設(shè)計(jì)、仿真和記錄專有無線系統(tǒng)

為短距離無線連接市場開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)的廣泛接受是過去幾年半導(dǎo)體市場的顯著特征之一。這些標(biāo)準(zhǔn)包括藍(lán)牙，各種風(fēng)格的Wi-Fi，ZigBee和新興標(biāo)準(zhǔn)，如Wibree/藍(lán)牙ULP和超寬帶。

面對無線連接兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備的任務(wù)，明智的設(shè)計(jì)人員通常會(huì)從這些標(biāo)準(zhǔn)中尋找解決方案，但可用的無線標(biāo)準(zhǔn)并不總是最適合應(yīng)用的要求。

其中一個(gè)原因是，這些標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定在 2.4 GHz 的免許可頻段內(nèi)運(yùn)行，因?yàn)樗谌蚍秶鷥?nèi)被接受，帶寬約為 84 MHz。然而，在給定功率預(yù)算下，2.4 GHz頻段存在非平凡的共存問題和較低的傳播距離，導(dǎo)致對較低UHF頻段的興趣增加。常見的頻率包括歐洲的868 MHz和433 MHz，美國的902 MHz至928 MHz以及日本的426 MHz。這些通常統(tǒng)稱為sub-GHz頻段，它們包括低于1 GHz的其他未經(jīng)許可的頻段。 由于1 GHz以下的無線標(biāo)準(zhǔn)短缺，設(shè)計(jì)人員傾向于使用專有的物理層（PHY）和通信協(xié)議棧，然后可以根據(jù)其特定需求進(jìn)行定制。

Sub-GHz無線連接系統(tǒng)的仿真

使用Wi-Fi或藍(lán)牙等無線標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢在于，標(biāo)準(zhǔn)工作組已經(jīng)定義了數(shù)據(jù)速率、調(diào)制類型、輸出功率和頻率規(guī)劃，因此設(shè)計(jì)人員無需擔(dān)心底層國家法規(guī)。例如，藍(lán)牙設(shè)計(jì)人員可以確信標(biāo)準(zhǔn)參考設(shè)計(jì)滿足最大允許輻射功率、最大調(diào)制帶寬、發(fā)射模板和最小跳通道數(shù)，以滿足涵蓋 300.440GHz ISM 頻段的 EN 15 2 和 FCC Part 4 法規(guī)。

然而，在sub-GHz頻率下，問題略有不同。頻段的碎片化性質(zhì)導(dǎo)致sub-GHz的標(biāo)準(zhǔn)較少，因此大多數(shù)在sub-GHz下工作的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員傾向于使用專有的無線協(xié)議，可以自由選擇各種系統(tǒng)參數(shù)。這樣做的風(fēng)險(xiǎn)是，一組給定的參數(shù)可能不符合國家法規(guī)。因此，ADI SRD設(shè)計(jì)工作室?開發(fā)工具是為了允許用戶在進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前模擬各種場景;它指導(dǎo)用戶完成設(shè)計(jì)過程，同時(shí)牢記基本法規(guī)。它執(zhí)行的主要任務(wù)的圖形概述如圖 2 所示。

圖2.ADI SRD設(shè)計(jì)工作室主要任務(wù)概述。

開發(fā)過程中要考慮的子系統(tǒng)操作和參數(shù)范圍包括PLL優(yōu)化、RF濾波和匹配、數(shù)據(jù)速率和調(diào)制類型、解調(diào)過程、分組數(shù)據(jù)格式化和平均功耗。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常依靠基于電子表格的工具和迭代實(shí)驗(yàn)室工作的組合來幫助優(yōu)化這些參數(shù)。傳統(tǒng)上，可以使用基于SPICE的模擬器進(jìn)行時(shí)域分析，但通常只能使用專用軟件才能在頻域中執(zhí)行精確的相位噪聲仿真?；蛘撸O(shè)計(jì)人員可以多次前往當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)管測試機(jī)構(gòu)來優(yōu)化系統(tǒng)，但這可能很昂貴。

