Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2014 №11

Серия высокоскоростных 3G/4G-модемов AirPrime MC в конструктиве PCI Express Mini Cards

Алексеев Виктор


Канадская фирма Sierra Wireless выпускает широкий спектр модулей и модемов для высокоскоростных мобильных сетей. Особое место в номенклатуре продукции занимают модемы серии AirPrime MC, которые могут принимать данные от базовой станции со скоростью до 42 Мбит/с в сетях 3G и до 100 Мбит/с в LTE.

Серия AirPrime MC Series — законченные, полностью готовые к работе устройства для мобильной связи в сетях 3G/4G, выполненные в стандартном конструктиве PCI Express (PCIe) Mini Cards с поддержкой интерфейса USB 2.0. Основная отличительная черта устройств этой серии — форм-фактор Mini Cards (MC).

Особенности стандарта PCIe

Стандарт PCI Express разрабатывался в рамках проекта PCI Special Interest Group [18]. В нем сохранены такие важные параметры шины PCI, как программная модель и высокопроизводительный физический протокол, использующий последовательный интерфейс передачи данных. Особое внимание в этом стандарте уделяется скорости передачи данных.

Все модули, изготовленные в конструктиве PCIe, имеют одинаковый размер: 30×50,95 мм. Существует два вида Mini Card: Full-Mini Card и Half-Mini Card. Стандартом PCI Express Full-Mini Card жестко регламентируются длина, ширина и параметры интерфейсного разъема (рис. 1). Толщина модуля может варьироваться для каждой модели.

Габаритные размеры платы, регламентированные стандартом PCI Express Full-Mini Card

Рис. 1. Габаритные размеры платы, регламентированные стандартом PCI Express Full-Mini Card

На контактный разъем 52 (рис. 1) выведены шины × 1 PCIe, USB 2.0 и SMBus. В таблице 1 приведены названия и параметры сигналов этого интерфейса.

Таблица 1. Выводы карт стандарта Mini PCIe

№ вывода Назначение № вывода Назначение
51   52 +3,3 В
49   50 GND
47 Зарезервировано 48 +1,5 В
45   46 LED_WPAN#
43   44 LED_WLAN#
41 Зарезервировано (+3,3 В)42 LED_WWAN#
39 40 GND
37 Зарезервировано (GND) 38 USB_D+
35 GND 36 USB_D-
33 PETp0 34 GND
31 PETn0 32 SMB_DATA
29 GND 30 SMB_CLK
27 GND 28 +1,5 В
25 PERp0 26 GND
23 PERn0 24 +3,3 В aux
21 GND 22 PERST#
19 Зарезервировано (UIM_C4) 20 W_DISABLE#
17 Зарезервировано (UIM_C8) 18 GND
ПерегородкаПерегородка
15 GND 16 UIM_VPP
13 REFCLK+ 14 UIM_RESET
11 REFCLK- 12 UIM_CLK
9 GND 10 UIM_DATA
7 CLKREQ# 8 UIM_PWR
5 Зарезервировано (COEX2) 6 1,5 В
3 Зарезервировано (COEX1) 4 GND
1 WAKE# 2 3,3 В

Основные контакты, показанные в таблице 1, одинаковы для всех изделий стандарта PCIe [1]. Неподключенные выводы различные производители могут использовать по своему усмотрению. Так, например, в модулях серии AirPrime MC свободные выводы 45, 47, 49, 51 использованы для сигналов четырехпроводного UART. В то же время в варианте с поддержкой PCM эти выводы можно использовать для сигналов CLK/I2S, DOUT/I2S, DIN/I2S.

Стандарт PCI Express Mini Card поддерживает две основные системные шины: PCI Express и USB (рис. 2).

Интерфейсы, поддерживаемые стандартом PCI Express Mini Card

Рис. 2. Интерфейсы, поддерживаемые стандартом PCI Express Mini Card

Существуют три спецификации PCI Express Mini Cards (PCIe), обеспечивающие различную пропускную способность:

  • v1.x — 250 Mбит/с;
  • v2.x — 500 Mбит/с;
  • v3.0 — 1 Гбит/с.

Высокие скорости передачи данных возможны благодаря архитектуре стандарта, в котором используется пакетная сеть с топологией «звезда». Различные карты PCIe напрямую связаны соединением «точка-точка» с коммутатором. Таких линий может быть несколько. По существу, шина PCI Express представляет собой совокупность независимых последовательных каналов передачи данных с сигнальным уровнем 0,8 В.

В основе PCI Express заложен принцип независимых протоколов, каждый из которых может быть модернизирован независимо от остальных. Гибкость этого решения позволяет создавать различные топологические схемы с различными параметрами передачи данных.

