牛斌凱 雍少為 張 建 陳 亮

(國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院衛(wèi)星導(dǎo)航定位研發(fā)中心 長(zhǎng)沙 410073)

1 引言

最近幾年,FPGA已經(jīng)成為數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的核心器件,其高速并行運(yùn)算能力使得它成為高性能數(shù)字信號(hào)處理的理想平臺(tái)[1]。然而,數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)者往往使用MATLAB或C/C++語言來進(jìn)行系統(tǒng)建模,而FPGA設(shè)計(jì)者卻使用的是硬件描述語言(HDL)—VHDL或Verilog,所以如何將兩種設(shè)計(jì)方法相結(jié)合,具有一定挑戰(zhàn)。

SysGen是一種系統(tǒng)級(jí)(或算法級(jí))的設(shè)計(jì)工具。較傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)開發(fā)方式,它有著突出的優(yōu)點(diǎn):首先,SysGen能夠在Matlab/Sim ulink提供的高水平運(yùn)行環(huán)境中對(duì)所需的硬件系統(tǒng)進(jìn)行圖形化建模,這種建模方式擴(kuò)展了傳統(tǒng)的HDL設(shè)計(jì)方式,提高了開發(fā)效率[2];其次,在Simulink環(huán)境下建模的數(shù)字系統(tǒng)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換成ISE、FPGA工程,大大減少了系統(tǒng)控制邏輯設(shè)計(jì)用時(shí)及具體硬件實(shí)現(xiàn)用時(shí),降低了出錯(cuò)概率;再次,對(duì)Sys-Gen系統(tǒng)仿真時(shí),Matlab強(qiáng)大的數(shù)據(jù)生成、處理功能與Modlsim等基礎(chǔ)仿真工具很好的結(jié)合了起來,取代了編寫復(fù)雜 testbench的困難;另外,Sys-Gen的硬件聯(lián)合仿真功能,可以讓FPGA作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分,實(shí)現(xiàn)已經(jīng)驗(yàn)證了的大規(guī)模并行計(jì)算,以此來加快系統(tǒng)其他部分仿真的速度。

本文通過分析數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)方法與Sys-Gen的技術(shù)特點(diǎn),總結(jié)了基于SysGen的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)方法和一般流程,并應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)驗(yàn)證了一套數(shù)字下變頻(DDC)系統(tǒng),通過系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析,證明了該方法對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)的建模優(yōu)勢(shì)明顯。

2 基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中,系統(tǒng)級(jí)建模時(shí)往往使用Matlab、C++語言來描述各功能模塊,而在寄存器傳輸級(jí)則使用硬件描述語言(VHDL/Verilog)描述各模塊。傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法流程如圖1所示[3]。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法流程圖

從圖中不難看出,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法會(huì)出現(xiàn)如下弊端:首先,算法設(shè)計(jì)人員需要使用Matlab/C++語言來建立系統(tǒng)級(jí)模型,并驗(yàn)證模型的正確性,在算法實(shí)現(xiàn)階段,原始的Matlab/C++描述必須手工轉(zhuǎn)換為VHDL或Verilog HDL描述。設(shè)計(jì)人員必須同時(shí)掌握高層抽象的Matlab/C++語言和低層細(xì)節(jié)的VHDL或Verilog語言,這兩個(gè)層次轉(zhuǎn)換過程中會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間,并可能產(chǎn)生一些錯(cuò)誤;其次,當(dāng)使用C語言描述的模塊轉(zhuǎn)換成HDL描述的模塊之后,后者將會(huì)成為今后設(shè)計(jì)的焦點(diǎn),而設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量時(shí)間建立起來的C模型將再?zèng)]有什么用處[3];再次,不同層次的設(shè)計(jì)需要使用多個(gè)測(cè)試平臺(tái),因?yàn)樵谙到y(tǒng)級(jí)建立起來的針對(duì)C語言描述的模塊測(cè)試平臺(tái)無法直接轉(zhuǎn)換成針對(duì) HDL語言描述的模塊所需要的測(cè)試平臺(tái);同時(shí),對(duì)于規(guī)模大、復(fù)雜度高的系統(tǒng),軟件與RTL模型聯(lián)合仿真的速度過于緩慢,很難進(jìn)行有效的仿真,驗(yàn)證結(jié)果難以滿足一致性要求。

