Transcript
短距離無線間の ワイヤレス・システムの設計
433MHz/ 868MHz
315MHz/ 450MHz/915MHz
Austin Harney 著
433MHz
426MHz/ 429MHz
315MHz/ 915MHz 433MHz/ 915MHz
PROPRIETARY LOW POWER RADIO • METERING INFRASTRUCTURE • CONSUMER • BUILDING MANAGEMENT • HOME ZigBee/802.15.4 AUTOMATION • SECURITY • LIGHT CONTROL • INDUSTRIAL • BUILDING • ETC. MANAGEMENT
100
10
• HOME AUTOMATION • TRACKING
• PC NETWORKING • HOME NETWORKING
• HEADSETS • PHONE
100k
10k
サブ GHz ワイヤレス接続システムのシミュレーション Wi-Fi や Bluetooth などの無線規格を使用する利点は、規格の作業
UWB
• WIRELESS USB • VIDEO/AUDIO LINKS
1 1k
図 1. 世界のサブ GHz 帯域
Wi-Fi/802.11
1M
部会がすでにデータレート、変調タイプ、出力電力、周波数プラ ンを定義しているため、設計者はその元になっている各国の法規 定を考慮する必要がないことです。たとえば、Bluetooth の設計者 は、標準リファレンス設計が最大許容放射パワー、最大変調帯域幅、 エミッション・マスク、最小ホップ・チャンネル数を満たしており、 2.4GHz ISM 帯域を対象とする EN 300 440 や FCC Part 15 の規定 に準拠しているものとして安心して設計ができます。
10M
DATA RATE (bps)
はじめに 短距離無線接続に関する規格が一般に普及したことは、過去数年 間の半導体市場における注目すべき動向の 1 つです。Bluetooth、 各種の Wi - Fi、ZigBee のほか、Wibree/Bluetooth ULP や Ultra Wideband などの新しい規格もあります。
しかしながら、サブ GHz 周波数では問題は少し異なります。帯域 が細分化されているため、サブ GHz における規格は少なく、サブ GHz で稼動するシステムの設計者のほとんどは独自の無線プロト コルを使用することになり、さまざまなシステム・パラメータを自 分で自由に選択することになります。このような場合、一連の所 定パラメータが国の法規定を満たさないというリスクがあります。 そこで、ADI SRD Design Studio ™ツールが開発されました。こ れによって、ユーザは実験をする前にさまざまなシナリオをシミュ レートでき、基礎となる法規定を念頭に置きながら、ガイドに従っ て設計プロセスを進めることができます。このツールが行う主な タスクの概要を図 2 に示します。
無線で複数のデバイスを接続しなければならない状況に直面した 場合、真面目な設計者ならこれらの規格を調べて解決策を探しま すが、現在利用できる無線規格が必ずしもアプリケーションの要 件に最適というわけではありません。 その理由の 1 つは、これらの規格が世界各国で使用可能で、2.4GHz （ライセンス不要）を使用しているからです。2.4GHz 帯域には、 共存の問題や電力バジェットの割には伝播距離が低いといった欠 点があるため、低い UHF 帯域への関心がますます高まっています。 一般的な周波数は、欧州では 868MHz と 433MHz、アメリカでは 902 ～ 928MHz、日本では 426MHz です。これらは通常ひとまと めにサブ GHz 帯域と呼ばれ、その他にライセンス不要の 1GHz 未 満の帯域も含まれます。1GHz 未満の無線規格は不足しているた め、設計者は独自の物理層（PHY）と通信プロトコル・スタック を使用しようとしています。これらは、特定のニーズに合わせて 作ることができます。
開発プロセスで考慮しなければならないサブシステムの動作とパ ラメータには、PLL の最適化、RF フィルタ処理とマッチング、デー タレートと変調タイプ、復調プロセス、パケット・データのフォー マット化、平均消費電力などがあります。システム設計者は一般 にスプレッドシートを利用するツールと研究室での作業の繰り返 しを組み合わせ、これらのパラメータの最適化に取り組みます。 通常、時間領域解析は SPICE ベースのシミュレータで実行できま