В базовой спецификации v1.2 заложены такие важные функции, как:

  • создание виртуальных каналов;
  • гарантированная пропускная полоса и время отклика;
  • контроль качества передачи данных QoS (Quality of Service);
  • контроль целостности передаваемых данных (CRC);
  • удаленное управление питанием;
  • возможность «горячей» замены карт.

Перечисленные функции сохранены и в последующих спецификациях.

Характеристики модемов серии AirPrime MC

Конструктив PCI Express Mini Card позволяет легко интегрировать модули серии AirPrime MC в любые устройства, имеющие этот слот, такие, например, как различные одноплатные компьютеры, планшеты и ноутбуки (рис. 3).

Модули AirPrime MC

Рис. 3. Модули AirPrime MC можно легко интегрировать в любые устройства, имеющие слот PCI Express Mini Card

Стандарты передачи данных

В серии AirPrime MC представлены модемы, поддерживающие все существующие стандарты передачи данных в мобильных сетях: GPRS, EDGE, EV-DO, HSDPA, HSPA+, Dual-Cell HSDPA, HSUPA, LTE. Различные модели отличаются друг от друга стандартом сотовой связи, частотным диапазоном, наличием GNSS-приемника, дополнительными сервисными функциями. В настоящее время в серии выпускаются две основные группы модемов, предназначенные для сетей 3G (HSPA) и 4G (LTE).

Модемы с поддержкой HSPA — это четыре базовых семейства: MC809x, MC9090, MC870x, MC8805. Модемы MC5728V предназначены для работы с сетями EV-DO Rev A, 1xRTT, 800/1900 МГц. Сети DC-HSPA+ поддерживаются семейством модемов MC8805.

Технические характеристики модемов для сетей 3G приведены в таблице 2. Однако не указаны данные для моделей МС8700 и МС879х, поскольку базовые чипы этих модемов устарели, и их не рекомендуется использовать в новых разработках. Отметим лишь, что в том случае, когда не нужны аналоговый аудиоинтерфейс и АЦП, в новых изделиях вместо МС879х следует использовать модемы MC8090/MC8092. Модель МС8700 лучше всего заменить на МС8704/05.

Таблица 2. Параметры модемов AirPrime MC с поддержкой EV-DO и HSPA+

ПараметрMC5728V MC9090 MC809x MC870x MC8805
Стандарт беспроводной связиEV-DO Rev A, 1×RTT HSPA+, GSM/GPRS/EDGE,
EV-DO Rev A, 1×RTT
HSPA+, GSM/GPRS/EDGEDC-HSPA+,
HSPA+,
GSM/GPRS
Скорость передачи данных, Мбит Download Rate 3,1 HSPA+: 14,4
EVDO: 3,1
14,4 21,1 42
Upload Rate 1,8 HSPA+: 5,76
EVDO: 1,8
5,76
Диапазон частот WCDMA, МГц  850/900/1900/2100;
для MC8090: 800/850/1900/2100; для MC8092: 900/2100
2100 (B1), 1900 (B2),
850 (B5), 900 (B8)
Диапазон частот CDMA, МГц,
1×RTT/EV-DO Rev A
800/1900 
Диапазон частот GSM/GPRS/EDGE, МГц  850/900/1800/1900
Сертификаты соответствияFCC, IC FCC, IC, PTCRB, NCC MC8090: FCC, IC, PTCRB;
MC8092: CE, GCF-CC
CE, FCC, IC, NCC,
PTCRB, GCF-CC
CE, GCF, NCC
АудиоинтерфейсАналоговый 1 выход динамика,
1 вход микрофона
Цифровой PCM PCM-модификацияMC8704: I2S  
КодекHR, FR, EFR, AMR MC8704: AMR-NB,
GSM-EFR, GSM-FR,
GSM-HR, GSM CTM
 
UARTM-Wire (UART-модификация) 1×4-Wire (UART-модификация)   
Базовое напряжение Vref, В2,6 1,8   
Пользовательские вводы/выводы GPIO45  
Антенный разъем U.FL2 3 3 2 2
GNSSStandalone, gps OneTM Standalone, A-GPS, gps XTRAStandalone, A-GPS,
gps XTRA, Glonass
Интерфейсы внешнего управленияAT-команды, CnSAT-команды, Gobi API
Габаритные размеры, мм  51×30×4,5  51×30×2,7
Диапазон рабочих температур, °C-30...+75 -40...+85-25...+75

Общими для всех моделей с поддержкой EV-DO и HSPA+ являются: наличие функций эхоподавления и отключения основного радиоканала; интерфейс USB 2.0 High Speed. Все модули имеют драйверы для ОС Windows 7/8/Mobile 6.5/CE 6.0, Android, Linux.

Для работы в сетях LTE выпускаются модемы MC7304/7305/7330/7350/7354/7355 (табл. 3).

