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较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较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

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较大允许辐射功率、较大调制带宽、辐射遮蔽，以及较小数量的跳频信道，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

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。

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窗口中给出较大值，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。

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

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