專有無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真與文檔

標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)之一。這些標(biāo)準(zhǔn)包括藍(lán)牙、各種Wi-Fi、ZigBee，以及Wibree/超低功耗藍(lán)牙(Bluetooth ULP)和超寬帶等新興標(biāo)準(zhǔn)。

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(jì)人員通常會從這些標(biāo)準(zhǔn)中尋找一種解決方案，但是現(xiàn)有的無線標(biāo)準(zhǔn)并不總是能最好的適合應(yīng)用的需求。

一個原因是這些標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(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)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(jì)人員無需考慮基本的國家標(biāo)準(zhǔn)。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、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(biāo)準(zhǔn)。

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(biāo)準(zhǔn)較少，因而大多數(shù)工作在sub- GHz應(yīng)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)是，給定的一組參數(shù)可能不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，因此，ADI公司推出了ADI SRD Design Studio™工具，使用戶可以在實(shí)驗(yàn)前對不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真;它可以指導(dǎo)用戶完成設(shè)計(jì)過程，同時符合基本的標(biāo)準(zhǔn)。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(jì)人員通常依靠基于電子表格的工具和重復(fù)的實(shí)驗(yàn)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(jìn)行，但要在頻域內(nèi)進(jìn)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(jì)人員可能需要多次前往當(dāng)?shù)氐恼J(rèn)證實(shí)驗(yàn)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(jì)人員應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，ADI公司推出了ADI SRD Design Studio免費(fèi)軟件包，可以對采用ADF7xxx系列收發(fā)器和發(fā)射機(jī)的系統(tǒng)中的不同參數(shù)進(jìn)行實(shí)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(qiáng)，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(jì)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(jì)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?；鶐?shù)據(jù)可選擇偽隨機(jī)(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(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(jìn)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?yàn)楦鱾€標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(jì)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(dāng)?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(yùn)行完畢。