專有無線系統(tǒng)的設(shè)計、仿真與文檔

標簽：sub-GHz  無線系統(tǒng)

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(dǎo)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(shè)備的無線連接應(yīng)用，明智的設(shè)計人員通常會從這些標準中尋找一種解決方案，但是現(xiàn)有的無線標準并不總是能最好的適合應(yīng)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(yù)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(tǒng)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(shè)計人員傾向于使用專有物理層(PHY)與通信協(xié)議棧，來滿足他們的特定需求。

圖1所示的是大多數(shù)未許可sub-GHz頻率被采用的地區(qū)。

圖1、全球范圍內(nèi)的sub-GHz頻段

Sub-GHz無線連接系統(tǒng)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(jīng)設(shè)定了數(shù)據(jù)速率、調(diào)制類型、輸出功率，以及頻率規(guī)劃，因此，設(shè)計人員無需考慮基本的國家標準。例如，藍牙設(shè)計人員可以確信標準參考設(shè)計滿足最大允許輻射功率、最大調(diào)制帶寬、輻射遮蔽，以及最小數(shù)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(dǎo)致sub-GHz的標準較少，因而大多數(shù)工作在sub- GHz應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計人員傾向于使用專有無線協(xié)議，自行選擇不同的系統(tǒng)參數(shù)。這么處理的風險是，給定的一組參數(shù)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(shè)計進行仿真;它可以指導(dǎo)用戶完成設(shè)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(wù)。

圖2、ADI SRD Design Studio的主要任務(wù)

在開發(fā)過程中需要考慮子系統(tǒng)的工作及參數(shù)，包括PLL優(yōu)化、RF濾波和匹配、數(shù)據(jù)速率和調(diào)制類型、解制過程、包數(shù)據(jù)格式化，以及平均功耗。系統(tǒng)設(shè)計人員通常依靠基于電子表格的工具和重復(fù)的實驗來優(yōu)化這些參數(shù)。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(nèi)進行精確的相位噪聲仿真，就只能使用專業(yè)軟件。否則，設(shè)計人員可能需要多次前往當?shù)氐恼J證實驗室以優(yōu)化系統(tǒng)，但這樣將會帶來高昂的開銷。

為了幫助設(shè)計人員應(yīng)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(tǒng)中的不同參數(shù)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(jīng)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(diào)制波形。此外，ADI SRD Design Studio可以構(gòu)建指導(dǎo)用戶的路徑，并能將設(shè)計流程劃分為多個截然不同的任務(wù)，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(wù)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(shù)化數(shù)據(jù)，例如，VCO和頻率合成器相位噪聲、VCO增益、頻率范圍、可用的數(shù)據(jù)濾波類型、靈敏度，以及噪聲系數(shù)。使用這些模型，設(shè)計人員就能夠利用用于調(diào)制RF載波的基帶數(shù)據(jù)來執(zhí)行非線性時域分析，獲得VCO的時域輸出。基帶數(shù)據(jù)可選擇偽隨機(PRBS)或周期(010101)樣式。與傳統(tǒng)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(yīng)。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(diào)整分辨率帶寬、檢波器類型，以及掃描次數(shù)。分辨率帶寬可在 100Hz至300kHz之間進行設(shè)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(diào)參數(shù)非常有用，這是因為各個標準都指定了測量設(shè)備中應(yīng)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(yù)設(shè)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(yù)設(shè)測試，它們意味著用戶能夠快速測試相關(guān)標準，而無需鉆研相關(guān)文件。

表2、頻譜分析儀模式的預(yù)設(shè)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(diào)整PLL環(huán)路帶寬，用戶可以觀察到發(fā)送調(diào)制頻譜和相位眼圖開度的效果，這使用戶可以適當?shù)膬?yōu)化環(huán)路濾波器，而不必依賴于少量的供應(yīng)商提供的濾波器選擇表或基本指南。在典型設(shè)置中，所有三個主要仿真可以在不到兩秒的時間內(nèi)運行完畢。

傳播模型

鏈路分析工作表是ADI SRD Design Studio中另一項有用的工具，可用于估計各種條件下的鏈路預(yù)算和范圍。與所有其它任務(wù)一樣，它集成在主仿真器中。為符合輻射遮蔽而進行的數(shù)據(jù)速率更改將引起靈敏度的相應(yīng)變化，從而影響鏈路預(yù)算，并最終影響傳播范圍。與獨立工具集相比，這項功能的優(yōu)勢在于，一個參數(shù)的變化(如數(shù)據(jù)速率)將會影響到其它的工作表。

鏈路分析首先計算鏈路預(yù)算，也就是發(fā)送功率與接收靈敏度之間的差值，同時會考慮所有的濾波損耗或天線損耗。圖3所示的是用于這個仿真的器件設(shè)置。

圖3、鏈路分析模塊

然后，可以通過在仿真中增大天線之間的距離來確定范圍，直到路徑損耗等于鏈路預(yù)算為止，這個位置就是鏈路裕量等于0 dB的地方。路徑損耗通過用戶選擇的傳播模型進行計算;可支持三種不同的傳播模型：自由空間、地上，以及簡單室內(nèi)。

A. 自由空間的傳播模型

自由空間模型假設(shè)發(fā)射機與接收機之間不存在障礙物及任何明顯的反射物體(包括地)。用R表示發(fā)射機與接收機之間的空間距離，λ表示波長，PL表示路徑損耗，下式給出大多數(shù)實際的發(fā)射機/接收機布局的最大傳播距離。

B. 地上傳播模型

發(fā)射機位于地平面以上，高度為hT，接收機高度為hR，它們之間的距離為R。下式給出了清晰可視信道(LOS)條件下相當精確的結(jié)果——例如，在海灘或相對較寬的道路上。這個仿真表明，使用ADF7xxx器件有可能實現(xiàn)3km以上的傳播范圍，并且無需外部功放(PA)或低噪聲放大器(LNA)。

C. 簡單室內(nèi)傳播模型

上式中P0為1m處的路徑損耗，n為取決于環(huán)境的指數(shù)。參考文獻3列出了n在不同環(huán)境下(如工廠地面、多層辦公建筑等)的一些取值。大多數(shù)設(shè)計人員會根據(jù)經(jīng)驗結(jié)果來設(shè)定n的值。

ADI SRD Design Studio中的另一項有用的任務(wù)是包格式化工作表。它使用戶能夠輸入給定的包格式，了解包長度對電池壽命的影響，選擇能帶來低錯誤觸發(fā)幾率的同步字，并根據(jù)包長度將誤碼率(BER)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的誤包率(PER)。由于有些IC供應(yīng)商會以BER的形式表示靈敏度，而其它供應(yīng)商則會以PER的形式表示靈敏度，因此，從BER到PER的轉(zhuǎn)換是很有用的。

在實驗室測試仿真設(shè)置

一旦仿真完成，并獲得了可接受的結(jié)果，那么就可以保存文件，并把仿真設(shè)置輸出到ADI公司的ADF7xxx編程軟件中。然后，就可以使用程序設(shè)備應(yīng)用來 運行平臺測試。這一功能將向ADF7xxx編程軟件輸出頻率、數(shù)據(jù)速率、調(diào)制類型等，因此可在實驗室里進行快速的器件配置。平臺測量與仿真結(jié)果十分接近， 如圖4所示。在868MHz頻率下，對9.6 kbps GFSK信號的仿真與平臺測量結(jié)果非常吻合。當進行這些比較時，應(yīng)當注意仿真器需要采用與電路板上相同的PLL環(huán)路濾波器，因為它會影響輸出頻譜的形狀。

圖4、仿真和實驗室測量結(jié)果的比較