MATLAB基于FPGA和ASIC的数字收发器的开发和利用分析

无线RF接收器在许多应用中都会用到，包括无线安全系统、工业监控、仪表读数和家庭自动化等等。过去，半导体供应商主要使用模拟设计来构建这些接收器。如今，供应商正在转换到数字和混合信号设计，以期降低功耗和简化与其他组件的集成。

对于基于模型的设计，Semtech工程师扩展了对MathWorks工具的使用，目的是为了过渡至数字平台。多年来，工程师使用MATLAB和Filter Design HDL Coder为滤波器建模和生成HDL代码。在最近的项目中，他们使用了Simulink和HDL Coder为整个设计生成VHDL。

Semtech SX1231 无线收发器

挑战

Semtech工程师需要使用低IF架构为频移键控(FSK)和最小频移键控(MSK)解调开发数字接收器链。他们希望在工程的先期研究阶段，就针对性能、功耗和布局等性能，评估多种设计。为每个设计备选方案编写VHDL较为费时，而且限制了团队可以考虑的备选方案数量。

除了原型制作阶段外，Semtech工程师希望改善传统的产品代码开发工作流程。“对系统进行建模，确保它们符合要求之后，我们以往是在VHDL中重新实现模型，然后在新工具中重新执行仿真”，Prianon说道。“这样做随时都有可能引入错误，并且我们永远无法保证模型完全与新的VHDL代码一致。”

解决方案

Semtech使用MathWorks工具进行基于模型的设计，来快速探索和评估各种设计思想，自动生成产品级VHDL代码，改善工程师团队之间的协作，从而加快用于FSK和MSK解调的数字接收器链开发。

在先期研究阶段，Semtech工程师根据系统需求规范在Simulink中创建了浮点模型。他们使用来自Communications System Toolbox中的模块对信道中的噪音进行建模，并实现FSK和MSK解调。

借助Signal Processing Toolbox以及DSP System Toolbox，一位工程师设计并分析了级联积分梳状(CIC)和有限脉冲响应(FIR)数字滤波器，而另一位工程师则使用Simulink分析设计sigma-delta模数转换器(ADC)、锁相环路(PLL)以及整个系统的其他部分。

一旦分别完成数字接收器链的各个部分的仿真，工程师就可以相互共享Simulink模型，从而在完成系统集成之前验证自己的组件设计是否可以共同工作。

“手工编写VHDL没有任何优势可言。编写VHDL是一件非常枯燥的事情，还需要验证手写代码。利用Simulink和HDL Coder，一旦完成对模型的仿真，就可以直接自动生成VHDL，并使用FPGA进行原型验证。这样可以节省大量时间，并且生成的代码还包含一些我们未曾想到的优化。”

—— Frantz Prianon, Semtech

工程师运行仿真来验证设计，并使用Communications System Toolbox中的误码率计算模块来计算误码率。

借助Fixed-Point Designer，他们将设计从浮点转变为固定点表示形式，从而进行比特位级的仿真。

Semtech工程师使用HDL Coder从完整的接收器链的Simulink模型生成VHDL。为了验证VHDL，他们使用了HDL Verifier来通过Mentor Graphics Questa仿真器联合仿真以验证其Simulink设计与生成VHDL代码的一致性。

结果

创建原型的速度提高了50%。“在我们自行编写VHDL时，通常需要两个月才能创建FPGA原型”，Prianon说道。“借助Simulink和HDL Coder，我们无需再对每个模块进行繁琐的手动编码，只需数周便可创建原型。

验证时间从数周缩短为数天。“在之前的项目中，我们至少需要花两周时间来编写用于验证VHDL的测试用例”，Prianon回想说。“借助HDL Verifier，我们可以进行联合仿真，测试模型中的多个关键点，并验证VHDL，通常不到一天就可以完成。”

最终交付经过优化、性能更佳的设计。基于模型的设计让Semtech可以将从需求到下线的开发时间缩短 33%。“我们用节省下来的时间改善设计”，Prianon说。“MathWorks工具让我们可以探索更多备选方案和新功能，最终提供优化更好、效果更佳的设计。”