MATLAB基于FPGA和ASIC的數(shù)字收發(fā)器的開發(fā)和利用分析

無線RF接收器在許多應用中都會用到，包括無線安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控、儀表讀數(shù)和家庭自動化等等。過去，半導體供應商主要使用模擬設計來構(gòu)建這些接收器。如今，供應商正在轉(zhuǎn)換到數(shù)字和混合信號設計，以期降低功耗和簡化與其他組件的集成。

對于基于模型的設計，Semtech工程師擴展了對MathWorks工具的使用，目的是為了過渡至數(shù)字平臺。多年來，工程師使用MATLAB和Filter Design HDL Coder為濾波器建模和生成HDL代碼。在最近的項目中，他們使用了Simulink和HDL Coder為整個設計生成VHDL。

Semtech SX1231 無線收發(fā)器

挑戰(zhàn)

Semtech工程師需要使用低IF架構(gòu)為頻移鍵控(FSK)和最小頻移鍵控(MSK)解調(diào)開發(fā)數(shù)字接收器鏈。他們希望在工程的先期研究階段，就針對性能、功耗和布局等性能，評估多種設計。為每個設計備選方案編寫VHDL較為費時，而且限制了團隊可以考慮的備選方案數(shù)量。

除了原型制作階段外，Semtech工程師希望改善傳統(tǒng)的產(chǎn)品代碼開發(fā)工作流程。“對系統(tǒng)進行建模，確保它們符合要求之后，我們以往是在VHDL中重新實現(xiàn)模型，然后在新工具中重新執(zhí)行仿真”，Prianon說道?！斑@樣做隨時都有可能引入錯誤，并且我們永遠無法保證模型完全與新的VHDL代碼一致。”

解決方案

Semtech使用MathWorks工具進行基于模型的設計，來快速探索和評估各種設計思想，自動生成產(chǎn)品級VHDL代碼，改善工程師團隊之間的協(xié)作，從而加快用于FSK和MSK解調(diào)的數(shù)字接收器鏈開發(fā)。

在先期研究階段，Semtech工程師根據(jù)系統(tǒng)需求規(guī)范在Simulink中創(chuàng)建了浮點模型。他們使用來自Communications System Toolbox中的模塊對信道中的噪音進行建模，并實現(xiàn)FSK和MSK解調(diào)。

借助Signal Processing Toolbox以及DSP System Toolbox，一位工程師設計并分析了級聯(lián)積分梳狀(CIC)和有限脈沖響應(FIR)數(shù)字濾波器，而另一位工程師則使用Simulink分析設計sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、鎖相環(huán)路(PLL)以及整個系統(tǒng)的其他部分。

一旦分別完成數(shù)字接收器鏈的各個部分的仿真，工程師就可以相互共享Simulink模型，從而在完成系統(tǒng)集成之前驗證自己的組件設計是否可以共同工作。

“手工編寫VHDL沒有任何優(yōu)勢可言。編寫VHDL是一件非?？菰锏氖虑?，還需要驗證手寫代碼。利用Simulink和HDL Coder，一旦完成對模型的仿真，就可以直接自動生成VHDL，并使用FPGA進行原型驗證。這樣可以節(jié)省大量時間，并且生成的代碼還包含一些我們未曾想到的優(yōu)化。”

—— Frantz Prianon, Semtech

工程師運行仿真來驗證設計，并使用Communications System Toolbox中的誤碼率計算模塊來計算誤碼率。

借助Fixed-Point Designer，他們將設計從浮點轉(zhuǎn)變?yōu)楣潭c表示形式，從而進行比特位級的仿真。

Semtech工程師使用HDL Coder從完整的接收器鏈的Simulink模型生成VHDL。為了驗證VHDL，他們使用了HDL Verifier來通過Mentor Graphics Questa仿真器聯(lián)合仿真以驗證其Simulink設計與生成VHDL代碼的一致性。

結(jié)果

創(chuàng)建原型的速度提高了50%?！霸谖覀冏孕芯帉慥HDL時，通常需要兩個月才能創(chuàng)建FPGA原型”，Prianon說道?！敖柚鶶imulink和HDL Coder，我們無需再對每個模塊進行繁瑣的手動編碼，只需數(shù)周便可創(chuàng)建原型。

驗證時間從數(shù)周縮短為數(shù)天?！霸谥暗捻椖恐?，我們至少需要花兩周時間來編寫用于驗證VHDL的測試用例”，Prianon回想說?！敖柚鶫DL Verifier，我們可以進行聯(lián)合仿真，測試模型中的多個關鍵點，并驗證VHDL，通常不到一天就可以完成?！?/p>

最終交付經(jīng)過優(yōu)化、性能更佳的設計。基于模型的設計讓Semtech可以將從需求到下線的開發(fā)時間縮短 33%。“我們用節(jié)省下來的時間改善設計”，Prianon說?！癕athWorks工具讓我們可以探索更多備選方案和新功能，最終提供優(yōu)化更好、效果更佳的設計。”