引言
為短距離無線連接市場開發的標準在過去幾年中得到了廣泛接受，這已成為半導體市場上最值得注意的特點之一。這些標準包括藍牙、各種Wi-Fi、ZigBee，以及Wibree/超低功耗藍牙（Bluetooth ULP）和超寬帶等新興標準。

對于需要面對兩個或多個設備的無線連接應用，明智的設計人員通常會從這些標準中尋找一種解決方案，但是現有的無線標準并不總是能最好的適合應用的需求。

一個原因是這些標準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題，且在給定功率預算下的傳播距離較短，這使得人們對于較低的UHF頻段的興趣增加。通用頻率包括歐洲的868MHz與433MHz、美國的902MHz至928MHz，以及日本的426MHz。它們通常被統稱為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以下的無線標準，設計人員傾向于使用專有物理層（PHY）與通信協議棧，來滿足他們的特定需求。

圖1所示的是大多數未許可sub-GHz頻率被采用的地區。

圖1、全球范圍內的sub-GHz頻段

Sub-GHz無線連接系統的仿真
使用Wi-Fi或藍牙等無線標準的優勢在于標準工作組已經設定了數據速率、調制類型、輸出功率，以及頻率規劃，因此，設計人員無需考慮基本的國家標準。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、輻射遮蔽，以及最小數量的跳頻信道，這些都可符合覆蓋2.4GHz ISM頻段的EN 300 440和FCC Part 15標準。

然而，在sub-GHz頻率，問題有些不同。頻段的不完整性導致sub-GHz的標準較少，因而大多數工作在sub-GHz應用的系統設計人員傾向于使用專有無線協議，自行選擇不同的系統參數。這么處理的風險是，給定的一組參數可能不符合國家標準，因此，ADI公司推出了ADI SRD Design Studio™工具，使用戶可以在實驗前對不同的設計進行仿真；它可以指導用戶完成設計過程，同時符合基本的標準。圖2所示的是這款工具所執行的主要任務。

圖2、ADI SRD Design Studio的主要任務

在開發過程中需要考慮子系統的工作及參數，包括PLL優化、RF濾波和匹配、數據速率和調制類型、解制過程、包數據格式化，以及平均功耗。系統設計人員通常依靠基于電子表格的工具和重復的實驗來優化這些參數。按照慣例，時域分析可以使用基于SPICE的仿真器來進行，但要在頻域內進行精確的相位噪聲仿真，就只能使用專業軟件。否則，設計人員可能需要多次前往當地的認證實驗室以優化系統，但這樣將會帶來高昂的開銷。

為了幫助設計人員應對這些挑戰，ADI公司推出了ADI SRD Design Studio免費軟件包，可以對采用ADF7xxx系列收發器和發射機的系統中的不同參數進行實時仿真和優化。這款開發工具基于流行的ADIsimPLL™軟件，并經過了增強，使用戶能夠利用虛擬頻譜分析儀在時域和頻域查看調制波形。此外，ADI SRD Design Studio可以構建指導用戶的路徑，并能將設計流程劃分為多個截然不同的任務，從而大幅簡化了整個開發過程，如表1所示。

表1、ADI SRD Design Studio提供的任務列表

操作概論
ADI SRD Design Studio的核心為ADF7xxx器件模型庫，其中包含了每個器件的參數化數據，例如，VCO和頻率合成器相位噪聲、VCO增益、頻率范圍、可用的數據濾波類型、靈敏度，以及噪聲系數。使用這些模型，設計人員就能夠利用用于調制RF載波的基帶數據來執行非線性時域分析，獲得VCO的時域輸出。基帶數據可選擇偽隨機（PRBS）或周期（010101）樣式。與傳統的線性分析不同，非線性時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。然后，對時域波形進行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整分辨率帶寬、檢波器類型，以及掃描次數。分辨率帶寬可在100Hz至300kHz之間進行設置，而測量范圍可在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FFT窗口中給出平均值。這些可調參數非常有用，這是因為各個標準都指定了測量設備中應該采用的不同測量條件——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設測試中，仿真器考慮了所有這些方面。表2列出了這些有用的預設測試，它們意味著用戶能夠快速測試相關標準，而無需鉆研相關文件。

