基于System Generator的信號處理快速原型設(shè)計(jì)

劉葉盛 孫斯亮 王麗莉 劉慶 魏冬冬 上海航天電子技術(shù)研究所

引言：對于信號處理，軟件無線電的思想是建立通用的硬件平臺，將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A/D）盡量靠近天線，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)各種功能，解放硬件電路。該思想對數(shù)字信號處理提出了更高的要求，原本由模擬電路實(shí)現(xiàn)的濾波、調(diào)制、解調(diào)、頻率合成等信號處理算法均需由軟件實(shí)現(xiàn)。

采用傳統(tǒng)的開發(fā)方法時，復(fù)雜的信號處理算法給軟件實(shí)現(xiàn)帶來了較大難度；測試激勵的產(chǎn)生需要專業(yè)的工具產(chǎn)生，為覆蓋測試帶來了難度；對于較復(fù)雜的系統(tǒng)，無論是后期測試還是迭代改進(jìn)，維護(hù)的難度較大且極易出錯。基于原型實(shí)現(xiàn)的信號處理設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)原型建立完成后即可進(jìn)行仿真驗(yàn)證，修改激勵也更加便捷，并且可以利用豐富的信號分析工具進(jìn)行過程監(jiān)控（軟件仿真測試一般僅有波形），極大的降低了軟件的開發(fā)難度，提高了方案驗(yàn)證的效率。

1 System Generator與原型仿真

1.1 System Generator

System Generator是進(jìn)行數(shù)字信號處理開發(fā)的一種系統(tǒng)級（或算法級）設(shè)計(jì)工具，是DSP高層系統(tǒng)設(shè)計(jì)與FPGA實(shí)現(xiàn)之間的橋梁。將FPGA開發(fā)的一些模塊嵌入到Simulink庫中，借助Simulink提供的強(qiáng)大的高水平的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)圖形化設(shè)計(jì)和數(shù)字信號定點(diǎn)仿真。System Generator支持自動代碼生成，并且可以直接生成比特流文件，下載到FPGA板卡進(jìn)行硬件測試。

Simulink提供了一個創(chuàng)建和仿真動態(tài)系統(tǒng)的可視化環(huán)境，System Generator以Xilinx Blockset 塊的形式嵌入在Simulink庫里。Xilinx Blockset塊包含豐富的IP模塊，專門用于數(shù)字信號處理的運(yùn)算。這些模塊經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證和優(yōu)化，是進(jìn)行高效率設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。利用System Generator進(jìn)行系統(tǒng)級建模，可以包含數(shù)據(jù)流、HDL模塊、IP模塊以及MATLAB語言函數(shù)等，針對特定的邏輯或算法可以通過可擴(kuò)展開發(fā)的Black Box模塊定義實(shí)現(xiàn)。

2.2 原型仿真

原型顧名思義是一個原始模型，或稱參考模型。原型開發(fā)技術(shù)廣泛應(yīng)用于軟件研制，系統(tǒng)建模，生產(chǎn)制造，生物醫(yī)學(xué)，甚至歷史分析領(lǐng)域。原型作為一個基礎(chǔ)參考模型，對于需求分析和增量更新有著重要的存在意義。原型仿真是基于創(chuàng)建模型的仿真系統(tǒng)，原型模型是增量模型的一種形式，是在開發(fā)系統(tǒng)之前，構(gòu)造一個原型，在該原型的基礎(chǔ)上，逐漸完成整個系統(tǒng)的開發(fā)工作。

快速原型是利用原型輔助軟件開發(fā)的一種新思想。一般在需求分析階段很難得到完全、一致、準(zhǔn)確、合理的需求說明，在獲得一組基本需求說明后，就快速的“實(shí)現(xiàn)”，繼而通過原型反饋，加深對系統(tǒng)的理解，待用戶評價(jià)或試用后，對需求說明進(jìn)行補(bǔ)充和精確化，消除不協(xié)調(diào)的系統(tǒng)需求。

2 原型設(shè)計(jì)過程

基于System Generator的信號處理快速原型設(shè)計(jì)參考圖1。需求分析和系統(tǒng)方案確定了系統(tǒng)的原型框架。通過原型系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證需求的實(shí)現(xiàn)情況及算法的合理性，以及是否達(dá)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的預(yù)期。完成原型系統(tǒng)的仿真后即可進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)，該過程可以參考原型系統(tǒng)的架構(gòu)及功能模塊，即建立原型的過程已經(jīng)完成了軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)。軟件測試可以利用原型仿真的輸入作為測試激勵。對于信號處理，復(fù)雜的調(diào)制、信道、加噪等信號均可以通過原型系統(tǒng)快速生成，加快仿真測試的進(jìn)度。

圖1 快速原型設(shè)計(jì)流程

數(shù)字信號處理通常從中頻信號的接收開始，處理完成后，根據(jù)需求輸出相應(yīng)的中頻信號。圖2設(shè)計(jì)了一個典型的數(shù)字信號處理原型系統(tǒng)，可看作通用平臺。

圖2 數(shù)字信號處理原型系統(tǒng)

完成系統(tǒng)方案的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，對系統(tǒng)原型進(jìn)行細(xì)化，完成整個設(shè)計(jì)方案，圖3為包含信號處理算法的原型仿真框圖。

圖3 數(shù)字信號處理算法仿真框圖

圖3中，算法原型可以為代碼實(shí)現(xiàn)提供直觀的架構(gòu)和功能框圖，可視化模塊均可以通過IP實(shí)現(xiàn)，Black box模塊可以直接移植為代碼，極大地降低了代碼設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜度。硬件測試時，可以利用Chipscope等在線調(diào)試工具抓取過程數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果，與原型仿真比對，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。在需求更新或迭代升級時，通過需求分析進(jìn)行反饋，在原型的基礎(chǔ)上進(jìn)行更新，便于追溯，避免二次開發(fā)時可能引入的問題或缺陷。

3 結(jié)束語

基于軟件平臺的設(shè)計(jì)和仿真，僅能在一定程度上驗(yàn)證時序邏輯和算法的正確性，難以復(fù)現(xiàn)真實(shí)的信號激勵；真正意義的硬件實(shí)現(xiàn)，如果是僅對于設(shè)計(jì)或算法的研究驗(yàn)證，不僅耗費(fèi)了大量的硬件資源，而且開發(fā)周期冗長，還需要面臨從軟件仿真直接到硬件實(shí)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，且每一次的修改效率較低。本文介紹的基于System Generator的信號處理快速原型設(shè)計(jì)方法，提供了一種快速實(shí)現(xiàn)軟件仿真和硬件實(shí)現(xiàn)的思路。