図 1 は、ライセンス不要のサブ GHz 帯域が利用されている地域を 示しています。 4
AVDD
10
3
–5 –10 –15 –20 –25
–40
–30
–20
–10 0 10 20 FREQUENCY (kHz)
30
SPECTRUM ANALYZER
CURRENT
0
TRANSMIT DATA INTERFACE
–1
CHIP PROGRAMMING AND READBACK INTERFACE
POWER CONSUMPTION MODEL
IDLE/Rx 50.0ms
40
–4
50
34 35 25 26 27 28
–3
–35 –40 –50
39 CP2 CRYSTAL 10.0MHz SET CP1 AND CP2 ACCORDING TO CRYSTAL LOAD CAPACITANCE
1
–2
–30
38
CP2
2
0
DEVIATION (kHz)
CONDUCTED POWER (dBm)
5
1
0
50
100
150
200 250 TIME (¿s)
300
350
400
RxA 50.0ms
PA FILTER 0dB
Tx DATA 9.60kbps
C1 16.4nF
RF OUT
4
RFIN
SLE SDATA SREAD
RFINB
6
MUXOUT SCLK 37 GND GND GND
ANTENNA L33 0H C34 0F
L32 8.70nH
7
C3 7.48nF
VDD
C32 C31 2.70pF 8.20pF
DATA I/O DATA CLK
R1 66.6 C2 1233nF
L31 4.30nH
OSC 1
450
L34 0H C35 0F
C36 0F
C33 3.00pF
SCHEMATIC TOOL MIXER
Tx ANTENNA
GAIN 0dBi
Rx ANTENNA
LNA FILTER 0dB
DATA RECOVERY
MIXER
GAIN 0dBi RECEIVER MODE HIGH SENS (DEF) RECEIVER SENSITIVITY –113.0dBm
TIME
BATTERY LIFETIME CALCULATIONS
R2 136 42
ADF7020
DISTANCE 50.0m PLL
SLEEP TIME 60.0s ONE CYCLE
OSC 2
DVDD CPOUT
NOTES 1. INDICATIVE SCHEMATIC ONLY. 2. ALL POWER SUPPLY CONNECTIONS NOT SHOWN. 3. BYPASS CAPACITORS AND BIAS RESISTORS NOT SHOWN. 4. FOR FULL DETAILS SEE DEVICE DATA SHEET.
MODULATION DOMAIN ANALYZER
Tx 35.8ms
V TUNE
DEMOD
15
IF FILTER
RANGE (m)
1000
RANGE ANALYSIS
図 2. ADI SRD Design Studio の主なタスクの概要
Analog Dialogue Volume 42 Number 4
15
すが、周波数領域の正確な位相ノイズのシミュレーションは特別 なソフトウェアを使用しなければ実行できません。それをしない で、各地の法定試験機関を何度も訪ねてシステムを最適化するこ とも可能ですが、これにはかなり費用がかかります。 これらの問題に対処するため、アナログ・デバイセズは ADI SRD Design Studio という無料ソフトウェア・パッケージを提供してい ます。これによって、ADF7xxx ファミリーのトランシーバとトラ ンスミッタを使用して、さまざまなシステム・パラメータをリア ルタイムにシミュレートし最適化できます。この開発ツールは一 般的な ADIsimPLL ™ソフトウェアをベースとしていますが、仮想 スペクトル・アナライザを使用して時間領域と周波数領域の両方 で変調を確認できる機能が付加されています。また、ADI SRD Design Studio は、開発プロセス全体を大幅に簡素化し、ガイドに 従って操作可能で、また設計のワークフローを表 1 に示す複数の タスクに区分しています。 タスク名
説明