表2、頻譜分析儀模式的預設測量列表

除瞬態和頻譜分析儀模式之外，還可執行PLL頻域分析來計算PLL環路濾波器件，并評估相位裕量和增益裕量。通過在仿真中調整PLL環路帶寬，用戶可以觀察到發送調制頻譜和相位眼圖開度的效果，這使用戶可以適當的優化環路濾波器，而不必依賴于少量的供應商提供的濾波器選擇表或基本指南。在典型設置中，所有三個主要仿真可以在不到兩秒的時間內運行完畢。

傳播模型
鏈路分析工作表是ADI SRD Design Studio中另一項有用的工具，可用于估計各種條件下的鏈路預算和范圍。與所有其它任務一樣，它集成在主仿真器中。為符合輻射遮蔽而進行的數據速率更改將引起靈敏度的相應變化，從而影響鏈路預算，并最終影響傳播范圍。與獨立工具集相比，這項功能的優勢在于，一個參數的變化（如數據速率）將會影響到其它的工作表。

鏈路分析首先計算鏈路預算，也就是發送功率與接收靈敏度之間的差值，同時會考慮所有的濾波損耗或天線損耗。圖3所示的是用于這個仿真的器件設置。

圖3、鏈路分析模塊

然后，可以通過在仿真中增大天線之間的距離來確定范圍，直到路徑損耗等于鏈路預算為止，這個位置就是鏈路裕量等于0 dB的地方。路徑損耗通過用戶選擇的傳播模型進行計算；可支持三種不同的傳播模型：自由空間、地上，以及簡單室內。

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

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

C. 簡單室內傳播模型

上式中P₀為1m處的路徑損耗，n為取決于環境的指數。參考文獻3列出了n在不同環境下（如工廠地面、多層辦公建筑等）的一些取值。大多數設計人員會根據經驗結果來設定n的值。

ADI SRD Design Studio中的另一項有用的任務是包格式化工作表。它使用戶能夠輸入給定的包格式，了解包長度對電池壽命的影響，選擇能帶來低錯誤觸發幾率的同步字，并根據包長度將誤碼率（BER）轉換為相應的誤包率（PER）。由于有些IC供應商會以BER的形式表示靈敏度，而其它供應商則會以PER的形式表示靈敏度，因此，從BER到PER的轉換是很有用的。

在實驗室測試仿真設置
一旦仿真完成，并獲得了可接受的結果，那么就可以保存文件，并把仿真設置輸出到ADI公司的ADF7xxx編程軟件中。然后，就可以使用程序設備應用來運行平臺測試。這一功能將向ADF7xxx編程軟件輸出頻率、數據速率、調制類型等，因此可在實驗室里進行快速的器件配置。平臺測量與仿真結果十分接近，如圖4所示。在868MHz頻率下，對9.6 kbps GFSK信號的仿真與平臺測量結果非常吻合。當進行這些比較時，應當注意仿真器需要采用與電路板上相同的PLL環路濾波器，因為它會影響輸出頻譜的形狀。

圖4、仿真和實驗室測量結果的比較

結論
ADI SRD Design Studio于2007年7月發布，截止到撰寫這篇文章時，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，為此設立了在線論壇，使用戶可以提出可疑的錯誤、問題，或對下一版軟件的建議。這個論壇位于Radiolab網站上，可通過ADI SRD Design Studio進行訪問。用戶還應定期去這個網站下載軟件補丁或進行升級。

隨著ADI公司產品系列的不斷擴展，軟件工具中將會添加新的具有不同頻率的無線器件，并支持不同的調制方案。ADI SRD Design Studio將會成為無線連接設計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系列發射機或收發器進行設計的必要工具。