Таблица 3. Параметры модемов AirPrime MC с поддержкой LTE

Параметр MC7354 MC7350 MC7330 MC730x MC77xx
Стандарт беспроводной связиLTE, DC-HSPA+, HSPA+, HSDPA, HSUPA, WCDMA, GSM, GPRS,
EDGE, CDMA EVDO Release 0, EVDO Release A
(не поддерживается в модели MC7350-L)
LTE, DC-HSPA+, HSPA+, HSDPA, HSUPA, WCDMA, GSM, GPRS, EDGELTE, HSPA+, GSM/GPRS/EDGE, EV-DO Rev A, 1xRTT (в MC7750)
Скорость передачи Download Rate LTE: 100; HSPA+: 42; CDMA: 3,1100
данных, Мбит/с Upload Rate LTE: 50; HSPA+: 5,650
Диапазон частот LTE, МГц1900 (B2), AWS 1700/2100 (В4), 850 (B5), 700 (B13), 700 (B17), 1900 G Block (В25) AWS 1700/2100 (B4), 700 (B13), 1900 G Block (B25)
(не поддерживается в модели MC7350-L)
2100 (B1), 850 (B19), 1500 (B21) 2100 (B1), 1800 (B3), 2600 (B7), 900 (B8), 800 (B20) MC7700: 2100 (B1), AWS (B4), 700 (B17); MC7710: 2100 (B1), 1800 (B3), 2600 (B7), 900 (B8), 800 (B20); MC7750: 700 (B13)
Диапазон частот WCDMA, МГц2100 (B1), 1900 (В2), AWS 1700/2100 (B4), 850 (B5)2100 (B1), 850 (B5), 850 (B6), 850 (B19) 2100 (B1), 1900 (B2), 850 (B5), 900 (B8) MC7700: 2100 (B1), 1900 (B2), 850 (B5) MC7710: 2100 (B1), 900 (B8)
Диапазон частот CDMA, МГц, 1xRTT/EV-DO Rev ACellular 800 (BC0), PCS 1900 (BC1), Secondary 800 (BC10) (не поддерживается в модели MC7350-L)MC7750: 800 (BC0), 1900 (BC1)
Сертификаты соответствияFCC, NCC, ICJATE/TELEC, NCC CE, GCF, NCC MC7700: FCC, IC, NCC, PTCRB, JATE/TELEC; MC7710: CE, GCF-CC, NCC; MC7750: FCC, IC, NCC
Цифровой аудиоинтерфейсPCM/I2S 
Функция эхоподавленияДа 
Поддержка DTMFДа 
USBUSB 2.0 High SpeedUSB 2.0
ГНССStandalone, A-GPS, gps XTRA, Glonass  Standalone, A-GPS, gps XTRA
Габаритные размеры, мм51×30×2,751×30×4,75
Диапазон рабочих температур, °Cкласс "B" -40...+85-25...+60
класс "A" (3GPP compliant) -30...+70

Общими для всех моделей с поддержкой LTE являются: наличие функции MIMO, а также функций отключения основного радиоканала и приемника GNSS; возможность внешнего управления при помощи AT-команд и Gobi API; напряжение на вводах/выводах 1,8 В. Все модули имеют драйверы для ОС Windows 7/8/Mobile 6.5/CE 6.0, Android, Linux.

Практически все модели работают в диапазонах частот 850/900/1800/1900 МГц (GSM/GPRS/EDGE), исключение составляет MC7710 (900/1800/1900 МГц).

Следует обратить внимание на то, что модем MC7355 предназначен для эксплуатации в Северной Америке в сетях AT&T, Sprint, Verizon. Модель MC7330 разработана специально для эксплуатации в Японии в сетях NTT Docomo. А MC7305 может быть использован как в Европе, так и в Австралии, и в Африке. Список операторов сетей сотовой связи, поддерживающих LTE на территории РФ, приведен на сайте [3].

Практически все модемы могут работать в том стандарте, который поддерживается именно в данной географической точке. Если в этом месте нет сети 4G, модуль автоматически переключается в режим 3G. Если нет сети 3G, то модуль ищет сеть 2G и передает данные по каналам GPRS или EDGE.

Антенные разъемы

Все модули серии AirPrime МС имеют разъемы для подключения внешних антенн Hirose U.FL #CL331-0471-0-10. В зависимости от того, какие сети и ГНСС поддерживаются, разные модели имеют от одного до трех антенных разъемов. Во всех моделях есть Pin 52 — контактный стандартный разъем, который стыкуется с ответной частью разъемов, выпускаемых компаниями Tyco, Foxconn, Molex и др. Например, в отладочном комплекте Mini Card Dev Kit board использован разъем a Molex 67910-0001. В моделях с держателем SIM-карты установлены разъемы типа USIM ITT CCM03-3518.

