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針對訊號處理與通訊系統的下一代設計流程

上網時間: 2014年08月04日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:訊號處理  通訊系統  設計流程  數位系統架構 

作者:Graham Reith,MathWorks 產業經理

在開發複雜訊號處理與通訊技術時,設計流程的不連續性越來越具有破壞性,而且代價也持續高漲。同時,縮短設計和驗證週期的需求,使得設計不連續的影響被進一步被放大。本文透過介紹演算法設計、系統架構和硬體設計中的幾個用例,展示最近在建模、模擬和程式碼產生工具與方法的重要技術發展。

串流系統的演算法設計

越來越多的工程師開始利用MATLAB中的浮點運算來開發訊號處理與通訊系統演算法。這些演算法開發人員可以利用MATLAB的訊號擷取和分析功能,以及多個工具箱的內建演算法資料庫。然而,為了演算法的最佳化建置,有些工程師會用C程式碼重新編寫演算法,將其轉換為定點或整數運算,或將它們與其他設計計畫整合。該重寫步驟就是設計流程中可能導致成本高昂且具有破壞性的典型不連續性。

MATLAB提供數百個用於訊號處理、通訊、影像和視訊處理的新元件,都可作為System物件程式庫。在MATLAB中,System物件程式庫是專為設計即時系統而設計,是隨開即用型的演算法建置。它們能夠處理串流、索引、緩衝和狀態管理,使編寫、除錯和維護程式碼變得更簡單。

典型通訊系統的實體層方塊圖
圖1:典型通訊系統的實體層方塊圖。

圖1顯示搭載發射器、通道和接收器元件的基本通訊系統方塊圖。為了對此系統進行建模與模擬,工程師必須編寫數千行C程式碼,然後,透過各種方式讓設計與測試設備整合,或者分析模擬結果。

相較於這數千行C程式碼(通常是為建置該通訊系統而編寫的),圖2顯示的 MATLAB 程式碼使用來自DSP System Toolbox和Communications System Toolbox的若干個System物件。

DSP System Toolbox和Communications System Toolbox的System物件
圖2:一部份的MATLAB程式碼顯示使用了DSP System Toolbox和Communications System Toolbox的System物件。

例如,在針對發射器進行建模時,演算法工程師可以依序產生實體和除錯Communications System Toolbox中的 Reed-Solomon 編碼器、卷積編碼器、區塊交錯器、矩形QAM調變器和正交空時差分編碼系統物件(如圖2所示)。這種程式碼結構讓工程師可輕鬆地將其與原始規格或框圖進行比較。演算法設計師則可以快速地將此程式碼與其現有的MATLAB程式碼相結合,並使用從測試儀器獲取的即時串流資料來測試這些演算法。

結合MATLAB與C/C++

使用System物件編碼的演算法可促進系統設計流程中的程式碼重用。浮點或定點型的MATLAB程式碼可作為系統架構、建模和設計流程的一部份直接包含在Simulink模型中。工程師也可以使用MATLAB Coder從MATLAB程式碼自動產生C程式碼,這包括System物件,在正確驗證後,使用該C程式碼進行模擬,或與其他C/C++設計計畫進行整合。

結合MATLAB與C/C++,為訊號處理應用提供強大而靈活的演算法與系統設計平台。
圖 3:結合MATLAB與C/C++,為訊號處理應用提供強大而靈活的演算法與系統設計平台。

圖3顯示工程流程中使用MATLAB與C/C++的整合而實現的幾個重要用例。例如,工程師可從C程式直接觸發MATLAB,以利用MATLAB的訊號處理庫或視覺化功能;可在MATLAB中將現有的C/C++設計直接作為外部庫;也可使用MATLAB Compiler部署MATLAB演算法, 甚至可使用MATLAB Coder從MATLAB自動產生C程式碼。

RF和數位系統架構

在基於LTE、藍牙、ZigBee、Wi-Fi或其他技術規格的RF設計中,第一步通常是靜態連結預算計算。這些計算提供了好的起點,但卻未將輸入訊號調變、鏡像效應、干擾以及其他真實世界的現象考慮在內。為了對通訊系統的RF損失效果進行有效的建模和模擬,系統架構師會同時採用多個不相關聯的工具,它們可支援數位或類比/RF設計,但不能同時支援兩者。

整合SimRF工具箱與Simulink,為 RF收發器中的多頻動態系統模擬提供了電路封包引擎。SimRF工具箱包含非線性放大器、三埠混頻器、S參數模組和其他基本模組的行為模型,用於設計含任意拓撲的架構,並對RF前端進行系統級模擬。藉由SimRF,您可以模擬RF放大器以預估增益、雜訊、奇偶階互調失真。混合器的模擬則可用於預測鏡像抑制、相互混頻、本地振盪器相位偏移和DC轉換。此外,還可以在時域和頻域,對線性與非線性元件之間的頻率相關失配進行模擬。

SimRF與Simulink共同為為統一設計中RF與基頻子系統的建模和模擬提供了通用環境。透過結合使用這些工具,系統架構師可在開發過程的早期完成真實的模擬,並在包含數位和類比/RF元件的設計中做出合理的權衡決策。

