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作者：MathWorks行業(yè)經(jīng)理 Graham Reith 在復雜信號處理與通信技術(shù)的開(kāi)發(fā)中，設計流程的不連續越來(lái)越具有破壞性，并且代價(jià)越來(lái)越高昂。同時(shí)，縮短設計和驗證周期的需求使設計不連續的影響被進(jìn)一步被放大。本文通過(guò)介紹算法設計、系統架構和硬件設計中的幾個(gè)用例，來(lái)展示最近在建模、仿真和代碼生成工具及方法上的重要技術(shù)發(fā)展。 流系統的算法設計 現在越來(lái)越多的工程師開(kāi)始用MATLAB中的浮點(diǎn)運算來(lái)開(kāi)發(fā)信號處理與通信系統算法。這些算法開(kāi)發(fā)人員可以利用MATLAB強大的信號采集和分析功能，以及多個(gè)工具箱的內置算法庫。但是，在有些團隊中，為了算法的優(yōu)化實(shí)現，工程師會(huì )用C代碼重寫(xiě)這些算法，將其轉換為定點(diǎn)或整數運算，或將它們與其他設計元素集成。該重寫(xiě)步驟就是設計流程中一個(gè)潛在的，成本高昂且具有破壞性的典型不連續。 MATLAB提供的數百個(gè)用于信號處理、通信、圖像和視頻處理的新組件，都可作為System對象庫。在MATLAB中，System對象庫是為設計實(shí)時(shí)系統設計的，是即用型打包的算法實(shí)現。它們隱式地處理著(zhù)流、索引、緩沖和狀態(tài)管理，使編寫(xiě)、調試和維護代碼變得更簡(jiǎn)單。 圖1顯示的是帶發(fā)射器、信道和接收器組件的基本通信系統的框圖表示形式。為了對這樣一個(gè)系統進(jìn)行建模和仿真，工程師需要寫(xiě)數千行的C代碼，然后，尋找各種方法，以便將設計與測試設備進(jìn)行集成，或者分析仿真結果。 
圖1：典型通信系統物理層的框圖。 與這數千行C代碼(一般情況下為實(shí)施此通信系統而寫(xiě)入的)相比，圖2中顯示的MATLAB代碼使用了來(lái)自DSP System Toolbox和Communications System Toolbox的若干個(gè)System對象。
圖2：部分MATLAB代碼，展示來(lái)自DSP System Toolbox和Communications System Toolbox的System對象的使用。 例如，要對發(fā)射器進(jìn)行建模，工程師可以按順序實(shí)例化和調用Communications System Toolbox中的Reed-Solomon編碼器、卷積編碼器、區塊交織器、矩形QAM調制器和正交空時(shí)分組碼System對象(如圖2所示)。這種代碼結構讓工程師可以輕松地將其與原始規格或框圖進(jìn)行對比。算法設計師則可以快速地將此代碼與其現有的MATLAB代碼相結合，并使用從測試儀器獲取的實(shí)時(shí)流數據來(lái)測試這些算法。 MATLAB與C/C++相結合 使用System對象編碼的算法可促進(jìn)系統設計流程中的代碼重用。浮點(diǎn)或定點(diǎn)型的MATLAB代碼可以作為系統架構、建模和設計流程的一部分直接包含在Simulink模型中。工程師也可以使用MATLAB Coder從MATLAB代碼自動(dòng)生成C代碼，這包括System對象，在正確驗證后，使用該C代碼進(jìn)行仿真，或與其他C/C++設計元素進(jìn)行集成。 圖3展示的是工程流程中使用MATLAB與C/C++的集成而實(shí)現的幾個(gè)重要用例。例如，工程師可以從C程序直接觸發(fā)MATLAB，以利用MATLAB的信號處理庫或可視化功能；可以在MATLAB中將現有的C/C++設計直接用作外部庫；也可使用MATLAB Compiler部署MATLAB算法， 甚至可使用MATLAB Coder從MATLAB自動(dòng)生成C代碼。
