專有無線系統的設計、仿真與文檔

標簽：sub-GHz 無線系統

引言

為短距離無線連接市場開發(fā)的標準在過去幾年中得到了廣泛接受，這已成為半導體市場上最值得注意的特點之一。這些標準包括藍牙、各種Wi-Fi、ZigBee，以及Wibree/超低功耗藍牙(Bluetooth ULP)和超寬帶等新興標準。

對于需要面對兩個或多個設備的無線連接應用，明智的設計人員通常會從這些標準中尋找一種解決方案，但是現有的無線標準并不總是能最好的適合應用的需求。

一個原因是這些標準都主要工作在免許可的2.4GHz頻段，這一頻段是全球通用的，并具有約為84MHz的帶寬。然而，2.4GHz頻段存在著不可忽視的共存問題，且在給定功率預算下的傳播距離較短，這使得人們對于較低的UHF頻段的興趣增加。通用頻率包括歐洲的 868MHz與433MHz、美國的902MHz至928MHz，以及日本的426MHz。它們通常被統稱為sub-GHz頻段，其中還包括其它1GHz以下的未許可頻段。由于缺乏1GHz以下的無線標準，設計人員傾向于使用專有物理層(PHY)與通信協議棧，來滿足他們的特定需求。

圖1所示的是大多數未許可sub-GHz頻率被采用的地區(qū)。

圖1、全球范圍內的sub-GHz頻段

Sub-GHz無線連接系統的仿真

使用Wi-Fi或藍牙等無線標準的優(yōu)勢在于標準工作組已經設定了數據速率、調制類型、輸出功率，以及頻率規(guī)劃，因此，設計人員無需考慮基本的國家標準。例如，藍牙設計人員可以確信標準參考設計滿足最大允許輻射功率、最大調制帶寬、輻射遮蔽，以及最小數量的跳頻信道，這些都可符合覆蓋2.4GHz ISM頻段的EN 300 440和FCC Part 15標準。

然而，在sub-GHz頻率，問題有些不同。頻段的不完整性導致sub-GHz的標準較少，因而大多數工作在sub- GHz應用的系統設計人員傾向于使用專有無線協議，自行選擇不同的系統參數。這么處理的風險是，給定的一組參數可能不符合國家標準，因此，ADI公司推出了ADI SRD Design Studio™工具，使用戶可以在實驗前對不同的設計進行仿真;它可以指導用戶完成設計過程，同時符合基本的標準。圖2所示的是這款工具所執(zhí)行的主要任務。

圖2、ADI SRD Design Studio的主要任務

在開發(fā)過程中需要考慮子系統的工作及參數，包括PLL優(yōu)化、RF濾波和匹配、數據速率和調制類型、解制過程、包數據格式化，以及平均功耗。系統設計人員通常依靠基于電子表格的工具和重復的實驗來優(yōu)化這些參數。按照慣例，時域分析可以使用基于SPICE的仿真器來進行，但要在頻域內進行精確的相位噪聲仿真，就只能使用專業(yè)軟件。否則，設計人員可能需要多次前往當地的認證實驗室以優(yōu)化系統，但這樣將會帶來高昂的開銷。

為了幫助設計人員應對這些挑戰(zhàn)，ADI公司推出了ADI SRD Design Studio免費軟件包，可以對采用ADF7xxx系列收發(fā)器和發(fā)射機的系統中的不同參數進行實時仿真和優(yōu)化。這款開發(fā)工具基于流行的 ADIsimPLL™軟件，并經過了增強，使用戶能夠利用虛擬頻譜分析儀在時域和頻域查看調制波形。此外，ADI SRD Design Studio可以構建指導用戶的路徑，并能將設計流程劃分為多個截然不同的任務，從而大幅簡化了整個開發(fā)過程，如表1所示。

表1、ADI SRD Design Studio提供的任務列表

操作概論

ADI SRD Design Studio的核心為ADF7xxx器件模型庫，其中包含了每個器件的參數化數據，例如，VCO和頻率合成器相位噪聲、VCO增益、頻率范圍、可用的數據濾波類型、靈敏度，以及噪聲系數。使用這些模型，設計人員就能夠利用用于調制RF載波的基帶數據來執(zhí)行非線性時域分析，獲得VCO的時域輸出。基帶數據可選擇偽隨機(PRBS)或周期(010101)樣式。與傳統的線性分析不同，非線性時域分析能夠精確的模擬VCO頻率跟蹤、非線性VCO增益曲線，以及電荷泵飽和等非線性效應。然后，對時域波形進行FFT變換，以獲得頻譜分析儀輸出。

通用的頻譜分析儀使用戶能夠像使用商用頻譜分析儀一樣調整分辨率帶寬、檢波器類型，以及掃描次數。分辨率帶寬可在 100Hz至300kHz之間進行設置，而測量范圍可在1kHz至3MHz之間選擇。用戶還可以選擇是使用峰值檢波器讓分析儀在各個FFT窗口中給出最大值，還是選擇均值檢波器讓分析儀在各個FFT窗口中給出平均值。這些可調參數非常有用，這是因為各個標準都指定了測量設備中應該采用的不同測量條件——包括分辨率帶寬、范圍，以及檢波器類型。在頻譜分析儀模式的各種預設測試中，仿真器考慮了所有這些方面。表2列出了這些有用的預設測試，它們意味著用戶能夠快速測試相關標準，而無需鉆研相關文件。

表2、頻譜分析儀模式的預設測量列表

除瞬態(tài)和頻譜分析儀模式之外，還可執(zhí)行PLL頻域分析來計算PLL環(huán)路濾波器件，并評估相位裕量和增益裕量。通過在仿真中調整PLL環(huán)路帶寬，用戶可以觀察到發(fā)送調制頻譜和相位眼圖開度的效果，這使用戶可以適當的優(yōu)化環(huán)路濾波器，而不必依賴于少量的供應商提供的濾波器選擇表或基本指南。在典型設置中，所有三個主要仿真可以在不到兩秒的時間內運行完畢。