Analog Devices

第42卷

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专有无线系统的设计、仿真与文档

作者:Austin Harney [austin.harney@analog.com]

引言
为短距离无线连接市场开发的标准在过去几年中得到了广泛接受,这已成为半导体市场上最值得注意的特点之一。这些标准包括蓝牙、各种Wi-Fi、ZigBee,以及Wibree/超低功耗蓝牙(Bluetooth ULP)和超宽带等新兴标准。

对于需要面对两个或多个设备的无线连接应用,明智的设计人员通常会从这些标准中寻找一种解决方案,但是现有的无线标准并不总是能最好的适合应用的需求。

一个原因是这些标准都主要工作在免许可的2.4GHz频段,这一频段是全球通用的,并具有约为84MHz的带宽。然而,2.4GHz频段存在着不可忽视的共存问题,且在给定功率预算下的传播距离较短,这使得人们对于较低的UHF频段的兴趣增加。通用频率包括欧洲的868MHz与433MHz、美国的902MHz至928MHz,以及日本的426MHz。它们通常被统称为sub-GHz频段,其中还包括其它1GHz以下的未许可频段。由于缺乏1GHz以下的无线标准,设计人员倾向于使用专有物理层(PHY)与通信协议栈,来满足他们的特定需求。

图1所示的是大多数未许可sub-GHz频率被采用的地区。

图1、全球范围内的sub-GHz频段

图1、全球范围内的sub-GHz频段

Sub-GHz无线连接系统的仿真
使用Wi-Fi或蓝牙等无线标准的优势在于标准工作组已经设定了数据速率、调制类型、输出功率,以及频率规划,因此,设计人员无需考虑基本的国家标准。例如,蓝牙设计人员可以确信标准参考设计满足最大允许辐射功率、最大调制带宽、辐射遮蔽,以及最小数量的跳频信道,这些都可符合覆盖2.4GHz ISM频段的EN 300 440和FCC Part 15标准。

然而,在sub-GHz频率,问题有些不同。频段的不完整性导致sub-GHz的标准较少,因而大多数工作在sub-GHz应用的系统设计人员倾向于使用专有无线协议,自行选择不同的系统参数。这么处理的风险是,给定的一组参数可能不符合国家标准,因此,ADI公司推出了ADI SRD Design Studio™工具,使用户可以在实验前对不同的设计进行仿真;它可以指导用户完成设计过程,同时符合基本的标准。图2所示的是这款工具所执行的主要任务。

图2、ADI SRD Design Studio的主要任务

图2、ADI SRD Design Studio的主要任务

在开发过程中需要考虑子系统的工作及参数,包括PLL优化、RF滤波和匹配、数据速率和调制类型、解制过程、包数据格式化,以及平均功耗。系统设计人员通常依靠基于电子表格的工具和重复的实验来优化这些参数。按照惯例,时域分析可以使用基于SPICE的仿真器来进行,但要在频域内进行精确的相位噪声仿真,就只能使用专业软件。否则,设计人员可能需要多次前往当地的认证实验室以优化系统,但这样将会带来高昂的开销。

为了帮助设计人员应对这些挑战,ADI公司推出了ADI SRD Design Studio免费软件包,可以对采用ADF7xxx系列收发器和发射机的系统中的不同参数进行实时仿真和优化。这款开发工具基于流行的ADIsimPLL™软件,并经过了增强,使用户能够利用虚拟频谱分析仪在时域和频域查看调制波形。此外,ADI SRD Design Studio可以构建指导用户的路径,并能将设计流程划分为多个截然不同的任务,从而大幅简化了整个开发过程,如表1所示。