圖3：將MATLAB與C/C++相結合為信號處理應用提供了強大而靈活的算法及系統設計平臺。 RF和數字系統架構 在基于LTE 、藍牙、ZigBee、Wi-Fi或其他技術(shù)規范的RF設計中，第一個(gè)步驟通常是靜態(tài)鏈接預算計算。這些計算提供了良好的起點(diǎn)，但是它們未將輸入信號調制、鏡像效應、干擾以及其他真實(shí)的現象考慮在內。為了對通信系統的RF損失效果進(jìn)行有效的建模和仿真，系統架構師會(huì )同時(shí)采用多個(gè)不相關(guān)聯(lián)的工具，它們可支持數字或模擬/RF設計，但不能同時(shí)支持兩者。 SimRF工具箱與Simulink集成，為 RF收發(fā)器中的多頻動(dòng)態(tài)系統的仿真提供電路包絡(luò )引擎。SimRF工具箱包含非線(xiàn)性放大器、三端口混頻器、S參數模塊和其他基本模塊的行為模型，用于設計含任意拓撲的架構，并對RF前端進(jìn)行系統級仿真。借助SimRF，您可以仿真RF放大器以預估增益、噪聲、奇偶階互調失真�；旌掀鞯姆抡媸鼓梢灶A測鏡像抑制、倒易混頻(Reciprocal mixing)、本地振蕩器相位偏移和DC轉換。您也可以在時(shí)域和頻域，對線(xiàn)性與非線(xiàn)性組件之間的頻率相關(guān)失配進(jìn)行仿真。 SimRF與Simulink相結合，為在統一設計設計中對RF及基帶子系統進(jìn)行建模和仿真提供了通用環(huán)境。通過(guò)結合使用這些工具，系統架構師可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程的早期完成真實(shí)的仿真，并在包含數字和模擬/RF組件的設計中做出合理的權衡決策。 圖4顯示工作在ISM頻段上的低IF接收器的整體系統模型，包含數字信號處理組件和RF接收器子系統。圖中也顯示了采用Hartley IF接收器的RF子系統的詳細信息。與使用兩端口單元相級聯(lián)以及單頻近似值的傳統建模方法不同，使用三端口單元可簡(jiǎn)化接收器模型。該模型也會(huì )使用電路包絡(luò )仿真技術(shù)，并支持多頻建模來(lái)估算干擾器和鏡像信號對非線(xiàn)性接收器的影響�！�
圖4：一個(gè)統一模型中的ISM頻段低IF接收器（含數字和RF子系統）（上圖），以及在SimRF中建模的Hartley接收器RF子系統的詳圖（下圖）。 系統架構師還可以在這統一的環(huán)境下來(lái)研究諸如超外差接收或直接變頻這樣的鏡像抑制方法的可行性和性能提升價(jià)值。除了對RF損失效果進(jìn)行仿真外，系統架構師還可以使用設計中使用過(guò)的相同模型，來(lái)執行仿真中的驗證任務(wù)，而這些任務(wù)通常需要在試驗臺才能完成。
圖5：顯示低IF鏡像抑制結果的輸入（左側）和輸出（右側）功率譜密度圖形。 硬件設計 在完成算法設計和系統架構后，許多開(kāi)發(fā)周期的下一步是FPGA實(shí)現和數字部分的驗證，有時(shí)候會(huì )作為ASIC進(jìn)入最終開(kāi)發(fā)。FPGA原型和實(shí)現中低效率的主要原因是耗時(shí)的設計迭代(這是尋求功耗、性能和區域達到恰當平衡所必需的)。 圖6顯示的是一個(gè)以定點(diǎn)算法來(lái)實(shí)現的對稱(chēng)FIR濾波器。為實(shí)現硬件中的濾波器，工程師必須謹慎地平衡吞吐能力和延遲，并監控所用的硬件資源量�！瓣P(guān)鍵路徑突出顯示”是一項新功能，能針對系統中的潛在瓶頸提供可操作的信息。
