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Hintergrund
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein serielles Hochgeschwindigkeits-Interface für Basisband-Funkanwendungen
und ein damit verbundenes Kommunikationsprotokoll. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein voll digitales Kommunikationsinterface
zwischen einem Funktransceiverchip und einem digitalen Basisbandprozessorchip
in einem drahtlosen Kommunikationssystem.
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Dadurch,
dass sich die Fabrikationstechniken für digitale logische Schaltkreise
ständig
verbessern, platzieren die Chipdesigner immer mehr datenverarbeitende
Komponenten und logische Funktionen auf einem Chip. Dadurch, dass
mehr Funktionalität
auf dem Chip platziert wird, werden die analogen Entwicklungen im Allgemeinen
durch digitale Verarbeitung ergänzt,
und digitale Kommunikationsinterfaces zwischen den Chips werden
zur Praxis. Das folgt dem generellen Trend der Industrie analog
durch digital zu ersetzen.
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15 stellt ein Beispiel für eine konventionelle
Lösung
eines solchen Kommunikationsinterfaces dar, bei dem ein analoges
Dateninterface zur Übertragung
der Sende- und Empfangsdatensignale und Steuersignale verwendet
wird. Bei früheren
Implementierungen wurden analoge Datenverbindungen zwischen den
beiden Chips gewählt,
im Allgemeinen ergänzt
durch ein drei-adriges Steuerinterface, wie es in 1 dargestellt ist. Oft wird vom Funkchip
ein Taktsignal bereitgestellt, wobei der Chip meist den benötigten Phase
Locked Loop Schaltkreis umfasst.
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Die
Nachteile einer analogen Datenübertragung
sind wohl bekannt. Sie ist empfindlicher auf Störsignale im Vergleich zu einem
volldigitalen Design und benötigt
daher ein sehr sorgsames Design des Chips und der gedruckten Schaltung.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kommunikationsinterface
zwischen einer Funktransceivereinheit und einer Basisbandeinheit
in einem drahtlosen Kommunikationssystem anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gelöst, wie
sie in den unabhängigen
Patentansprüchen
beschrieben sind.
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Das
Verfahren zur Übertragung
von Daten zwischen einer Funktransceivereinheit und einer dazugehörigen Basisbandeinheit
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Daten über ein serielles, digitales
Interface übertragen
werden unter Verwendung eines dazugehörigen Kommunikationsprotokolls.
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Entsprechend
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung werden die Sendesignale über mindestens ein
Paar von Sendeleitungen und die Empfangssignale über mindestens ein Paar von
Empfangsleitungen übertragen.
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Vorzugsweise
werden die I/Q-Datensamples, die Steuerdatensignale und die Steueradresssignale über die
Sendeleitungen in einem Multiplexverfahren übertragen. In derselben Weise
werden die I/Q-Datensignale, die Steuerdatensignale und die Steueradresssignale
auf den Empfangsleitungen ebenfalls in einem Multiplexverfahren übertragen.
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Gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung werden die Sendesignale über zwei
Paare von Sendeleitungen und die Empfangssignale über zwei
Paare von Empfangsleitungen übertragen.
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In
dieser zweiten Ausgestaltung werden die I-Datensamples, die Steuerdaten
und Adresssignale auf dem ersten Paar von Sendeleitungen übertragen,
wogegen die Q-Datensamples, die Steuerdaten und Adresssignale auf
dem zweiten Paar von Sendeleitungen übertragen werden. In gleicher
Weise werden die I-Datensamples, die Steuerdaten und Adresssignale
auf dem ersten Paar von Empfangsleitungen und die Q-Datensamples,
die Steuersignale und Adresssignale auf dem zweiten Paar von Empfangsleitungen übertragen.
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Zum
Zwecke der Synchronisation wird ein Taktsignal über ein separates Paar von
Taktleitungen übertragen.
Zusätzlich
wird ein Freigabesignal (enable) über eine Steuerleitung übertragen.
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Die
Vorrichtung gemäß der Erfindung
umfasst im allgemeinen ein serielles Interface, welches mindestens
ein Paar von Sendesignalleitungen, ein Paar von Empfangssignalleitungen,
ein Paar von Taktsignalleitungen und eine Steuerleitung umfasst.