Напряжение питания

Модули AirPrime MC спроектированы для работы с номинальным напряжением питания 3,3 В (допустимый диапазон 3-3,6 В). Исключение составляет модуль MC8201, у которого номинальное значение напряжения питания равно 3,8 В, а допустимый диапазон составляет 3,4-4,2 В. В модулях этой серии нет дополнительных стабилизаторов и фильтров напряжения питания. Поэтому внешнее напряжение питания должно быть стабилизированным и очищенным от пульсаций. Поэтому пульсации напряжения питания не должны превышать 200 мВ в размахе в диапазоне от 1 Гц до 100 кГц. В случае отклонения питающего напряжения от заданных параметров на время больше чем 10,5 с, модуль автоматически перезапускается. В этом случае хост-контроллер получает сообщение CnS notification (Return Radio Voltage — 0x0009) и вырабатывает управляющий сигнал. Контроль напряжения питания реализуется через вывод W_Disable#signal. Модуль будет находиться в выключенном состоянии, если на этом выводе низкий логический уровень. При автоматическом перезапуске на контакт W_Disable#signal подается последовательность импульсов длительностью 500 мс (для моделей MC8775/MC8775V это время составляет 50 мс).

В зависимости от напряжения питания возможны следующие режимы работы модулей:

  • «Отсоединен» (Disconnected): питание не подано, на всех блоках модуля напряжение равно нулю.
  • «Выключен» (Off): питание подано, но модуль выключен по управляющему контакту (на контакте W_Disable# signal низкий логический уровень).
  • «Нормальный режим работы» (Normal): полная функциональность модуля (Receive, Transmit, Sleep, Shutdown, USB).
  • «Режим полета» (Airplane mode): модуль включен, но радиочастотная часть не работает (Rx, Tx отключены, AT+CFUN = 0).

Температурный режим

В модулях этой серии реализованы также функции защиты от короткого замыкания и перегрева. Диапазон рабочих температур -40...+85 °С (для модулей серий МС87хх, МС77хх он значительно шире: -25...+60 °C). При достижении критических температурных значений (+108 °C) модуль автоматически выключается.

Особенности монтажа

Предусмотрено два способа монтажа модулей серии МС на плату. В одном случае модуль просто вставляется в слот PCIe. Если такого слота нет, установка на плату реализуется с помощью разъема AS0B226-S68K-7H и металлического фиксатора AS0B226-S68Q-7H. Установленный в разъем модуль жестко фиксируется защелками и не требует дополнительного крепления к плате.

Программная поддержка

Все модемы серии МС поддерживают комплект программного обеспечения (ПО) Sierra Wireless Watcher [2], которое позволяет в режиме реального времени контролировать такие параметры, как текущее состояние модема, статус соединения, уровень сигнала сети, а также информацию о роуминге. Программа предназначена для работы в ОС Windows Vista (32/64) / XP (32/64) / 7 (32/64), имеет простой и удобный интерфейс (рис. 4). Одной из наиболее важных функций является возможность удаленного обновления ПО.

Интерфейс программы Sierra Wireless Watcher

Рис. 4. Интерфейс программы Sierra Wireless Watcher

Версия Sierra Wireless Watcher 3.1 имеет GNSS-интерфейс, который позволяет работать с ГЛОНАСС- и GPS-протоколами. Программа может предоставлять текущую информацию о количестве и параметрах зарегистрированных спутников, а также навигационную информацию (координаты, скорость и т. д.). Предусмотрена возможность работы с электронными картами, что позволяет наблюдать объекты на карте местности в реальном масштабе времени.

Модемы серии AirPrime МС могут работать и без ПО Sierra Wireless. При использовании модемов с компьютерами, работающими под управлением Windows 7 (и выше), поддерживается утилита Windows Mobile Broadband, которая позволяет подключать пользователя к Интернету в автоматическом режиме.

Заключение

Модемы серии Sierra Wireless AirPrime MC нашли широкое применение в таких областях, как:

  • промышленные компьютеры;
  • ноутбуки и планшетные компьютеры;
  • М2М-приложения;
  • платежные терминалы, банкоматы и торговые автоматы;
  • аварийные системы;
  • системы спутникового мониторинга.

Среди оборудования серии AirPrime МС разработчики смогут найти конкретную модель, необходимую для решения их конкретной задачи, — от самых простых и дешевых модулей серии MC87xx до моделей последнего поколения серии MC73xx с поддержкой LTE, GPS, ГЛОНАСС.

Литература

  1. PCI Express Mini Card Electromechanical Specification Revision 1.2, PCI-SIG. www.pcisig.com
  2. http://www.sierrawireless.com/Support.aspx
  3. http://www.mforum.ru/news/article/100885.htm
  4. -->

    Сообщить об ошибке