1 新規設計
各地域の法規定（FCC、ETSI、AR IB など） に対応するデフォルト設定が含まれています。
2 リンク・
さまざまな伝搬モデルと減衰マージンを使用して 通信距離を計算できます。
3 周波数
データレートと周波数のさまざまな組み合わせに より、XTAL（水晶振動子）と PFD（位相周波 数検出器）を選択できます。
ウィザード バジェット
ワークシート
4 トランスミッタ ・ きわめてフレキシブルなスペクトル・アナライザ 。 スペクトル です（FFT を使用） 5 パケットの
パケット構造を入力して、バッテリ寿命とパケット ・ フォーマット化 エラー・レート（PER）への影響を確認できます。
6 同期検出
誤ったトリガをできる限りなくすため、十分な補 正特性を備えた同期バイトを選択できるようにし ます。
7 消費電力
スリープ／ Tx ／ R x のさまざまなシナリオが設 定可能。バッテリ寿命の計算に役立ちます。
8 回路図
システム・パラメータ（ループ・フィルタ、VCO イ ンダクタ、XTAL、マッチングなど）に基づいて 外部回路図が得られます。
表 1. ADI SRD Design Studioで利用できるタスクの一覧
動作の主な概要 ADI SRD Design Studio の中心となるのは、ADF7xxx デバイス・ モデルのライブラリです。ここには、VCO とシンセサイザの位相 ノイズ、VCO ゲイン、周波数範囲、利用可能なデータ・フィルタ
の種類、感度、ノイズ指数などのパラメータ化されたデータがデ RF キャ バイスごとに用意されています。これらのモデルを使用し、 リアの変調に使用するベースバンド・データで非直線性時間領域 解析を実行し、VCO の時系列出力を取得できます。ベースバンド・ データは、疑似乱数パターン（PRBS）か周期パターン（010101） を選べます。従来の線形解析とは違い、VCO プリング、非線形 VCO ゲイン曲線、チャージ・ポンプの飽和のような非線形の影響 を正確にモデル化します。次に、時間領域波形に対して FFT を実 行してスペクトル・アナライザの出力を得ます。 さまざまな解析に利用できるスペクトル・アナライザは、市販の スペクトル・アナライザと同じく分解能帯域幅、ディテクタの種類、 スイープ数を調整できます。分解能帯域幅は、100Hz ～ 300KHz に設定でき、1KHz ～ 3MHz の間でスパンを選択できます。また、 ピーク・ディテクタか平均ディテクタのどちらを使用するかを選 択し、各 FFT 領域でそれぞれ最大数または平均数を取得するよう にアナライザを設定できます。法定規格によって分解能帯域幅、 スパン、測定装置などの測定条件が異なるため、こうしたパラメー タが調整できることは便利です。シミュレータは、スペクトラム・ アナライザを使用するプリテストを考慮しています。これらの役 に立つプリセット・テストを表 2 に一覧で示します。このようにし て、ユーザは文献資料を調べなくても該当する規格に沿って簡単 にテストすることができます。
16
Test # Regulation
Preset Measurement
1
ETSI EN 300 220
Modulation Bandwidth
2
ETSI EN 300 220
Adjacent Channel Power
3
ETSI EN 300 220
Occupied Bandwidth
4
FCC 15.231
–20 dB Bandwidth
5
FCC 15.247
–20 dB Bandwidth
6
FCC 15.247
–6 dB Bandwidth
7
FCC 15.247
3 kHz Power Spectral Density
8
FCC 90.210
Emission Mask D
9
FCC 15.249
–20 dB Bandwidth
10
FCC 15.231 (b)
Field Strength
11
FCC 15.231 (e)
Field Strength
12
ARIB STD -T67
Occupied Bandwidth (25 kHz)
13
ARIB STD-T67
Occupied Bandwidth (12.5 kHz)