圖6：在Simulink中建模的對稱(chēng)定點(diǎn)FIR濾波器。 使用綜合工具生成的后綜合信息，HDL Coder可以在Simulink模型中對關(guān)鍵路徑時(shí)間進(jìn)行注釋。工程師可以利用該信息與流水線(xiàn)技術(shù)，對他們的設計進(jìn)行劃分，以減少關(guān)鍵路徑延遲，并推斷出大部分FPGA上專(zhuān)用DSP可用資源的使用情況。圖7展示了關(guān)鍵路徑自動(dòng)突出顯示和針對每個(gè)路徑段估算延遲的相同的濾波器設計。
圖7：對稱(chēng)的定點(diǎn)FIR濾波器，展示關(guān)鍵路徑和估算的延遲。 如上所述，流水線(xiàn)技術(shù)是工程師用來(lái)解決關(guān)鍵路徑延遲的主要技術(shù)之一。對于流水線(xiàn)技術(shù)，眾所周知的挑戰之一是并行路徑可能存在不匹配延遲，這會(huì )導致意外的系統行為。令人高興的是，用以解決這一問(wèn)題的分布式流水線(xiàn)技術(shù)現在已實(shí)現了自動(dòng)化。通過(guò)選擇該方案，工程師可以自動(dòng)重定時(shí)模型，并在相關(guān)的并行路徑中平衡流水線(xiàn)寄存器所引入的延遲。 在過(guò)去，這些類(lèi)型的設計迭代和權衡評估要求我們投入大量的時(shí)間和精力。最近，包括Workflow Advisor控制臺在內的增強，使工程師能夠以直觀(guān)的方式更快地完成設計迭代。對于那些不是特別熟悉HDL編程卻需要利用FPGA處理的人員來(lái)說(shuō)，這特別有幫助。 除了使用關(guān)鍵路徑突出顯示和分布式流水線(xiàn)技術(shù)外，工程師還可以查看一份自動(dòng)生成的資源使用報告，來(lái)監控所用的關(guān)鍵硬件組件的類(lèi)型和數量，并通過(guò)對多個(gè)可行的設計方案進(jìn)行快速迭代，為給定的情況確定最佳架構選擇。 加速跨團隊的設計 今天的工程經(jīng)理面臨協(xié)調處理整個(gè)系統不同部分的團隊的挑戰，這些團隊位于不同地方、使用不同的工具。在許多情況下，系統級設計最好在圖形環(huán)境中完成，而某些較低級別的細節設計最好在MATLAB或C中最好以文本的形式表示。本文展示了一些提升跨設計流程各個(gè)階段的效率的最新技術(shù)發(fā)展。 對于算法設計，在建模、仿真信號處理，以及通信系統中，System對象庫是一個(gè)重要的新開(kāi)發(fā)工具�，F在，MATLAB中可提供數百個(gè)即用型信號處理與通信System對象。此外，System對象支持定點(diǎn)算法，它們可以與Simulink集成或用于自動(dòng)生成C代碼。SimRF采用電路包絡(luò )仿真技術(shù)，是面向更高效系統架構流程的重要新工具。它使工程師可以在一個(gè)統一的環(huán)境中對RF和基帶系統組件進(jìn)行建模，并執行真正的多頻仿真。 為了縮短硬件設計的設計迭代循環(huán)時(shí)間，HDL Coder中有多個(gè)最新的開(kāi)發(fā)工具，包括Workflow Advisor、關(guān)鍵路徑突出顯示、分布式流水線(xiàn)技術(shù)、回注及資源利用情況報告，這提供了有關(guān)系統性能的可操作信息，并為硬件開(kāi)發(fā)人員簡(jiǎn)化工作流框架。 無(wú)論團隊是小是大，地理位置分散還是位于同一個(gè)辦公室，工程部門(mén)可以應用部分這些技術(shù)來(lái)消除其工作流程中的不連續，并借此簡(jiǎn)化和加速復雜信號處理與通信系統的開(kāi)發(fā)。 |