使用SysGen可以避免以上問題。這種工具可以在同一環(huán)境下(Matlab/Simu link)完成數(shù)字系統(tǒng)算法的模型設(shè)計(jì),算法模型向ISE工程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,以及測(cè)試向量的自動(dòng)生成等[3]。其硬件聯(lián)合仿真(Hardware Co-sim)功能能夠提升系統(tǒng)仿真驗(yàn)證速度。

3 基于SysGen的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

3.1 SysGen簡(jiǎn)介

SysGen繼承了Simulink的模塊化建模方式及其動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、和分析功能,同時(shí),它還可以將功能模塊定義的系統(tǒng)參數(shù)映射為硬件實(shí)現(xiàn)中的實(shí)體、結(jié)構(gòu)、端口、信號(hào)和屬性,并能夠自動(dòng)生成FPGA綜合、仿真和實(shí)現(xiàn)工具所需的命令文件。由此可見,SysGen是數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與XILINX FPGA 實(shí)現(xiàn)之間的“橋梁”[7]。

在SysGen的基本元件庫(kù)中,有幾個(gè)重要模塊值得提出。System Generator模塊:該模塊可以配置SysGen系統(tǒng)的采樣時(shí)間,硬件相關(guān)程序的生成,它是每個(gè)SysGen系統(tǒng)的必備模塊;Gateway模塊:該模塊用于雙精度運(yùn)算與定點(diǎn)運(yùn)算之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換,是XILINX模塊與非XILINX模塊之間的鏈接模塊;BlackBox模塊:該模塊用于裝載設(shè)計(jì)師自行定義的 HDL模型,當(dāng)HDL描述被載入BlackBox時(shí),SysGen可以自動(dòng)生成HDL代碼與Simulink相鏈接的.m文件,文件確保了HDL功能模塊與Simulink的有效通信,載入HDL代碼后的BlaxkBox模塊與該HDL描述有著相同的輸入、輸出端口和功能;ModelSim HDL co-simulation模塊[1]:當(dāng)設(shè)計(jì)中含有BlackBox加載的HDL功能模塊時(shí),ModelSim HDL co-sim u lation模塊用來配置一個(gè)或幾個(gè)BlackBox,該模塊的功能就是將HDL代碼放到ModelSim中運(yùn)行,然后將ModelSim得到的結(jié)果再導(dǎo)入到系統(tǒng)模塊中。

通過這一工具,用戶可以:1)用Sim ulink開發(fā)DSP;2)用System Generator for DSP自動(dòng)將Simulink模型轉(zhuǎn)成面向Xilinx FPGA的VHDL/Verilog代碼;3)使用Xilinx公司提供的IP核。

3.2 SysGen的一般建模方法

應(yīng)用SysGen設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)時(shí),設(shè)計(jì)者可應(yīng)用Matlab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行算法建模,同時(shí)確定軟硬件劃分及各功能模塊劃分;SysGen的模型庫(kù)中提供了相當(dāng)豐富的數(shù)字信號(hào)處理模塊,如FFT、FIR、DDS等等,這些模塊模型對(duì)應(yīng)著IP核庫(kù)組件,設(shè)計(jì)者只需按照算法要求拖拽、配置所需模塊就可完成功能模塊設(shè)計(jì)。當(dāng)然,設(shè)計(jì)者還可以針對(duì)具體需求自行編寫.m/.v/.vhd類型的代碼模塊,然后通過載體模塊(BlackBox、MCode)將代碼模塊加載到系統(tǒng)中去,從而實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì);將各模塊相互連接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型搭建后,SysGen能夠?qū)⑾到y(tǒng)模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成ISE工程、FPGA工程,同時(shí)為系統(tǒng)的 HDL仿真、綜合、布線生成了腳本文件、約束文件;Simu link提供的各種信號(hào)源模型、示波器模型能夠用來完善驗(yàn)證環(huán)境搭建,為系統(tǒng)級(jí)仿真提供了條件。應(yīng)用自動(dòng)生成的testbench測(cè)試代碼、測(cè)試文件,SysGen系統(tǒng)模型能夠在Sim ulink環(huán)境下完成系統(tǒng)仿真驗(yàn)證;SysGen可最終將設(shè)計(jì)系統(tǒng)編譯綜合成可上板調(diào)試的FPGA工程。