為了幫助應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，ADI公司發(fā)布了一款名為ADI SRD Design Studio的免費(fèi)軟件包，允許使用ADF7xxx系列收發(fā)器和發(fā)送器對各種系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和優(yōu)化。該開發(fā)工具基于流行的ADIsimPLL。?軟件，經(jīng)過增強(qiáng)，允許用戶使用虛擬頻譜分析儀查看時(shí)域和頻域中的調(diào)制。除此之外，ADI SRD Design Studio大大簡化了整個(gè)開發(fā)過程，創(chuàng)建了一條可以引導(dǎo)用戶的路徑，并將設(shè)計(jì)工作流程分解為許多不同的任務(wù)，如表1所示。

表 1.ADI SRD設(shè)計(jì)工作室中可用的任務(wù)列表。

操作的基本概述

ADI SRD Design Studio的核心是一個(gè)ADF7xxx器件模型庫，其中包含每個(gè)器件的參數(shù)化數(shù)據(jù)，例如，包括VCO和頻率合成器相位噪聲、VCO增益、頻率范圍、可用數(shù)據(jù)濾波器類型、靈敏度和噪聲系數(shù)。使用這些模型，使用用于調(diào)制RF載波的基帶數(shù)據(jù)執(zhí)行非線性時(shí)域分析，以獲得VCO的時(shí)間序列輸出?；鶐?shù)據(jù)可以選擇偽隨機(jī)（PRBS）或周期性（010101）模式。與傳統(tǒng)的線性分析不同，VCO牽引、非線性VCO增益曲線和電荷泵飽和等非線性效應(yīng)可以精確建模。然后對時(shí)域波形執(zhí)行FFT，以獲得頻譜分析儀輸出。

多功能頻譜分析儀允許用戶像商用頻譜分析儀一樣調(diào)整分辨率帶寬、探測器類型和掃描次數(shù)。分辨率帶寬可在 100 Hz 至 300 kHz 范圍內(nèi)設(shè)置，而跨度可在 1 kHz 至 3 MHz 之間選擇。 用戶還可以選擇是使用峰值還是平均檢測器，指示分析儀分別獲取每個(gè)FFT箱中的最大值或平均值。調(diào)整這些參數(shù)非常有用，因?yàn)槊總€(gè)監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了不同的測量條件，包括測量設(shè)備中應(yīng)使用的分辨率帶寬、跨度和檢測器類型。模擬器在頻譜分析儀模式下可用的各種預(yù)設(shè)測試中考慮了所有這些因素。表 2 中列出的這些有用的預(yù)設(shè)測試意味著用戶可以快速測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，而無需仔細(xì)研究文檔。

表 2.頻譜分析儀模式下的預(yù)設(shè)測量值列表。

除了瞬態(tài)和頻譜分析儀模式外，還執(zhí)行PLL頻域分析，以計(jì)算PLL環(huán)路濾波器組件并估計(jì)相位和增益裕量。通過在仿真中調(diào)整PLL環(huán)路帶寬，用戶可以看到對發(fā)射調(diào)制頻譜和相位圖眼圖開度的影響。這允許對循環(huán)篩選器進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，而不必依賴一小部分供應(yīng)商篩選器表或基本準(zhǔn)則。在典型設(shè)置中，所有這三個(gè)主要模擬都在不到兩秒鐘的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。

傳播模型

ADI SRD Design Studio軟件包中的另一個(gè)有用工具是鏈路分析工作表，用于估算各種條件下的鏈路預(yù)算和范圍。與所有其他任務(wù)一樣，它已集成到主模擬器中。數(shù)據(jù)速率的變化符合發(fā)射模板將導(dǎo)致靈敏度的相應(yīng)變化，從而影響鏈路預(yù)算，并最終影響傳播范圍。與一組獨(dú)立工具相比，此功能具有優(yōu)勢，因?yàn)橐粋€(gè)參數(shù)（如數(shù)據(jù)速率）的更改將波及到其他工作表。

鏈路分析首先計(jì)算鏈路預(yù)算，即發(fā)射功率和接收靈敏度之間的差異，同時(shí)考慮任何濾波器或天線損耗。此仿真的器件設(shè)置如圖3所示。