表 2. スペクトル・アナライザ・モードのプリセット測定の一覧 トランジェント・アナライザ・モードとスペクトル・アナライザ・ モードのほか、PLL 周波数領域解析を実行して PLL ループ・フィ ルタ部品を計算し、位相マージンとゲイン・マージンを評価します。 シミュレーションで PLL ループ帯域幅を調整することによって、 送信変調スペクトルと位相プロットのアイパターンに対する影響 を確認できます。これによって、ほんの一握りのベンダーのフィ ルタ・テーブルや基本ガイドラインだけに頼らずに、ループ・フィ ルタの適切な最適化ができます。この 3 つの主なシミュレーション は、いずれも標準セットアップ条件で約 2 秒で完了します。
伝播モデル ADI SRD Design Studio パッケージが提供するもう 1 つの役に立
つツールは、リンク解析ワークシートです。これは、さまざまな 条件下でのリンク・バジェットと通信範囲を評価するために使用 します。その他のすべてのタスクと同様、これも主要シミュレー タに内蔵されています。エミッション・マスクに合わせたデータ レートの変更により、受信感度が変化し、リンク・バジェットと 最終的には伝播範囲に影響を及ぼします。この機能は、データレー トなど、ある 1 つのパラメータの変更によってその他のワークシー トにも影響が及ぶことから、個々のツールを複数使用するよりも 役に立ちます。 リンク解析では、最初にリンク・バジェット、すなわち送信パワー と受信感度間の差をフィルタ損失やアンテナ損失を考慮に入れて 計算します。このシミュレーション用のデバイスのセットアップ を図 3 に示します。 次に、シミュレーションでアンテナ間の距離を広げて範囲を算出 します。パス損失がリンク・バジェットと等しくなるポイントが、 リンク・マージンが 0dB になる場所です。パス損失は、自由空間、 地表、単純な屋内の 3 種類の伝播モデルからユーザが選択し、こ のモデルを元に計算します。
A. 自由空間の伝播モデル
自由空間のモデルは、トランスミッタとレシーバの間に障害物や 大きな反射物体（地面など）がないという想定に基づいています。 トランスミッタとレシーバの間隔 R、波長 λ、パス損失 PL を使用し、 次の式によってほとんどの実用的なエミッタ／レシーバ配置で最 高の伝播範囲が得られます。
B. 地表の伝播モデル
ここでは、トランスミッタは平坦な地面から高さ hT にあり、レシー バは h R の高さにあり、これらの間隔を R とします。この式では、 海岸や比較的広い道路など、見通しのよい（LOS）条件できわめ て正確な結果が得られます。ADF7xxx デバイスを使用し、外部の
Analog Dialogue Volume 42 Number 4
FILTER 0dB
Tx ANTENNA
Rx ANTENNA
GAIN 0dBi
Tx DATA 9.60kbps
IF FILTER
PA
PLL
DEMOD
MIXER
DISTANCE 50.0m LNA FILTER 0dB
DATA RECOVERY
MIXER
GAIN 0dBi RECEIVER MODE HIGH SENS (DEF) RECEIVER SENSITIVITY –113.0dBm
図 3. リンク解析ブロック SPECTRUM ANALYZER (SIMULATION)
15
BENCH MEASUREMENT
20
10 10 CONDUCTED POWER (dBm)
CONDUCTED POWER (dBm)
5 0 –5 –10 –15 –20 –25 –30
0
–10
–20
–30
50
FREQUENCY (kHz)
–40
50kHz
40
40kHz
30
30kHz
20
20kHz
10
10kHz
0
868.3MHz
–10
–10kHz
–20
–20kHz
–30
–30kHz
–40
–50kHz
–40 –50
–40kHz
–35
FREQUENCY
図 4. シミュレーションと研究室での測定値の比較 パワーアンプ（PA）や低ノイズ・アンプ（LNA）を利用すること なく、このシミュレーションから 3km 以上の伝播範囲を求めるこ とができます。
ド上の PLL ループ・フィルタと同じ PLL ループ・フィルタをシミュ レータで設計する必要があります。さもないと、出力スペクトル の形状が変わってしまいます。
まとめ ADI SRD Design Studio は 2007 年 7 月にリリースされ、この記 事を書いている時点で 5000 件を超えるダウンロードがありまし
C. 単純な屋内の伝播モデル
