引言
為短距離無(wú)線連接市場(chǎng)開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)在過(guò)去幾年中得到了廣泛接受,，這已成為半導(dǎo)體市場(chǎng)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(duì)于需要面對(duì)兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備的無(wú)線連接應(yīng)用,，明智的設(shè)計(jì)人員通常會(huì)從這些標(biāo)準(zhǔn)中尋找一種解決方案，但是現(xiàn)有的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)并不總是能最好的適合應(yīng)用的需求,。

一個(gè)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(wèn)題，且在給定功率預(yù)算下的傳播距離較短,，這使得人們對(duì)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(guó)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(wú)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(lái)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(wú)線連接系統(tǒng)的仿真
使用Wi-Fi或藍(lán)牙等無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)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(wú)需考慮基本的國(guó)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(wèn)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(wú)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(guó)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(duì)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(guò)程，同時(shí)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(guò)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(guò)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(lái)優(yōu)化這些參數(shù)。按照慣例,，時(shí)域分析可以使用基于SPICE的仿真器來(lái)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(huì)帶來(lái)高昂的開銷,。

為了幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),，ADI公司推出了ADI SRD Design Studio免費(fèi)軟件包，可以對(duì)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(shí)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(guò)了增強(qiáng)，使用戶能夠利用虛擬頻譜分析儀在時(shí)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(gè)截然不同的任務(wù),，從而大幅簡(jiǎn)化了整個(gè)開發(fā)過(guò)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(kù)，其中包含了每個(gè)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(lái)執(zhí)行非線性時(shí)域分析,，獲得VCO的時(shí)域輸出,。基帶數(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(shí)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(duì)時(shí)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(cè)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(gè)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(gè)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€(gè)標(biāo)準(zhǔn)都指定了測(cè)量設(shè)備中應(yīng)該采用的不同測(cè)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(cè)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(cè)試，它們意味著用戶能夠快速測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),，而無(wú)需鉆研相關(guān)文件,。

表2、頻譜分析儀模式的預(yù)設(shè)測(cè)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(lái)計(jì)算PLL環(huán)路濾波器件,，并評(píng)估相位裕量和增益裕量。通過(guò)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(gè)主要仿真可以在不到兩秒的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行完畢。

傳播模型
鏈路分析工作表是ADI SRD Design Studio中另一項(xiàng)有用的工具,，可用于估計(jì)各種條件下的鏈路預(yù)算和范圍,。與所有其它任務(wù)一樣，它集成在主仿真器中,。為符合輻射遮蔽而進(jìn)行的數(shù)據(jù)速率更改將引起靈敏度的相應(yīng)變化,，從而影響鏈路預(yù)算，并最終影響傳播范圍,。與獨(dú)立工具集相比,，這項(xiàng)功能的優(yōu)勢(shì)在于，一個(gè)參數(shù)的變化（如數(shù)據(jù)速率）將會(huì)影響到其它的工作表,。

鏈路分析首先計(jì)算鏈路預(yù)算,，也就是發(fā)送功率與接收靈敏度之間的差值，同時(shí)會(huì)考慮所有的濾波損耗或天線損耗,。圖3所示的是用于這個(gè)仿真的器件設(shè)置,。

圖3,、鏈路分析模塊

然后,，可以通過(guò)在仿真中增大天線之間的距離來(lái)確定范圍，直到路徑損耗等于鏈路預(yù)算為止,，這個(gè)位置就是鏈路裕量等于0 dB的地方,。路徑損耗通過(guò)用戶選擇的傳播模型進(jìn)行計(jì)算,；可支持三種不同的傳播模型：自由空間、地上,，以及簡(jiǎn)單室內(nèi),。

A. 自由空間的傳播模型
自由空間模型假設(shè)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間不存在障礙物及任何明顯的反射物體（包括地）。用R表示發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的空間距離,，λ表示波長(zhǎng),，P_L表示路徑損耗，下式給出大多數(shù)實(shí)際的發(fā)射機(jī)/接收機(jī)布局的最大傳播距離,。

B. 地上傳播模型
發(fā)射機(jī)位于地平面以上,，高度為h_T，接收機(jī)高度為h_R,，它們之間的距離為R,。下式給出了清晰可視信道（LOS）條件下相當(dāng)精確的結(jié)果——例如，在海灘或相對(duì)較寬的道路上,。這個(gè)仿真表明,，使用ADF7xxx器件有可能實(shí)現(xiàn)3km以上的傳播范圍，并且無(wú)需外部功放（PA）或低噪聲放大器（LNA）,。

C. 簡(jiǎn)單室內(nèi)傳播模型

上式中P₀為1m處的路徑損耗，n為取決于環(huán)境的指數(shù),。參考文獻(xiàn)3列出了n在不同環(huán)境下（如工廠地面,、多層辦公建筑等）的一些取值。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)果來(lái)設(shè)定n的值,。

ADI SRD Design Studio中的另一項(xiàng)有用的任務(wù)是包格式化工作表,。它使用戶能夠輸入給定的包格式，了解包長(zhǎng)度對(duì)電池壽命的影響,，選擇能帶來(lái)低錯(cuò)誤觸發(fā)幾率的同步字,，并根據(jù)包長(zhǎng)度將誤碼率（BER）轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的誤包率（PER）。由于有些IC供應(yīng)商會(huì)以BER的形式表示靈敏度,，而其它供應(yīng)商則會(huì)以PER的形式表示靈敏度,，因此，從BER到PER的轉(zhuǎn)換是很有用的,。

在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試仿真設(shè)置
一旦仿真完成,，并獲得了可接受的結(jié)果，那么就可以保存文件,，并把仿真設(shè)置輸出到ADI公司的ADF7xxx編程軟件中,。然后，就可以使用程序設(shè)備應(yīng)用來(lái)運(yùn)行平臺(tái)測(cè)試,。這一功能將向ADF7xxx編程軟件輸出頻率,、數(shù)據(jù)速率、調(diào)制類型等，因此可在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行快速的器件配置,。平臺(tái)測(cè)量與仿真結(jié)果十分接近,，如圖4所示。在868MHz頻率下,，對(duì)9.6 kbps GFSK信號(hào)的仿真與平臺(tái)測(cè)量結(jié)果非常吻合,。當(dāng)進(jìn)行這些比較時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意仿真器需要采用與電路板上相同的PLL環(huán)路濾波器,，因?yàn)樗鼤?huì)影響輸出頻譜的形狀,。

圖4,、仿真和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的比較

結(jié)論
ADI SRD Design Studio于2007年7月發(fā)布,，截止到撰寫這篇文章時(shí)，這款工具已被下載了5000多次,。ADI公司致力于改善這款軟件的功能,，為此設(shè)立了在線論壇，使用戶可以提出可疑的錯(cuò)誤,、問(wèn)題,，或?qū)ο乱话孳浖慕ㄗh。這個(gè)論壇位于Radiolab網(wǎng)站上,，可通過(guò)ADI SRD Design Studio進(jìn)行訪問(wèn),。用戶還應(yīng)定期去這個(gè)網(wǎng)站下載軟件補(bǔ)丁或進(jìn)行升級(jí)。

隨著ADI公司產(chǎn)品系列的不斷擴(kuò)展,，軟件工具中將會(huì)添加新的具有不同頻率的無(wú)線器件,，并支持不同的調(diào)制方案。ADI SRD Design Studio將會(huì)成為無(wú)線連接設(shè)計(jì)人員工具套件中十分有用的組成部分,，并成為利用ADI公司ADF7xxx系列發(fā)射機(jī)或收發(fā)器進(jìn)行設(shè)計(jì)的必要工具,。