Содержание к диссертации
Введение
2. Разработка и оптимизация алгоритмов и моделей для цифровых квадратурных модуляторов 10
2.1.Вводные замечания 10
2.2. Обзор математического аппарата для ЦКМ 10
2.3.Оптимизация алгоритмов прямого цифрового синтеза несущей частоты 12
2.4.Оптимизация алгоритмов быстродействующей фильтрации для ЦКМ 40
2.5. Системный подход в реализации быстродействующих схем ЦКМ 61
2.6 Выводы по главе 73
3. Реализация маршрута проектирования ЦКМ 75
3.1 Вводные замечания 75
3.2 Системная проработка моделей и алгоритмов блоков в среде Simulink Matlab 82
3.3 Разработка синтезируемого HDL-описания 85
3.4 Финальный синтез проекта квадратурного модулятора 105
3.5 Выводы по главе 111
4. Методы верификации и тестирования СБИС ЦКМ 112
4.1 Вводные замечания 112
4.2 Создание тестовых модулей для HDL-описания ЦКМ 112
4.3 Прототипирование СБИС ЦКМ 118
4.4 Проработка методики тестирования СБИС ЦКМ 120
4.5 Выводы по главе 126
5. Заключение 127
Список литературы 128
- Обзор математического аппарата для ЦКМ
- Системный подход в реализации быстродействующих схем ЦКМ
- Системная проработка моделей и алгоритмов блоков в среде Simulink Matlab
- Создание тестовых модулей для HDL-описания ЦКМ
Введение к работе
Актуальность работы. Современный уровень техники систем связи
требует постоянного повышения быстродействия создаваемых каналов связи.
Решить эту задачу без применения цифровых методов обработки сигналов
практически невозможно. Реализация цифровых алгоритмов в виде
квадратурной обработки позволяет добиться дополнительной гибкости и
повышенных характеристик по сравнению с аналоговой реализацией. В
настоящее время цифровые квадратурные модуляторы (ЦКМ) находят самое
широкое применение в значительной части приложений систем связи. В свою
очередь возможности современного микроэлектронного производства
позволяют создать СБИС, включающие в себя не только сложные и
быстродействующие операции цифровой обработки сигналов, но и
быстродействующие аналого-цифровые преобразователи, размещенные на
едином кристалле СБИС. Такое построение ЦКМ позволяет получить
максимальное быстродействие, оптимизировать энергопотребление и
реализовать современные цифровые методы модуляции в интегральном исполнении.
Большой вклад в эту работу внесли современные зарубежные ученые, такие как Лайонс Р, Кестер У., Оппенгейм А., Скляр Б., Джентил К., Николас Т., а также российские ученые: Сабунин А.Е., Волович Г.И.
Ведущей организацией по конструированию и промышленному
изготовлению цифровых квадратурных модуляторов и демодуляторов является Analog Devices (устройства AD66xx, AD834x, AD977x, D987x и др.).
Существующие модели и алгоритмы оптимизации ЦКМ в приложениях с повышенным быстродействием и низким энергопотреблением как привило, требуют более глубокой оптимизации и анализа методик, применяемых в различных модулях ЦКМ.
Научная задача, решаемая в данной работе заключается в создании
методики проектирования высокопроизводительных ЦКМ на базе
современного маршрута изготовления СБИС. Отечественные разработки подобного направления не проводились. В связи с этим поставленная задача по методике разработки и технологии изготовления СБИС цифрового квадратурного модулятора-преобразователя с физической реализацией конечного продукта является важной задачей импортозамещения, что определяет актуальность данной работы.
Цель работы и задачи исследований. Основной целью работы является разработка и оптимизация методики проектирования цифровых квадратурных модуляторов с реализацией по технологии системы на кристалле СБИС, учитывающая быстродействие, площадь на кристалле и энергопотребление микросхемы. Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
-
Разработать новую методику проектирования ЦКМ.
-
Провести оптимизацию проектирования ЦКМ по критериям быстродействия, площади на кристалле и энергопотреблению.
-
Произвести оптимизацию разработки САПР, позволяющую получить исходный код и схемотехническое описание СБИС.
-
Выполнить верификацию ЦКМ, исходя из полученных ранее моделей СБИС алгоритмической части ЦКМ.
-
Разработать новую методику тестирования СБИС ЦКМ и реализовать ее на уровне полупроводниковой микросхемы.
-
Решить проблему прототипирования ЦКМ на уровне программируемых логических интегральных микросхем (ПЛИС).
Методы исследования. В работе использовался математический аппарат теории вероятностей, линейной алгебры и вычислительной математики. Экспериментальная проверка результатов исследования проводилась на физических и математических моделях с помощью натурных испытаний и методом статистического моделирования на ПК с применением САПР MATLAB, MODELSIM, DESIGN COMPILER, ENCOUNTER(EDI), VIVADO и др. и языков программирования Verilog, C++, Matlab, TCL.
Научная новизна результатов работы.