圖2 應(yīng)用SysGen的一般建模方法流程圖

這種系統(tǒng)級(jí)建模方式不需要開發(fā)人員自行編寫代碼,不存在算法設(shè)計(jì)向 HDL描述手工轉(zhuǎn)換的問題,甚至不必對(duì)算法和FPGA結(jié)構(gòu)有相當(dāng)?shù)牧私?。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)之間反復(fù)而便捷的迭代驗(yàn)證極大地提高了開發(fā)效率。Sys-Gen的一般建模方法流程圖如圖2所示。

一般來說,從使用SysGen進(jìn)行系統(tǒng)建模到完成設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)步驟[6]:1)用數(shù)字語言來描述算法;2)在設(shè)計(jì)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)算法,開始時(shí)使用雙精度;3)把雙精度算法轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)算法;4)把設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成有效的硬件。

4 基于SysGen的數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 數(shù)字下變頻基本原理[4]

數(shù)字下變頻是無線電或移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)字接收系統(tǒng)(如GPS接收機(jī))采用下變頻,將接收到的射頻信號(hào)搬移到中頻上,或者由中頻變?yōu)榱阒蓄l信號(hào)。從工作原理講,下變頻就是輸入信號(hào)與一個(gè)本地振蕩信號(hào)的乘法運(yùn)算。設(shè)輸入信號(hào)為a(t)cos(ωct),本地振蕩信號(hào)為 A coscos(ωc-ωL)t。利用濾波器濾除和頻(ωc+ωL)保留差頻(ωc-ωL)就是下變頻。若 ωc=ωL就得到了零中頻信號(hào)。變頻器主要功能有:1)降低數(shù)據(jù)速率,從而降低后續(xù)電路的復(fù)雜度;2)將中頻信號(hào)變至基帶信號(hào);3)濾除有效信號(hào)帶外的干擾信號(hào)。

4.2 基于SysGen的數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的DDC系統(tǒng)由數(shù)字混頻器、數(shù)控振蕩器和低通濾波器三部分組成,其基本流程如圖3。

圖3 數(shù)字下變頻流程示意圖

該設(shè)計(jì)輸入為兩個(gè)頻率(42MHz、48MH z)混合后的單載波,混頻頻率 ωL為40MH z,輸入信號(hào)與數(shù)控振蕩器混頻后完成頻譜遷移,混頻信號(hào)通過兩級(jí)低通濾波,8MHz的單載波被抑制,最后輸出I/Q兩支路信號(hào)。濾波處理的過程設(shè)計(jì)為第一級(jí)低通濾波的同時(shí)完成5倍的降采樣操作,第二級(jí)濾波為同頻輸入輸出。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖4 DDC系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

按照上述的SysGen系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和流程,在明確算法設(shè)計(jì)后可展開各模塊的建模。該DDC系統(tǒng)信號(hào)源采用兩個(gè)Simulink提供的信號(hào)發(fā)生器(SineWave)模塊,混頻模塊為SysGen模型庫(kù)中的數(shù)控振蕩器模塊(DDS)、乘法器模塊(Mult)也由SysGen模型庫(kù)提供,各模塊參量配置如前所述。設(shè)計(jì)FIR濾波器模塊時(shí),我們嘗試了兩種實(shí)現(xiàn)方式。第一種方式應(yīng)用IP core生成兩個(gè)不同參量的FIR濾波器的HDL描述,將這兩個(gè)HDL描述各自例化兩次(I/Q兩支路)后,載入兩個(gè)BlackBox模塊中,鏈接兩級(jí)黑盒子形成圖5所示的DDC系統(tǒng);第二種方式應(yīng)用SysGen模型庫(kù)中的FIR模型(濾波器系數(shù)與第一種方式相同),其他模塊相同。由于兩種建模方式結(jié)果相同,第二種方式的建模與仿真過程不再給出。

圖5 基于SysGen設(shè)計(jì)的 DDC系統(tǒng)

