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

面對無線連接兩個或多個設備的任務，明智的設計人員通常會從這些標準中尋找解決方案，但可用的無線標準并不總是最適合應用的要求。

其中一個原因是，這些標準主要規(guī)定在 2.4 GHz 的免許可頻段內(nèi)運行，因為它在全球范圍內(nèi)被接受，帶寬約為 84 MHz。然而，在給定功率預算下，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以下的無線標準短缺，設計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)其特定需求進行定制。

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)定義了數(shù)據(jù)速率、調制類型、輸出功率和頻率規(guī)劃，因此設計人員無需擔心底層國家法規(guī)。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、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。頻段的碎片化性質導致sub-GHz的標準較少，因此大多數(shù)在sub-GHz下工作的系統(tǒng)設計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)。這樣做的風險是，一組給定的參數(shù)可能不符合國家法規(guī)。因此，ADI SRD設計工作室?開發(fā)工具是為了允許用戶在進入實驗室之前模擬各種場景;它指導用戶完成設計過程，同時牢記基本法規(guī)。它執(zhí)行的主要任務的圖形概述如圖 2 所示。

圖2.ADI SRD設計工作室主要任務概述。

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)速率和調制類型、解調過程、分組數(shù)據(jù)格式化和平均功耗。系統(tǒng)設計人員通常依靠基于電子表格的工具和迭代實驗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的模擬器進行時域分析，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。或者，設計人員可以多次前往當?shù)氐谋O(jiān)管測試機構來優(yōu)化系統(tǒng)，但這可能很昂貴。

為了幫助應對這些挑戰(zhàn)，ADI公司發(fā)布了一款名為ADI SRD Design Studio的免費軟件包，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)進行實時仿真和優(yōu)化。該開發(fā)工具基于流行的ADIsimPLL。?軟件，經(jīng)過增強，允許用戶使用虛擬頻譜分析儀查看時域和頻域中的調制。除此之外，ADI SRD Design Studio大大簡化了整個開發(fā)過程，創(chuàng)建了一條可以引導用戶的路徑，并將設計工作流程分解為許多不同的任務，如表1所示。

表 1.ADI SRD設計工作室中可用的任務列表。

操作的基本概述

ADI SRD Design Studio的核心是一個ADF7xxx器件模型庫，其中包含每個器件的參數(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，使用用于調制RF載波的基帶數(shù)據(jù)執(zhí)行非線性時域分析，以獲得VCO的時間序列輸出。基帶數(shù)據(jù)可以選擇偽隨機（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可以精確建模。然后對時域波形執(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FFT箱中的最大值或平均值。調整這些參數(shù)非常有用，因為每個監(jiān)管標準都規(guī)定了不同的測量條件，包括測量設備中應使用的分辨率帶寬、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設測試中考慮了所有這些因素。表 2 中列出的這些有用的預設測試意味著用戶可以快速測試相關標準，而無需仔細研究文檔。

表 2.頻譜分析儀模式下的預設測量值列表。

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

傳播模型

ADI SRD Design Studio軟件包中的另一個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算和范圍。與所有其他任務一樣，它已集成到主模擬器中。數(shù)據(jù)速率的變化符合發(fā)射模板將導致靈敏度的相應變化，從而影響鏈路預算，并最終影響傳播范圍。與一組獨立工具相比，此功能具有優(yōu)勢，因為一個參數(shù)（如數(shù)據(jù)速率）的更改將波及到其他工作表。

鏈路分析首先計算鏈路預算，即發(fā)射功率和接收靈敏度之間的差異，同時考慮任何濾波器或天線損耗。此仿真的器件設置如圖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算，即鏈路裕量為0 dB的點。路徑損耗是使用用戶選擇的傳播模型計算的;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）提供相當準確的結果。仿真表明，使用ADF3xxx器件可以實現(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 3 列出了各種環(huán)境中 n 的一些報告值，例如工廠車間、多層辦公樓等。大多數(shù)設計人員只是根據(jù)經(jīng)驗結果插入一個值 n。

ADI SRD Design Studio中的另一個有用任務是數(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） 轉換為相應的數(shù)據(jù)包錯誤率 （PER）。BER到PER轉換非常有用，因為一些IC供應商根據(jù)BER指定靈敏度，而其他IC供應商則以PER指定靈敏度。

在實驗室中測試仿真設置

仿真完成且結果可接受后，可以保存文件并將仿真設置導出到ADI公司的ADF7xxx編程軟件。然后，可以使用程序設備實用程序運行臺架測試。此功能會將頻率、數(shù)據(jù)速率、調制類型等導出到ADF7xxx編程軟件，從而可以在實驗室中快速配置器件。工作臺測量與模擬結果相比相當好，如圖4所示。9 MHz 時 6.868 kbps GFSK 信號的仿真和臺架測量非常吻合。運行這些比較時，應注意仿真器使用與電路板上相同的PLL環(huán)路濾波器，因為這會影響輸出頻譜的形狀。

圖4.模擬和實驗室測量的比較。

總結

由于ADI公司致力于改進軟件，因此在線論壇允許用戶發(fā)布可疑的錯誤、問題或對軟件下一次修訂的建議。該論壇在Radiolab網(wǎng)站上舉辦，可通過ADI SRD設計工作室訪問該網(wǎng)站。用戶還應定期查看本網(wǎng)站以獲取軟件的補丁或升級。

隨著ADI公司擴展其產(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，并支持不同的調制方案。ADI SRD Design Studio應成為無線連接設計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)器進行設計的必備部分。

審核編輯：郭婷