Die Sendeleitungen sind derart ausgestaltet, dass sie eine Multiplex-Übertragung
von Datensignalen und Steuersignalen zwischen der Basisbandeinheit
und der Funktransceivereinheit erlauben, wogegen die Empfangsleistungen
derart ausgestaltet sind, dass sie eine Multiplex-Übertragung von Datensignalen
und Steuersignalen zwischen der Funkempfangseinheit und der Basisbandeinheit erlauben.
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Die
Datensignale umfassen I/Q-Datensamples, und die Steuersignale umfassen
Steuerdatensignale und Steueradresssignale.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Interface zwei Paare
von Sendeleitungen und zwei Paare von Empfangsleitungen.
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Gemäß der Erfindung
hat die digitale serielle Verbindung zwischen einer Funktransceivereinheit
und einer entsprechende Basisbandeinheit eine Anzahl von Vorteilen:
- – Der
Basisbandchip kann voll digital ausgeführt werden, was eine unkomplizierte
Implementierung in zukünftige
Halbleiterherstellungsprozesse erlaubt.
- – Alle
RF und Gemischtsignalblöcke
können
in einem einzigen Chip vorgesehen werden, dessen Prozesse für eine gute
Performance für
diese Art von Schaltkreisen optimiert ist.
- – Eine
digitale Leitung zwischen beiden Chips ist weniger empfindlich auf
Störungen
als eine analoge Leitung und erlaubt eine sehr viel flexiblere Implementierung
des endgültigen
Systems durch Vergrößerung des
maximalen Abstands zwischen den beiden Chips.
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Der
Nachteil eines digitalen Interface ist im Allgemeinen eine höhere Anzahlt
von Anschlusspins, die benötigt
wird, wobei jedoch das Interface gemäß der vorliegenden Erfindung
eine verringerte Anzahl von Anschlusspins hat, selbst geringer als
ein vergleichbares analoges Interface.
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Die
folgenden Beispiele beziehen sich insbesondere auf den IEEE 802.11
Standard für
drahtlose Kommunikation.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt eine erste Ausgestaltung
eines Interface gemäß der Erfindung;
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung
eines Interface gemäß der Erfindung;
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3 zeigt ein Signaldiagramm
zu Beginn eines Sende (Tx) Datenpakets im 802.11a Modus;
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4 zeigt ein Signaldiagramm
zu Beginn eines Sende (Tx) Datenpaketes im 802.11b Modus;
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5 zeigt ein Signaldiagramm
am Ende eines Sende (Tx) Datenpakets;
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6 zeigt ein Signaldiagramm
im Paket Präambel
Detektions-Modus;
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7 zeigt ein Signaldiagramm
im Register Lesezugriffsmodus;
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8 zeigt ein Signaldiagramm
zu Beginn eines Empfangs (Rx) Datenpakets im 802.11a Modus;
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9 zeigt ein Signaldiagramm
zu Beginn eines Empfangs-(Rx) Datenpakets im 802.11b Modus;
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10 zeigt ein Signaldiagramm
am Ende eines Empfangs (Rx) Datenpakets;
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11 zeigt das Steuer/TX Zustandsdiagramm
des Interface;
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12 zeigt das Rx Zustandsdiagramm
des Interface;
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13 zeigt ein Signaldiagramm
für ein
Interface gemäß 2 in einer Multi-Datenkonfiguration;
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14 zeigt Markierungen, die
in der Multi-Datenkonfiguration verwendet werden;
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15 zeigt ein konventionelles
Interface gemäß dem Stand
der Technik mit analogen Leitungen.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausgestaltungen
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Die
in den folgenden Bespielen beschriebene Erfindung erlaubt eine Verringerung
in Bezug auf Anzahl der Anschlüsse,
während
sie eine signifikanten Vorteil eines digitalen Interface bringt,
wie vorher beschrieben.
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Es
werden zwei Versionen des Interface vorgestellt, welche verschiedenen
Niveaus der Reduktion der Anschlüsse
entsprechen und in den 1 und 2 dargestellt sind.
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1 zeigt die grundlegende
Ausgestaltung des digitalen Kommunikationsinterface, welches zur
Verbindung einer digitalen Basisbandeinheit 1 mit einer
Funktransceivereinheit 2 verwendet wird. Das Kommunikationsinterface
umfasst ein erstes differenzielles Paar von Sendeleitungen (rf_txi)
und ein zweites differenzielles Paar von Sendeleitungen (rf_txq).
