SCAN 位;它将启动值 0 的LSTN_PORT位（从射频端口 P0 开始）;状态机将清除所有AISG_Px位;然后它进入“端口环路”。设置有源RF端口后，状态机开始“检测环路”，这次遵循图3中的绿色路径。和以前一样，FSM检查内部DIR信号，以确定模拟接收器中是否检测到载波。如果没有载波的证据，并且SCAN_DWELL位清除为“0”（手动模式），状态机接下来将移动以检查 SCAN （0x2） 寄存器中的SCAN_INDEX位。如果尚未设置索引，则重复检测循环，直到检测到信号或SCAN_INDEX位设置为“1”。

图3.手动驻留端口扫描图。

检测到载波后，FSM 将遵循橙色路径。在此示例中，FULL_DWELL位也设置为“1”，使用户能够独占控制扫描何时移动到下一个端口。由于设置了完全停留，因此状态机将在标记找到信号的端口后返回到绿色手动停留环路。此过程将继续检测载体并返回绿色回路，直到载体不再存在，然后流量将返回到围绕绿色手动停留回路旋转。

索引扫描后，状态机将下拉紫色路径，并评估是否检测到信号。如果是这样，它将评估是否应该扫描所有RF端口。在本例中，CHK_ALL_PORTS位设置为“1”，因此该过程将通过所有未屏蔽的RF端口重复。

当用户手动索引所有端口时，状态机将按照红色路径完成端口扫描，方法是将 SCAN 位清除为“0”并退出手动驻留扫描例程。

通过此过程，用户可以完全控制端口扫描的时间，同时仍然自动化检测过程。考虑到SPI事务的长度和寄存器的写入速度，手动驻留扫描可以在任何地方运行，从非常快的停留时间到无限等待。为了确定可能的最快停留时间，我们取MAX11947接口的16位字长和使用的SCLK频率（典型值为8MHz至20MHz，取决于逻辑电源电平），然后计算SCAN_INDEX位的写入速度。使用5MHz SPI时钟时，可能大约每3.2μs一次，或者使用20MHz时钟，可能大约每0.8μs一次。考虑到使用2.176MHz载波频率和9.6kbps数据速率，所有四个RF端口的最快扫描主要受到检测载波的能力的限制，而不是状态机索引的速度。

不使用 FSM 进行扫描

不需要状态机来扫描端口。用户只需将多路复用器（0x1）寄存器中的RFPORT字段设置为感兴趣的端口，然后记下调制解调器的DIR和RXOUT引脚输出。这两个引脚还通过STATUS（0x7）寄存器中的内部位镜像，允许通过MAX11947的SPI接口对扫描过程进行全面的交互式控制。端口连接、时序和信号检测需要由系统设计人员使用寄存器读写操作来处理。

识别活动端口

自动或手动驻留端口扫描完成后，通过读取 PORTSTAT （0x6） 寄存器来识别活动端口（检测到 AISG 载波的射频端口）。任何较低半字节位中的“1”将指示检测到相应端口的载波。例如，如果位 0 （AISG_P0） 设置为“1”，则在扫描过程中在该端口检测到载波。

评估套件示例

通过延长MAX11947评估板上的停留时间，用户可以见证扫描过程的运行过程。

使用MAX11947评估板数据资料，按照步骤部分至步骤5 a。在步骤5-b-ii-3中，选择“用户定义的乘数”并在值框中输入“4095”，而不是将停留时间设置为“1X位周期”（请参阅图4中的注释）。这将导致每个端口扫描之间的 4095 位周期延迟，总扫描时间约为 2 秒。

接下来，设置发射机板和电缆连接，使接收板（P3）的最后一个端口具有有效的载波信号。作为替代方案，用户可以在“SCAN 模式”框中选择“检查所有未屏蔽的端口”，这将强制状态机侦听所有端口，而不管在何处检测到载波信号（参见图 4 中的红色框）。

最后，通过单击[开始扫描]按钮，用户将看到每个连续端口的LED从P0到P3依次亮起。扫描状态机完成该过程后，GUI 中的“AISG 载波”块将显示哪个 RF 端口具有检测到的载波（请参阅图 4 中的注释）。

图4.MAX11947评估板GUI扫描设置和结果

审核编辑：郭婷