圖3.鏈接分析塊。

然后，可以通過增加仿真中天線之間的距離來確定范圍，直到路徑損耗等于鏈路預(yù)算，即鏈路裕量為0 dB的點(diǎn)。路徑損耗是使用用戶選擇的傳播模型計(jì)算的;支持三種不同的傳播模型：自由空間、地面和簡單室內(nèi)傳播。

A. 自由空間傳播模型

自由空間模型假設(shè)發(fā)射器和接收器之間沒有障礙物，也沒有任何重要的反射物體（包括地面）。發(fā)射器和接收器之間的間距、R、波長、λ 和路徑損耗，PL，以下公式傾向于為大多數(shù)實(shí)際的發(fā)射器/接收器放置提供樂觀的傳播范圍。

B. 地上傳播模型

在這里，發(fā)射器處于高度，hT，在平坦的地面上方，接收器處于高處，hR，間距為 R。此公式可在清晰視線 （LOS） 條件下（例如，在海灘或相對寬闊的道路上）提供相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果。仿真表明，使用ADF3xxx器件可以實(shí)現(xiàn)大于7 km的傳播范圍，而無需外部功率放大器（PA）或低噪聲放大器（LNA）。

C. 簡單室內(nèi)傳播模型

哪里P0是 1 m 處的路徑損耗，n 是值取決于環(huán)境的指數(shù)。參考文獻(xiàn) 3 列出了各種環(huán)境中 n 的一些報(bào)告值，例如工廠車間、多層辦公樓等。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)果插入一個(gè)值 n。

ADI SRD Design Studio中的另一個(gè)有用任務(wù)是數(shù)據(jù)包格式化工作表。這允許用戶輸入給定的數(shù)據(jù)包格式并查看數(shù)據(jù)包長度對電池壽命的影響，選擇將導(dǎo)致低誤觸發(fā)概率的同步字，并根據(jù)數(shù)據(jù)包長度將誤碼率 （BER） 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤率 （PER）。BER到PER轉(zhuǎn)換非常有用，因?yàn)橐恍㊣C供應(yīng)商根據(jù)BER指定靈敏度，而其他IC供應(yīng)商則以PER指定靈敏度。

在實(shí)驗(yàn)室中測試仿真設(shè)置

仿真完成且結(jié)果可接受后，可以保存文件并將仿真設(shè)置導(dǎo)出到ADI公司的ADF7xxx編程軟件。然后，可以使用程序設(shè)備實(shí)用程序運(yùn)行臺架測試。此功能會(huì)將頻率、數(shù)據(jù)速率、調(diào)制類型等導(dǎo)出到ADF7xxx編程軟件，從而可以在實(shí)驗(yàn)室中快速配置器件。工作臺測量與模擬結(jié)果相比相當(dāng)好，如圖4所示。9 MHz 時(shí) 6.868 kbps GFSK 信號的仿真和臺架測量非常吻合。運(yùn)行這些比較時(shí)，應(yīng)注意仿真器使用與電路板上相同的PLL環(huán)路濾波器，因?yàn)檫@會(huì)影響輸出頻譜的形狀。

圖4.模擬和實(shí)驗(yàn)室測量的比較。

總結(jié)

由于ADI公司致力于改進(jìn)軟件，因此在線論壇允許用戶發(fā)布可疑的錯(cuò)誤、問題或?qū)浖乱淮涡抻喌慕ㄗh。該論壇在Radiolab網(wǎng)站上舉辦，可通過ADI SRD設(shè)計(jì)工作室訪問該網(wǎng)站。用戶還應(yīng)定期查看本網(wǎng)站以獲取軟件的補(bǔ)丁或升級。

隨著ADI公司擴(kuò)展其產(chǎn)品組合，無線器件將添加到軟件工具中，包括不同頻率的器件，并支持不同的調(diào)制方案。ADI SRD Design Studio應(yīng)成為無線連接設(shè)計(jì)人員工具包中非常有用的一部分，也是使用ADI公司ADF7xxx系列發(fā)送器或收發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)的必備部分。

審核編輯：郭婷