Auf den rf_txi und rf_txq Leitungen werden die I/Q-Sendedatensamples (TxData
I, TxData Q) und die Steuersignale (ControlData, ControlAddr) vom
Basisbandchip 1 zum Transceiverchip 2 übertragen.
Umgekehrt gibt es ein erstes differenzielles Paar von Empfangsleitungen
(rf_rxi) und ein zweites Paar von Empfangsleitungen (rf_rxq), über die
die I/Q-Empfangsdatensamples (RxData I, RxData Q) und Steuersignale
(ControlData, ControlAddr) vom Transceiverchip 2 zum Basisbandchip 1 übertragen
werden.
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Zum
Zwecke der Synchronisation ist ein differenzielles Paar von Taktsignalleitungen
(rf_fastclk) vorgesehen, über
welches ein Taktsignal, z. B. 240 MHz, von dem RF 2 zum
Baseband 1 übertragen
wird. Die Frequenz des Taktsignals kann in einem Stromsparmodus
reduziert werden. Des weiteren gibt es eine Steuerleitung (rf_en)
zur Freigabe der Übertragung
der Datensamples.
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2 zeigt eine zweite Ausgestaltung
des Kommunikationsinterface, welches nur ein Paar von Sendeleitungen
(rf_txd) und ein Paar von Empfangsleitungen (rf_rxd) aufweist, über die
die benötigten
Daten, d.h. I/Q-Datensamples,
Kontrolldatensignale und Kontrolladresssignale in einer gemultiplexten
Art übertragen
werden.
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In
beiden Ausgestaltungen sind alle Leitungen digital mit einer Multiplexung
der Steuer- und Datenleitungen. Der Unterschied zwischen den beiden
Ausgestaltungen ist die zusätzliche
Multiplexung der I- und Q-Datensignale in der zweiten Ausgestaltung
gemäß 2.
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In
beiden Ausgestaltungen macht die Bereitstellung eines Taktsignals
in der Funktransceivereinheit rf_fastclk bzw. rf_vfclk eine Taktregenerierung
im Basisbandchip überflüssig, so
dass dieser voll digital verbleiben kann. Es wird verwendet, um
die seriellen Daten ein- und auszutakten. Der Takteingang wird im
Basisbandchip ebenfalls auf die benötigen Betriebsfrequenz für diesen
Schaltkreis nach unten konvertiert.
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Das
Kommunikationsprotokoll, welches die Verwendung des beschriebenen
seriellen digitalen Interface erlaubt, wird unten beschrieben.
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Protokoll für das Kommunikationsinterface
von 1
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Die
Interfacesteuerung verwendet das Protokoll, um die Daten und Steuerinformation
zu multiplexen und in die parallelen und seriellen Bitstromformate
der entsprechenden Einheiten zu konvertieren.
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Es gibt zwei Arten von Übertragungsmodi:
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Die
Steuerinformationsübertragung
und die Datenübertragung.
Ein Transfer von Steuerinformationen umfasst das Senden von χ Bit von
Daten und Adressinformationen auf den beiden Tx Sende-Leitungen.
In den Zeitdiagrammen umfasst eine Übertragung von Datensamples
das Senden von zwei Datenworten von δTx und δRx Bit
auf den I und Q-Leitungen sowohl in Sende- Tx oder Empfangs Rx-Richtung.
Im vorliegenden Beispiel wird das am wenigsten signifikante Bit
(LSB) immer zuerst übertragen.
Alle Signale werden z.B. Durch Flip-Flops erzeugt, die durch die
ansteigende Flanke des Taktsignals angesteuert werden.
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Der
Wert von χ ist
z. B. 11 Bit. Der Wert für δ ist z. B. δTx = δRx =
11 Bit für
den Betrieb im 802.11 a Modus, δRx = 8 Bit für den Betrieb im 802.11 b Empfangsmodus
und δTx = 2 Bit im 802.11 b Sendemodus. Das entspricht
den Datenraten von:
- – 11 Bit Samples bei 20 MHz
im 802.11a Tx und Rx Modus
- – 2
Bit Samples bei 11 MHz im 802.11b Tx Modus
- – 8
Bit Samples bei 22 MHz im 802.11b Rx Modus.
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Bei
einem Takt von 240 MHz ist das Interface in der Lage bis zu 12-Bit
Samples bei 20 MHz zu übertragen.
