Серия высокоскоростных 3G/4G-модемов AirPrime MC в конструктиве PCI Express Mini Cards
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 [1]. 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.
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.
№ 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 |
Перегородка | Перегородка | ||
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).
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).
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.
Параметр | MC5728V | MC9090 | MC809x | MC870x | MC8805 | |
Стандарт беспроводной связи | EV-DO Rev A, 1×RTT | HSPA+, GSM/GPRS/EDGE, EV-DO Rev A, 1×RTT |
HSPA+, GSM/GPRS/EDGE | DC-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 соответствия | FCC, IC | FCC, IC, PTCRB, NCC | MC8090: FCC, IC, PTCRB; MC8092: CE, GCF-CC |
CE, FCC, IC, NCC, PTCRB, GCF-CC |
CE, GCF, NCC | |
Аудиоинтерфейс | Аналоговый | 1 выход динамика, 1 вход микрофона |
||||
Цифровой | PCM | PCM-модификация | MC8704: I2S | |||
Кодек | HR, FR, EFR, AMR | MC8704: AMR-NB, GSM-EFR, GSM-FR, GSM-HR, GSM CTM |
||||
UART | M-Wire (UART-модификация) | 1×4-Wire (UART-модификация) | ||||
Базовое напряжение Vref, В | 2,6 | 1,8 | ||||
Пользовательские вводы/выводы GPIO | 4 | 5 | ||||
Антенный разъем U.FL | 2 | 3 | 3 | 2 | 2 | |
GNSS | Standalone, gps OneTM | Standalone, A-GPS, gps XTRA | Standalone, A-GPS, gps XTRA, Glonass |
|||
Интерфейсы внешнего управления | AT-команды, CnS | AT-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).
Параметр | MC7354 | MC7350 | MC7330 | MC730x | MC77xx | |
Стандарт беспроводной связи | LTE, 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, EDGE | LTE, HSPA+, GSM/GPRS/EDGE, EV-DO Rev A, 1xRTT (в MC7750) | |||
Скорость передачи данных, Мбит/с |
Download Rate | LTE: 100; HSPA+: 42; CDMA: 3,1 | 100 | |||
Upload Rate | LTE: 50; HSPA+: 5,6 | 50 | ||||
Диапазон частот LTE, МГц | 1900 (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, МГц | 2100 (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 A | Cellular 800 (BC0), PCS 1900 (BC1), Secondary 800 (BC10) (не поддерживается в модели MC7350-L) | MC7750: 800 (BC0), 1900 (BC1) | ||||
Сертификаты соответствия | FCC, NCC, IC | JATE/TELEC, NCC | CE, GCF, NCC | MC7700: FCC, IC, NCC, PTCRB, JATE/TELEC; MC7710: CE, GCF-CC, NCC; MC7750: FCC, IC, NCC | ||
Цифровой аудиоинтерфейс | PCM/I2S | |||||
Функция эхоподавления | Да | |||||
Поддержка DTMF | Да | |||||
USB | USB 2.0 High Speed | USB 2.0 | ||||
ГНСС | Standalone, A-GPS, gps XTRA, Glonass | Standalone, A-GPS, gps XTRA | ||||
Габаритные размеры, мм | 51×30×2,7 | 51×30×4,75 | ||||
Диапазон рабочих температур, °C | класс «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.
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.
- PCI Express Mini Card Electromechanical Specification Revision 1.2, PCI-SIG. www.pcisig.com
- http://www.sierrawireless.com/Support.aspx
- http://www.mforum.ru/news/article/100885.htm