統一模型中的ISM頻段低IF接收器與SimRF建模的Hartley接收器RF子系統
圖4:在統一模型中的ISM頻段低IF接收器(含數位和RF子系統)(上圖),以及在SimRF中建模的 Hartley接收器RF子系統圖(下圖)。

圖4顯示作業於ISM頻段的低IF接收器整體系統模型,包含數位訊號處理元件和RF接收器子系統。圖中也顯示採用Hartley IF接收器的RF子系統詳細資訊。相較於使用兩埠單元相互串聯以及單頻近似值的傳統建模方法,使用三埠單元可簡化接收器模型。該模型也會使用電路封包模擬技術,並支援多頻建模來估算干擾器和鏡像訊號對非線性接收器的影響。

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
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。

系統架構師還可在統一的環境下研究諸如超外差接收或直接變頻等鏡像抑制方法的可行性和性能以提升價值。除了對RF損失效果進行模擬外,系統架構師還可以使用設計中使用過的相同模型,以便簡化執行模擬中的驗證任務,而這些任務通常需要在試驗台才能完成。

硬體設計

在完成演算法設計和系統架構後,許多開發週期的下一步是FPGA建置和數位部份的驗證,有時候會作為ASIC進入最終開發。FPGA原型和建置中低效率的主要原因是耗時的設計反覆運算(這是尋求功耗、性能和區域達到恰當平衡所必須的)。

在Simulink中建模的對稱定點FIR濾波器
圖6:在Simulink中建模的對稱定點FIR濾波器。

圖6顯示一個以定點演算法所建置的對稱FIR濾波器。為了建置硬體中的濾波器,工程師必須謹慎地平衡吞吐能力和延遲,並監控所用的硬體資源量。‘關鍵路徑突出顯示’是一項新功能,能針對系統中的潛在瓶頸提供可作業的資訊。

對稱的定點FIR濾波器顯示關鍵路徑和估算的延遲。
圖7:對稱的定點FIR濾波器顯示關鍵路徑和估算的延遲。

使用以合成工具產生的後合成資訊,HDL Coder可在Simulink模型中對關鍵路徑時間進行注釋。工程師可利用該資訊與管線技術,對設計進行劃分,以減少關鍵路徑延遲,並推斷出大部份FPGA上專用DSP可用資源的使用情況。圖7展示關鍵路徑自動突出顯示和針對每個路徑段估算延遲的相同的濾波器設計。

如上所述,管線技術是工程師用來解決關鍵路徑延遲的主要技術之一。對於管線技術,其挑戰之一在於平行路徑可能具有不匹配延遲,從而導致意外的系統行為。值得慶幸的是,用來解決這個問題的分散式管線技術目前已實現自動化了。透過選擇該方案,工程師可自動重定時間模型,並在相關的平行路徑中平衡管線暫存器所導入的延遲。

在過去,這些類型的設計反覆運算和權衡評估要求我們投入大量的時間和精力。最近,包括Workflow Advisor控制台在內的增強,使工程師能夠以直觀的方式更快地完成設計反覆運算。對於那些不是特別熟悉HDL程式設計卻需要利用FPGA處理的人員來說,這特別有幫助。

除了使用關鍵路徑突出顯示和分散式管線技術外,工程師還可以查看一份自動產生的資源使用報告,以監控使用關鍵硬體元件的類型和數量,並透過對多個可行的設計方案進行快速反覆計算,為特定的情況確定最佳架構選擇。

加速跨團隊的設計

當今的工程經理面臨為多個團隊協調處理整個系統不同部份的挑戰,這些團隊位於不同地點、使用不同的工具。在許多情況下,系統級設計最好在圖形化的環境中完成,而一些較低等級的細節設計最好在MATLAB或C中以文本的形式表示。本文提供了一些為跨設計流程各階段提升效率的最新技術發展。

對於演算法設計,在建模、模擬訊號處理與通訊系統中,System物件程式庫是一個重要的新開發工具。現在,MATLAB中可提供數百個即用型訊號處理與通訊System物件。此外,System物件支援定點演算法,它們能與Simulink整合或用於自動產生C程式碼。SimRF採用電路封包模擬技術,是針對更高效系統架構流程的重要新工具。它使工程師可在一個統一的環境中對RF和基頻系統元件進行建模,並執行真正的多頻模擬。

為了縮短硬體設計反覆運算迴圈的時間,HDL Coder中有多個最新的開發工具,包括Workflow Advisor、關鍵路徑突出顯示、分散式管線技術、反向標註以及資源利用情況報告,這提供了有關系統性能的可作業資訊,並為硬體開發人員簡化工作流程架構。

無論團隊是小是大,地理位置分散還是位於同一個辦公室,工程部門可應用這些技術中的任何部份來消除工作流程中的不連續性,並藉此簡化與加速複雜訊號處理與通訊系統的開發。

(參考原文:Next Generation Design Flows for Signal Processing and Communications,by Graham Reith)





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