设计、仿真和记录专有无线系统

为短距离无线连接市场开发的标准的广泛接受是过去几年半导体市场的显着特征之一。这些标准包括蓝牙，各种风格的Wi-Fi，ZigBee和新兴标准，如Wibree/蓝牙ULP和超宽带。

面对无线连接两个或多个设备的任务，明智的设计人员通常会从这些标准中寻找解决方案，但可用的无线标准并不总是最适合应用的要求。

其中一个原因是，这些标准主要规定在 2.4 GHz 的免许可频段内运行，因为它在全球范围内被接受，带宽约为 84 MHz。然而，在给定功率预算下，2.4 GHz频段存在非平凡的共存问题和较低的传播距离，导致对较低UHF频段的兴趣增加。常见的频率包括欧洲的868 MHz和433 MHz，美国的902 MHz至928 MHz以及日本的426 MHz。这些通常统称为sub-GHz频段，它们包括低于1 GHz的其他未经许可的频段。 由于1 GHz以下的无线标准短缺，设计人员倾向于使用专有的物理层（PHY）和通信协议栈，然后可以根据其特定需求进行定制。

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，标准工作组已经定义了数据速率、调制类型、输出功率和频率规划，因此设计人员无需担心底层国家法规。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、发射模板和最小跳通道数，以满足涵盖 300.440GHz ISM 频段的 EN 15 2 和 FCC Part 4 法规。

然而，在sub-GHz频率下，问题略有不同。频段的碎片化性质导致sub-GHz的标准较少，因此大多数在sub-GHz下工作的系统设计人员倾向于使用专有的无线协议，可以自由选择各种系统参数。这样做的风险是，一组给定的参数可能不符合国家法规。因此，ADI SRD设计工作室™开发工具是为了允许用户在进入实验室之前模拟各种场景;它指导用户完成设计过程，同时牢记基本法规。它执行的主要任务的图形概述如图 2 所示。

图2.ADI SRD设计工作室主要任务概述。

开发过程中要考虑的子系统操作和参数范围包括PLL优化、RF滤波和匹配、数据速率和调制类型、解调过程、分组数据格式化和平均功耗。系统设计人员通常依靠基于电子表格的工具和迭代实验室工作的组合来帮助优化这些参数。传统上，可以使用基于SPICE的模拟器进行时域分析，但通常只能使用专用软件才能在频域中执行精确的相位噪声仿真。或者，设计人员可以多次前往当地的监管测试机构来优化系统，但这可能很昂贵。

为了帮助应对这些挑战，ADI公司发布了一款名为ADI SRD Design Studio的免费软件包，允许使用ADF7xxx系列收发器和发送器对各种系统参数进行实时仿真和优化。该开发工具基于流行的ADIsimPLL。™软件，经过增强，允许用户使用虚拟频谱分析仪查看时域和频域中的调制。除此之外，ADI SRD Design Studio大大简化了整个开发过程，创建了一条可以引导用户的路径，并将设计工作流程分解为许多不同的任务，如表1所示。

表 1.ADI SRD设计工作室中可用的任务列表。

	任务名称	描述
1	新建设计向导	包括各种区域法规（FCC、ETSI、ARIB 等）的默认设置。
2	链接预算	允许使用不同的传播模型和淡入淡出边距进行距离估计。
3	频率工作表	有助于选择XTAL和PFD，以实现各种数据速率和频率组合。
4	发射机频谱	极其灵活的频谱分析仪（基于FFT）。
5	数据包格式化	输入数据包结构以查看对电池寿命和数据包错误率 （PER） 的影响。
6	同步检测	帮助选择具有良好自动更正属性的同步字节，以最大程度地减少错误触发。
7	功耗	可能有不同的睡眠-Tx-Rx场景。用于计算电池寿命。
8	图解的	提供基于系统参数（例如环路滤波器、VCO 电感、XTAL 和匹配）的外部原理图。

操作的基本概述

ADI SRD Design Studio的核心是一个ADF7xxx器件模型库，其中包含每个器件的参数化数据，例如，包括VCO和频率合成器相位噪声、VCO增益、频率范围、可用数据滤波器类型、灵敏度和噪声系数。使用这些模型，使用用于调制RF载波的基带数据执行非线性时域分析，以获得VCO的时间序列输出。基带数据可以选择伪随机（PRBS）或周期性（010101）模式。与传统的线性分析不同，VCO牵引、非线性VCO增益曲线和电荷泵饱和等非线性效应可以精确建模。然后对时域波形执行FFT，以获得频谱分析仪输出。