  任务名称 描述
1 新设计向导 包括不同地区性标准(FCC、ETSI、ARIB等)的默认设置。
2 链路预算 可以使用不同的传播模型和衰减裕量来估算范围。
3 频率工作表 帮助选择用于各种数据速率和频率组合的XTAL和PFD。
4 发射机频谱 极其灵活的频谱分析仪(基于FFT)。
5 包格式化 进入包结构,了解其对电池寿命和误包率(PER)的影响。
6 同步检测 帮助选择具有良好自校准特性的同步字节,以减少错误触发。
7 功耗 可能的不同睡眠-发送-接收情况。用于计算电池寿命。
8 原理图 根据系统参数给出外部原理图(如环路滤波器、VCO电感、XTAL,以及匹配)。

表1、ADI SRD Design Studio提供的任务列表

操作概论
ADI SRD Design Studio的核心为ADF7xxx器件模型库,其中包含了每个器件的参数化数据,例如,VCO和频率合成器相位噪声、VCO增益、频率范围、可用的数据滤波类型、灵敏度,以及噪声系数。使用这些模型,设计人员就能够利用用于调制RF载波的基带数据来执行非线性时域分析,获得VCO的时域输出。基带数据可选择伪随机(PRBS)或周期(010101)样式。与传统的线性分析不同,非线性时域分析能够精确的模拟VCO频率跟踪、非线性VCO增益曲线,以及电荷泵饱和等非线性效应。然后,对时域波形进行FFT变换,以获得频谱分析仪输出。

通用的频谱分析仪使用户能够像使用商用频谱分析仪一样调整分辨率带宽、检波器类型,以及扫描次数。分辨率带宽可在100Hz至300kHz之间进行设置,而测量范围可在1kHz至3MHz之间选择。用户还可以选择是使用峰值检波器让分析仪在各个FFT窗口中给出最大值,还是选择均值检波器让分析仪在各个FFT窗口中给出平均值。这些可调参数非常有用,这是因为各个标准都指定了测量设备中应该采用的不同测量条件——包括分辨率带宽、范围,以及检波器类型。在频谱分析仪模式的各种预设测试中,仿真器考虑了所有这些方面。表2列出了这些有用的预设测试,它们意味着用户能够快速测试相关标准,而无需钻研相关文件。

测试项 标准 预设测量
1 ETSI EN 300 220 调制带宽
2 ETSI EN 300 220 邻近信道功率
3 ETSI EN 300 220 占用带宽
4 FCC 15.231 –20 dB 带宽
5 FCC 15.247 –20 dB 带宽
6 FCC 15.247 –6 dB 带宽
7 FCC 15.247 3 kHz 功率频谱密度
8 FCC 90.210 辐射遮蔽 D
9 FCC 15.249 –20 dB 带宽
10 FCC 15.231 (b) 场强
11 FCC 15.231 (e) 场强
12 ARIB STD-T67 占用带宽(25 kHz)
13 ARIB STD-T67 占用带宽(12.5 kHz)

表2、频谱分析仪模式的预设测量列表

除瞬态和频谱分析仪模式之外,还可执行PLL频域分析来计算PLL环路滤波器件,并评估相位裕量和增益裕量。通过在仿真中调整PLL环路带宽,用户可以观察到发送调制频谱和相位眼图开度的效果,这使用户可以适当的优化环路滤波器,而不必依赖于少量的供应商提供的滤波器选择表或基本指南。在典型设置中,所有三个主要仿真可以在不到两秒的时间内运行完毕。

传播模型
链路分析工作表是ADI SRD Design Studio中另一项有用的工具,可用于估计各种条件下的链路预算和范围。与所有其它任务一样,它集成在主仿真器中。为符合辐射遮蔽而进行的数据速率更改将引起灵敏度的相应变化,从而影响链路预算,并最终影响传播范围。与独立工具集相比,这项功能的优势在于,一个参数的变化(如数据速率)将会影响到其它的工作表。

