專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)系統的設計、仿真與文檔

標簽：sub-GHz 無(wú)線(xiàn)系統

引言

為短距離無(wú)線(xiàn)連接市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的標準在過(guò)去幾年中得到了廣泛接受，這已成為半導體市場(chǎng)上最值得注意的特點(diǎn)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(gè)或多個(gè)設備的無(wú)線(xiàn)連接應用，明智的設計人員通常會(huì )從這些標準中尋找一種解決方案，但是現有的無(wú)線(xiàn)標準并不總是能最好的適合應用的需求。

一個(gè)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(zhù)不可忽視的共存問(wèn)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(chēng)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(wú)線(xiàn)標準，設計人員傾向于使用專(zhuān)有物理層(PHY)與通信協(xié)議棧，來(lái)滿(mǎn)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。

圖1、全球范圍內的sub-GHz頻段

Sub-GHz無(wú)線(xiàn)連接系統的仿真

使用Wi-Fi或藍牙等無(wú)線(xiàn)標準的優(yōu)勢在于標準工作組已經(jīng)設定了數據速率、調制類(lèi)型、輸出功率，以及頻率規劃，因此，設計人員無(wú)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(mǎn)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(wèn)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(zhuān)有無(wú)線(xiàn)協(xié)議，自行選擇不同的系統參數。這么處理的風(fēng)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(hù)可以在實(shí)驗前對不同的設計進(jìn)行仿真;它可以指導用戶(hù)完成設計過(guò)程，同時(shí)符合基本的標準。圖2所示的是這款工具所執行的主要任務(wù)。

圖2、ADI SRD Design Studio的主要任務(wù)

在開(kāi)發(fā)過(guò)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(lèi)型、解制過(guò)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(shí)驗來(lái)優(yōu)化這些參數。按照慣例，時(shí)域分析可以使用基于SPICE的仿真器來(lái)進(jìn)行，但要在頻域內進(jìn)行精確的相位噪聲仿真，就只能使用專(zhuān)業(yè)軟件。否則，設計人員可能需要多次前往當地的認證實(shí)驗室以?xún)?yōu)化系統，但這樣將會(huì )帶來(lái)高昂的開(kāi)銷(xiāo)。

為了幫助設計人員應對這些挑戰，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(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和優(yōu)化。這款開(kāi)發(fā)工具基于流行的 ADIsimPLL™軟件，并經(jīng)過(guò)了增強，使用戶(hù)能夠利用虛擬頻譜分析儀在時(shí)域和頻域查看調制波形。此外，ADI SRD Design Studio可以構建指導用戶(hù)的路徑，并能將設計流程劃分為多個(gè)截然不同的任務(wù)，從而大幅簡(jiǎn)化了整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)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(gè)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(lèi)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(lái)執行非線(xiàn)性時(shí)域分析，獲得VCO的時(shí)域輸出?；鶐祿蛇x擇偽隨機(PRBS)或周期(010101)樣式。與傳統的線(xiàn)性分析不同，非線(xiàn)性時(shí)域分析能夠精確的模擬VCO頻率跟蹤、非線(xiàn)性VCO增益曲線(xiàn)，以及電荷泵飽和等非線(xiàn)性效應。然后，對時(shí)域波形進(jìn)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(hù)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(lèi)型，以及掃描次數。分辨率帶寬可在 100Hz至300kHz之間進(jìn)行設置，而測量范圍可在1kHz至3MHz之間選擇。用戶(hù)還可以選擇是使用峰值檢波器讓分析儀在各個(gè)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(gè)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(gè)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(lèi)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(zhù)用戶(hù)能夠快速測試相關(guān)標準，而無(wú)需鉆研相關(guān)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，還可執行PLL頻域分析來(lái)計算PLL環(huán)路濾波器件，并評估相位裕量和增益裕量。通過(guò)在仿真中調整PLL環(huán)路帶寬，用戶(hù)可以觀(guān)察到發(fā)送調制頻譜和相位眼圖開(kāi)度的效果，這使用戶(hù)可以適當的優(yōu)化環(huán)路濾波器，而不必依賴(lài)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(gè)主要仿真可以在不到兩秒的時(shí)間內運行完畢。