多功能频谱分析仪允许用户像商用频谱分析仪一样调整分辨率带宽、探测器类型和扫描次数。分辨率带宽可在 100 Hz 至 300 kHz 范围内设置，而跨度可在 1 kHz 至 3 MHz 之间选择。 用户还可以选择是使用峰值还是平均检测器，指示分析仪分别获取每个FFT箱中的最大值或平均值。调整这些参数非常有用，因为每个监管标准都规定了不同的测量条件，包括测量设备中应使用的分辨率带宽、跨度和检测器类型。模拟器在频谱分析仪模式下可用的各种预设测试中考虑了所有这些因素。表 2 中列出的这些有用的预设测试意味着用户可以快速测试相关标准，而无需仔细研究文档。

表 2.频谱分析仪模式下的预设测量值列表。

测试#	调节	预设测量
1	ETSI EN 300 220	调制带宽
2	ETSI EN 300 220	相邻通道功率
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 功率谱密度
8	FCC 90.210	发射掩模 D
9	FCC 15.249	–20 dB 带宽
10	FCC 15.231 （b）	场强
11	FCC 15.231 （e）	场强
12	阿里布 STD-T67	占用带宽 （25 kHz）
13	阿里布 STD-T67	占用带宽 （12.5 kHz）

除了瞬态和频谱分析仪模式外，还执行PLL频域分析，以计算PLL环路滤波器组件并估计相位和增益裕量。通过在仿真中调整PLL环路带宽，用户可以看到对发射调制频谱和相位图眼图开度的影响。这允许对循环筛选器进行适当的优化，而不必依赖一小部分供应商筛选器表或基本准则。在典型设置中，所有这三个主要模拟都在不到两秒钟的时间内运行。

传播模型

ADI SRD Design Studio软件包中的另一个有用工具是链路分析工作表，用于估算各种条件下的链路预算和范围。与所有其他任务一样，它已集成到主模拟器中。数据速率的变化符合发射模板将导致灵敏度的相应变化，从而影响链路预算，并最终影响传播范围。与一组独立工具相比，此功能具有优势，因为一个参数（如数据速率）的更改将波及到其他工作表。

链路分析首先计算链路预算，即发射功率和接收灵敏度之间的差异，同时考虑任何滤波器或天线损耗。此仿真的器件设置如图3所示。

图3.链接分析块。

然后，可以通过增加仿真中天线之间的距离来确定范围，直到路径损耗等于链路预算，即链路裕量为0 dB的点。路径损耗是使用用户选择的传播模型计算的;支持三种不同的传播模型：自由空间、地面和简单室内传播。

A. 自由空间传播模型

自由空间模型假设发射器和接收器之间没有障碍物，也没有任何重要的反射物体（包括地面）。发射器和接收器之间的间距、R、波长、λ 和路径损耗，PL，以下公式倾向于为大多数实际的发射器/接收器放置提供乐观的传播范围。

B. 地上传播模型

在这里，发射器处于高度，hT，在平坦的地面上方，接收器处于高处，hR，间距为 R。此公式可在清晰视线 （LOS） 条件下（例如，在海滩或相对宽阔的道路上）提供相当准确的结果。仿真表明，使用ADF3xxx器件可以实现大于7 km的传播范围，而无需外部功率放大器（PA）或低噪声放大器（LNA）。

C. 简单室内传播模型

哪里P0是 1 m 处的路径损耗，n 是值取决于环境的指数。参考文献 3 列出了各种环境中 n 的一些报告值，例如工厂车间、多层办公楼等。大多数设计人员只是根据经验结果插入一个值 n。

ADI SRD Design Studio中的另一个有用任务是数据包格式化工作表。这允许用户输入给定的数据包格式并查看数据包长度对电池寿命的影响，选择将导致低误触发概率的同步字，并根据数据包长度将误码率 （BER） 转换为相应的数据包错误率 （PER）。BER到PER转换非常有用，因为一些IC供应商根据BER指定灵敏度，而其他IC供应商则以PER指定灵敏度。

在实验室中测试仿真设置

仿真完成且结果可接受后，可以保存文件并将仿真设置导出到ADI公司的ADF7xxx编程软件。然后，可以使用程序设备实用程序运行台架测试。此功能会将频率、数据速率、调制类型等导出到ADF7xxx编程软件，从而可以在实验室中快速配置器件。工作台测量与模拟结果相比相当好，如图4所示。9 MHz 时 6.868 kbps GFSK 信号的仿真和台架测量非常吻合。运行这些比较时，应注意仿真器使用与电路板上相同的PLL环路滤波器，因为这会影响输出频谱的形状。

图4.模拟和实验室测量的比较。

总结

由于ADI公司致力于改进软件，因此在线论坛允许用户发布可疑的错误、问题或对软件下一次修订的建议。该论坛在Radiolab网站上举办，可通过ADI SRD设计工作室访问该网站。用户还应定期查看本网站以获取软件的补丁或升级。

随着ADI公司扩展其产品组合，无线器件将添加到软件工具中，包括不同频率的器件，并支持不同的调制方案。ADI SRD Design Studio应成为无线连接设计人员工具包中非常有用的一部分，也是使用ADI公司ADF7xxx系列发送器或收发器进行设计的必备部分。

审核编辑：郭婷