链路分析首先计算链路预算,也就是发送功率与接收灵敏度之间的差值,同时会考虑所有的滤波损耗或天线损耗。图3所示的是用于这个仿真的器件设置。

图3、链路分析模块

图3、链路分析模块

然后,可以通过在仿真中增大天线之间的距离来确定范围,直到路径损耗等于链路预算为止,这个位置就是链路裕量等于0 dB的地方。路径损耗通过用户选择的传播模型进行计算;可支持三种不同的传播模型:自由空间、地上,以及简单室内。

A. 自由空间的传播模型
自由空间模型假设发射机与接收机之间不存在障碍物及任何明显的反射物体(包括地)。用R表示发射机与接收机之间的空间距离,λ表示波长,PL表示路径损耗,下式给出大多数实际的发射机/接收机布局的最大传播距离。

B. 地上传播模型
发射机位于地平面以上,高度为hT,接收机高度为hR,它们之间的距离为R。下式给出了清晰可视信道(LOS)条件下相当精确的结果——例如,在海滩或相对较宽的道路上。这个仿真表明,使用ADF7xxx器件有可能实现3km以上的传播范围,并且无需外部功放(PA)或低噪声放大器(LNA)。

C. 简单室内传播模型

上式中P0为1m处的路径损耗,n为取决于环境的指数。参考文献3列出了n在不同环境下(如工厂地面、多层办公建筑等)的一些取值。大多数设计人员会根据经验结果来设定n的值。

ADI SRD Design Studio中的另一项有用的任务是包格式化工作表。它使用户能够输入给定的包格式,了解包长度对电池寿命的影响,选择能带来低错误触发几率的同步字,并根据包长度将误码率(BER)转换为相应的误包率(PER)。由于有些IC供应商会以BER的形式表示灵敏度,而其它供应商则会以PER的形式表示灵敏度,因此,从BER到PER的转换是很有用的。

在实验室测试仿真设置
一旦仿真完成,并获得了可接受的结果,那么就可以保存文件,并把仿真设置输出到ADI公司的ADF7xxx编程软件中。然后,就可以使用程序设备应用来运行平台测试。这一功能将向ADF7xxx编程软件输出频率、数据速率、调制类型等,因此可在实验室里进行快速的器件配置。平台测量与仿真结果十分接近,如图4所示。在868MHz频率下,对9.6 kbps GFSK信号的仿真与平台测量结果非常吻合。当进行这些比较时,应当注意仿真器需要采用与电路板上相同的PLL环路滤波器,因为它会影响输出频谱的形状。

图4、仿真和实验室测量结果的比较

图4、仿真和实验室测量结果的比较

结论
ADI SRD Design Studio于2007年7月发布,截止到撰写这篇文章时,这款工具已被下载了5000多次。ADI公司致力于改善这款软件的功能,为此设立了在线论坛,使用户可以提出可疑的错误、问题,或对下一版软件的建议。这个论坛位于Radiolab网站上,可通过ADI SRD Design Studio进行访问。用户还应定期去这个网站下载软件补丁或进行升级。

随着ADI公司产品系列的不断扩展,软件工具中将会添加新的具有不同频率的无线器件,并支持不同的调制方案。ADI SRD Design Studio将会成为无线连接设计人员工具套件中十分有用的组成部分,并成为利用ADI公司ADF7xxx系列发射机或收发器进行设计的必要工具。

参考文献

  1. 1. ADI公司网站:www.analog.com/srddesign
  2. Harney, A. and C. O’Mahony. “Wireless Short-Range Devices: Designing a Global License-Free System for Frequencies < 1 GHz.” Analog Dialogue. Vol. 40, No. 1. March 2006. pp. 18–22.
  3. Hashemi, H. “The Indoor Radio Propagation Channel.” Proc. IEEE. Vol. 81, No. 7. July 1993. pp. 943–968.
作者:
Austin Harney [austin.harney@analog.com] 与1999年获得爱尔兰国立都柏林大学工学学士学位,并在毕业后加入ADI公司,现任Limerick ISM频段无线产品线应用工程师。业余时间,他喜欢足球、音乐,以及与他的女儿共度闲暇时光。
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