4.3 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證應(yīng)用SysGen設(shè)計(jì)出來的數(shù)字系統(tǒng)與該系統(tǒng)算法級(jí)描述在輸出結(jié)果上的一致性,我們應(yīng)用Sim ulink與SysGen并行地搭建了上述討論的DDC系統(tǒng)(省略5倍降采樣部分),同時(shí)要求兩者的結(jié)果誤差不超過百分之一。SysGen系統(tǒng)參量設(shè)置如下:系統(tǒng)的采樣率為100MH z,FPGA時(shí)鐘頻率為10ns,仿真時(shí)間250μs。在仿真環(huán)境相同的情況下,仿真數(shù)據(jù)如圖6所示。比較兩組數(shù)據(jù)可見,SysGen系統(tǒng)滿足算法一致性要求,由量化和字長(zhǎng)效應(yīng)產(chǎn)生的誤差不超過百分之一,可以忽略。

圖6 Simu link與SysGen仿真結(jié)果比較圖

在SysGen設(shè)計(jì)滿足算法一致性要求的基礎(chǔ)上,我們對(duì)該DDC系統(tǒng)進(jìn)行SysGen與ModelSim的聯(lián)合仿真(SysGen參量設(shè)置不變,仿真時(shí)間仍為250μs),仿真用時(shí)82s,然后把系統(tǒng)編譯綜合成可上板調(diào)試狀態(tài)(如圖7所示),并進(jìn)行調(diào)試。實(shí)際電路板上時(shí)鐘晶振為50MH z,仿真時(shí)間250μs,所用的FPGA芯片型號(hào)為Spartan3 xc3s2000-4fg676,數(shù)據(jù)由FPGA下載線纜與PC進(jìn)行傳輸。Hardware Co-Sim結(jié)果與SysGen、ModelSim聯(lián)合仿真結(jié)果一致,如圖8所示,仿真用時(shí)46s,仿真速度有近44%的提高。

由上述仿真結(jié)果可見,SysGen建模滿足算法與系統(tǒng)模型的一致性要求,仿真過程無需使用多個(gè)測(cè)試平臺(tái),簡(jiǎn)潔高效。SysGen系統(tǒng)上板調(diào)試的仿真用時(shí)較軟件與RTL模型聯(lián)合仿真的仿真用時(shí)有很大程度的縮減,這一優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用SysGen的Hardware Co-Sim功能實(shí)現(xiàn)硬件加速的基礎(chǔ)。今后可以在SysGen建模的大系統(tǒng)中直接加入適合在FPGA中實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算(如大型并行計(jì)算)模塊,這種半實(shí)物仿真可以更迅速地驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足功能要求。

5 結(jié)語

本文首先分析了傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程,針對(duì)傳統(tǒng)方法中算法設(shè)計(jì)與軟硬件設(shè)計(jì)脫節(jié)及聯(lián)合仿真速度慢的弊端,提出了應(yīng)用Simulink/SysGen設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的相關(guān)方法。應(yīng)用新方法,本文設(shè)計(jì)、驗(yàn)證了一套數(shù)字下變頻系統(tǒng)。在DDC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中,我們應(yīng)用SysGen提供BlackBox載入了自行設(shè)計(jì)的功能模塊,完成了Simulink、ModelSim的聯(lián)合仿真與硬件聯(lián)合仿真,各項(xiàng)仿真結(jié)果一致,硬件聯(lián)合仿真速度較純軟件系統(tǒng)執(zhí)行速度有明顯提高。

該DDC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中,應(yīng)用到的方法和積累下的經(jīng)驗(yàn)為下一步工作奠定了必要的實(shí)踐基礎(chǔ),應(yīng)用硬件聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)中復(fù)雜運(yùn)算部分的硬件加速將是下一步研究的重點(diǎn)。

[1]紀(jì)志成,高春能.FPGA數(shù)字信號(hào)處理設(shè)計(jì)教程[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2008,2

[2]Shashikala Narasimha Murthy,Wendy Alvis,Rakesh Shirodkar,et al.Methodology for Imp lementation of UnmannedVehicle Control on FPGA Using System Generator[J].978-1-4244-1957-9/08/＄25.00 2008 IEEE

[3]劉強(qiáng).基于SystemC的系統(tǒng)級(jí)芯片設(shè)計(jì)方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),1004-373X(2005)09-033-03

[4]張公禮.全數(shù)字接收機(jī)理論與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2005,1

[5]Xilinx.System Generator Manual[Z]

[6]徐欣,于紅旗,易凡,等.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005,1

[7]紀(jì)志成,陳婭冰,周治平.基于SG/Simulink無印直流電機(jī)混合建模與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),1004-731X(2005)03-0525-04

[8]陳永春.從Matlab/Simu link模型到代碼實(shí)現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002,1