ここで、P0 は 1m におけるパス損失、n はその値が環境に依存する 指数です。参考文献 3 には、工場の床や高層オフィスビルなどさ まざまな環境における n の値が示されています。ほとんどの設計 者は、ただ経験的な結果に基づいて n の値を挿入します。
ADI SRD Design Studio のもう 1 つの役に立つタスクが、パケッ ト・フォーマット化ワークシートです。ユーザは、所定のパケット・ フォーマットを入力して、パケット長がバッテリ寿命にどれほど 影響するかを確認し、 誤ったトリガが生じる可能性が低い sync ワー ドを選択し、さらにパケット長に基づいてビット・エラー・レー ト（BER）を対応するパケット・エラー・レート（PER）に変換 します。BER から PER への変換は、IC ベンダーによって BER で 感度を規定していたり、PER で規定していることがあるため、便 利です。
研究室でのシミュレーション・セットアップのテスト シミュレーションが完了して、その結果が許容できるものであれ ば、ファイルを保存してシミュレーション設定をアナログ・デバ イセズの ADF7xxx プログラミング・ソフトウェアにエクスポート することができます。次に、プログラム・デバイス・ユーティリティ を使用してベンチ・テストを実行します。この機能は、周波数、デー タレート、変調タイプなどを ADF7xxx プログラミング・ソフトウェ アにエクスポートします。これにより、研究室でのデバイスの設 定が簡単にできるようになります。図 4 に示すように、ベンチ測 定値はシミュレートされた結果と合致します。868MHz の 9.6kbps GFSK 信号に対してのシミュレート測定値とベンチ測定値は、き わめて近い結果となります。これらの比較を実行するときは、ボー
た。アナログ・デバイセズではソフトウェアの改善に取り組んで おり、ユーザはオンライン・フォーラムで怪しいバグや問題を報 告したり、ソフトウェアの次回の改訂のために提案することがで きます。このフォーラムは、Radiolab ウェブサイトにあり、ADI SRD Design Studio を経由してアクセス可能です。また、このウェ ブサイトを定期的にチェックしてソフトウェアのパッチやアップ グレードがないか確認することができます。 アナログ・デバイセズの製品ポートフォリオの拡張に伴って、新 しい無線デバイスがソフトウェア・ツールに追加され、さまざま な周波数のデバイスや異なる変調方式に対応できるようになりま す。ADI SRD Design Studio は、ワイヤレス接続設計者の使用す るツールの中でも特に役に立つ道具となりますが、アナログ・デ バイセズ ADF7xxx ファミリーのトランスミッタやレシーバを設 計する場合には必需品とも言えるでしょう。
参考文献 1. アナログ・デバイセズのウェブサイト：www.analog.com/jp/srddesign 2. Harney, A. および C. O’Mahony『 Wireless Short - Range Devices: Designing a Global License - Free System for Frequencies < 1 GHz 』Analog Dialogue.Vol. 40, No. 1. 2006 年 3 月、pp. 18 ～ 22 3. Hashemi, H.『 The Indoor Radio Propagation Channel 』Proc. IEEE.Vol. 81, No. 7. 1993 年 7 月、pp. 943 ～ 968 著者 Austin Harney（austin.harney@analog. com）は、1999 年にアイルランド、ダブリン の University College で電子工学の学士号を取
得し、卒業後アナログ・デバイセズに入社し ました。彼は現在リメリックをベースとする ISM 帯域ワイヤレス製品ラインのアプリケー ション・エンジニアです。余暇には、サッカー、 音楽、娘たちと過ごす時間を楽しんでいます。
. この記事は、http://www.analog.com/analogdialogue にて、HTML と PDF の両方でご覧いただけます。日本語をご覧いただく場合は、画面の「日本語」をクリックし てください。 Analog Dialogue Volume 42 Number 4
17