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3 zeigt ein Beispiel für das Protokoll
am Beginn eines Tx Pakets im 802.11a Modus. Zuerst wird die Funktransceivereinheit
2 mit den korrekten Einstellungen programmiert, z. B. Tx Leistungsniveau,
Frequenz, etc. Der Tx und 802.11a Modus werden durch die Übertragung
von Steuerdaten ausgewählt,
wie es dargestellt ist. Nach dem Setzen des rf_en Freigabesignals,
welches ein einzelnes langsames Signal ist, auf ein High Potential
wird der Strom von Datensamples gestartet. Dann werden die Datensamples
von der Basisbandeinheit 1 zu der Transceivereinheit 2 gesendet.
Da der Anfang der Datenübertragung
durch eine „StartDaten" Markierung angezeigt
wird, wie in Tabelle 11 dargestellt, ist es möglich, eine etwaige Funkprogrammierung
durchzuführen,
bevor das erste Sample gesendet wird, selbst wenn rf_en auf High
ist. Die einzige Notwendigkeit ist, dass das Setzen des Tx Modus
durchgeführt
werden sollte, mindestens χ Zyklen,
bevor das erste Sample übertragen
wird. Das Sicherheitsintervall von χ Zyklen ist vorgesehen, um
einen korrekten Empfang des langsamen rf_en Signals zu erlauben
und Probleme aufgrund von Laufzeitverzögerungen zu vermeiden. Der
Wert für χ kann z.
B. 10 Zyklen betragen.
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4 zeigt die exakt selbe
Prozedur für
die Übertragung
eines Tx Pakets im 802.11 b Modus. Der einzige Unterschied ist die
reduzierte Anzahl von Bits für
jedes Sample.
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In 5 ist das Ende einer Übertragung
eines Tx Pakets dargestellt. Das Ende des Samplestroms wird von
der Basisbandeinheit 1 angezeigt durch Setzen des rf_en
Signals auf Low Potential. Wiederum wird eine minimale Zeit von χ Zyklen
garantiert, um sicher zu stellen, dass rf_en korrekt in der Transceivereinheit empfangen
wird, bevor jegliche neue Programmierungssequenz gestartet wird.
Die minimale Verzögerung
zwischen zwei RF Programmierungssequenzen ist demnach χ Zyklen.
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Die
Detektierung eines Datenpaketes ist in 6 dargestellt. Die Suchperiode startet
normalerweise nach dem Ende irgendeines Pakets durch Setzen der
Transceivereinheit 2 in den Empfangsmodus ohne das rf_en
Signal auf High zu setzen. Sobald ein Paket durch eine Präambel Detektierung
innerhalb der Transceivereinheit 2 gefunden wird, wird
eine CCA Markierung an die Basisbandeinheit 1 zurückgegeben.
Diesem folgt der Typ der detektierten Präambel, z. B. 802.11a oder 802.11b
Modus. Der Wert der empfangenen Signalstärkeintensität (RSSI: Receive Signal Strength
Intensity) kann aus dem entsprechenden Register der Transceivereinheit 2 ausgelesen
werden, wie weiter unter beschrieben ist.
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Die
Register der Transceivereinheit 2 können mit jeweils 16 Bit zur
Zeit gelesen oder beschrieben werden, wobei eine Sequenz verwendet
wird, die in 7 dargestellt
ist. Alle die Register der Transceivereinheit 2 können ausgelesen
werden. Die Registeradressen werden immer im selben Format übertragen
mit den Adressbits [a0, a1, a2] auf der 1-Leitung und den Adressbits
[a3, a4, a5] auf der Q-Leitung. Die Registerdaten haben ebenfalls
ein einziges Format, mit [d0 bis d7] auf der 1-Leitung und [d8 bis
d15] auf der Q-Leitung. Während
der Schreibzugriffe werden die Daten nachfolgend den Adressen gesendet.
Wenn der Anfang eines RX Paketes detektiert wurde, wird der empfangene
Datenstrom durch das rf_en Signal freigegeben. Die Transceivereinheit
sendet dann einen kontinuierlichen Samplestrom mindestens χ Zyklen
später,
wie es in den 8 und 9 dargestellt ist.
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Im
802.11 b Rx Modus sind die Samples nur 8 Bit lang. Da die rf_fastclk
bei 240 MHz weiterläuft,
ist es notwendig, den Samplestrom auf die benötigten 22 MS/s einzustellen,
was nicht direkt möglich
ist, wenn wir eine ganzzahlige Anzahl von Bits für jedes Sample verwenden. Um
die übertragene
Samplerate auf den aktuellen Samplestrom einzustellen, muss regelmäßig ein
Bit weggelassen werden, um das folgende, sich wiederholende Muster
zu bilden:
- – 1 Sample kodiert auf 10 Bit
- – 10
Samples kodiert auf 11 Bit.
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Unter
Verwendung dieses Schemas, werden 11 Samples in der Zeit von 120
Bit besendet. Diese Bits brauchen ½ Mikrosekunde, um bei 240
Mb/s übertragen
zu werden. Das bedeutet, dass 22 Samples pro Mikrosekunde gesendet
werden was einem Samplestrom bei 22 MS/s entspricht. 9 zeigt die Kürzung des ersten
Samples.
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Das
ist ein Beispiel, wobei auch andere Muster benutzt werden können. Im
802.11 b Tx Modus wird dasselbe Prinzip der Datenratenadaption benutzt. 4 zeigt das Kürzen des
ersten Musters.
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Die
Signalisierung am Ende der Übertragung
eines Rx Paketes ist in 10 dargestellt.
Die Basisbandeinheit 1 ist verantwortlich für die Festlegung
der Länge
des Rx Datenpakets und setzt das rf_en Signal zurück auf Low,
um dies dem Funktransceiver 2 mitzuteilen. Der Transceiver 2 stoppt
dann das Senden von Samples zu Basisbandeinheit nach etwa χ Zyklen
nach der fallenden Flanke des rf_en. Da die Funkprogrammierung asynchron
zu diesem Prozess ist, kann eine Registerprogrammierung zu jeder
Zeit in Bezug auf die fallende Flanke des rf_en im Empfangsmodus
stattfinden. Das Auslesen eines Registers kann frühestens χ Zyklen
nach der fallenden Flanke des rf_en erfolgen.
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Gemäß der Erfindung
werden individuelle Markierungssignale verwendet, um zwischen den
verschiedenen Befehlen und zwischen Steuer- und Datenmustern zu
unterscheiden. In Abhängigkeit
davon, welche Einheit 1 oder 2 gerade das Markierungssignal
sendet oder welche Einheit dieses gerade empfängt, wird das Markierungssignal
entweder auf den Sendeleitungen oder auf den Empfangsleitungen übertragen.
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Tabelle
1 zeigt eine generelle Beschreibung der Markierungen der verschiedenen
Signalisierungsmodi des grundlegenden Kommunikationsprotokolls.
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Zustandsdiagramme
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Die
Zustandsdiagramme (state machines) zum Betrieb des Interface sind
in den 11 und 12 gezeigt. Das Kontroll-
oder Steuer/TX Zustandsdiagramm gemäß 11 ist in der Basisbandeinheit 1 angeordnet,
während
das Rx Zustandsdiagramm gemäß 12 in der Transceivereinheit 2 angeordnet
ist. Diese Zustandsdiagramme sind voneinander unabhängig und
laufen gleichzeitig, d.h. der Empfang eines Programmierungswortes
in der Transceivereinheit 2 kann simultan zu einem Senden
eines Rx Musters erfolgen.
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Protokoll des Kommunikationsinterfaces
gemäß 2
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Der
grundlegende Unterschied zwischen dem zweiten Typ von Protokoll
und dem ersten Typ von Protokoll ist, dass in der zweiten Konfiguration
die beiden I/Q-Leitungen seriell gemacht wurden, wobei ein doppelt so
schnelles Taktsignal veryFastClk verwendet wird, und mit den I-Daten
gestartet wird. In der selben Weise werden die Steuerdaten und Steueradressinformationen
seriell übertragen.
Das bedeutet, dass alle übertragenen
Informationen auf einem Paar von Leitung gemultiplext sind, sowohl
im Tx als auch im Rx Modus. 13 zeigt,
wie die Serialisierung der I/Q-Daten und Steuerdaten arbeitet.
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Es
werden außerdem
Markierungen verwendet, um die Betriebsmodi zu identifizieren. 14 zeigt das Format der
Markierungen, die bei der zweiten Art vom Protokoll verwendet werden.
Die Markierungen können
im Allgemeinen aus der Tabelle 1 abgeleitet werden. Zusätzlich werden
den Markierungen ein Zyklus im High-Status auf der entsprechenden
Leitung vorangestellt.