-
Впервые предложена методика проектирования ЦКМ СБИС на кристалле, позволяющая реализовывать высокопроизводительные системы ЦКМ с полосой несущих частот до 400МГц на базе технологий с проектными нормами 90 и 180 нм (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Предложена новая методология создания моделей для различных алгоритмов прямого цифрового синтеза несущей частоты (пункт 2 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Впервые разработан системный подход к оптимизации быстродействующих систем на кристалле для ЦКМ по критериям быстродействия, площади на кристалле и энергопотреблению (пункты 3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Разработана новая методика моделирования на системном уровне в среде MATLAB с реализацией рассмотренных алгоритмов ЦКМ на кристалле СБИС (пункт 14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Разработана новая методика тестирования СБИС ЦКМ с ее реализацией на уровне полупроводниковой микросхемы (пункты 3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Предложен новый инструментарий (методики, программные продукты) для решения проблем прототипирования ЦКМ на уровне программируемых логических интегральных микросхем (ПЛИС), который позволяет выполнять моделирование в режиме реального времени разработанной RTL-модели, SIMULINK-модели и прототипа в ПЛИС (пункт 14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
Достоверность полученных результатов. Достоверность научных
положений и выводов подтверждается корректным использованием
математического аппарата при проведении исследований и совпадением результатов имитационного моделирования с данными натурных испытаний ЦКМ. Исходные данные для научных исследований были получены из ведущих российских и зарубежных научных изданий, в том числе входящих в перечень,
рекомендованный ВАК РФ, а также из рекомендаций Международного союза электросвязи.
Практическая ценность результатов работы.
-
Разработанная методика проектирования ЦКМ СБИС на кристалле, позволяет реализовывать высокопроизводительные системы ЦКМ с полосой несущих частот до 400МГц на базе технологий с проектными нормами 90 и 180 нм.
-
Оптимизированы модели для различных алгоритмов прямого цифрового синтеза несущей частоты(CORDIC, методы с использованием приближений с помощью рядов Тейлора), позволяющие реализовывать системы с разрядностью несущей частоты до 16 и уровнем SFDR свыше 80дБ при быстродействии до 1ГГц.
-
Разработанный системный подход оптимизации быстродействующих систем на кристалле для ЦКМ позволяет проводить оценку результатов конвейеризации и мультиплексирования модулей СБИС с учетом критериев быстродействия, площади и энергопотреблению СБИС.
-
Предложен новый инструментарий (методики, программные продукты) для решения проблем прототипирования ЦКМ на уровне программируемых логических интегральных микросхем (ПЛИС), который позволяет выполнять моделирование в режиме реального времени разработанной RTL-модели, SIMULINK-модели и прототипа в ПЛИС.
-
Фактическая реализация результатов работы выражена разработкой и производством СБИС ЦКМ на базе отечественного ОКБ АО НЗПП
(Новосибирский завод полупроводниковых приборов). Получены акты о внедрении в производственную деятельность на АО НЗПП.
Разработанные методики исследования, имеют важное практическое значение. Результаты, полученные для отдельных модулей, могут быть использованы при проектировании последних в качестве автономных устройств (в частности блок прямого цифрового синтеза, интерполирующие фильтры, компенсирующие фильтры, контроллеры и т.д.).
Результаты данной работы внедрены и применяются в учебном процессе на кафедре САПР СибГУТИ, что подтверждается соответствующими актами внедрения в учебный процесс.
Автор стал Победителем 4-го Молодежного научно-инновационного конкурса «УМНИК-2016». (Новосибирск, 2016, грант) с темой данной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
-
Международная научно-техническая конференция "Инженеры будущего", Новосибирск, 2013 г.
-
ХII,ХIII международная научно-техническая конференция "Проблемы электронного машиностроения", АПЭП ,Новосибирск, 2014,2016 гг.
-
Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2014,2015,2016 гг.
-
Научно-техническая конференция "Разработка и производство отечественной электронной компонентной базы" "КОМПОНЕНТ-2014",Омск, 2014 г.
-
15-я, 16-я международная конференция «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта CAD/CAM/PDM –
2015(16)», Москва, 2015,2016гг.
-
ХV Международная конференция молодых специалистов по микро/нано технологиям и электронным приборам (EDM 2014). Siberian State University of Telecommunications and Information Science. Novosibirsk, Russia, 2014г.
-
Российская НТК аспирантов и молодых ученых, посвященная 20-летию СО МАИ. Новосибирск, 2016 г.
Публикации. Основные положения диссертационного исследования, а также научные и практические результаты отражены в 13 работах, опубликованных по теме диссертации, в том числе 2 входят в перечень журналов и изданий,
рекомендованных ВАК. 11 публикаций - материалы докладов всероссийских и международных конференций.
Личное участие автора в получении научных результатов. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. В ходе диссертационной работы, автором были самостоятельно разработаны методика проектирования ЦКМ СБИС на кристалле, и разработан системный подход оптимизации быстродействующих систем на кристалле для ЦКМ по критериям быстродействия, площади на кристалле и энергопотреблению. Автором были сделаны все аналитические выводы и выполнены численные расчеты для моделирования на системном уровне в среде MATLAB с реализацией рассмотренных алгоритмов ЦКМ на кристалле СБИС. Соавторы считают, что результаты научных работ являются неделимыми и вклад каждого соавтора одинаков.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Методика расчета интерполирующих интегрально-гребенчатых фильтров без использования операций умножения с программируемым коэффициентом интерполяции от 1 до 252 (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Методика анализа алгоритмов прямого цифрового синтеза для высокопроизводительных систем для 180нм и 90нм технологических линеек (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Методология системной оптимизации быстродействующих систем на кристалле для ЦКМ по критериям быстродействия, площади на кристалле и энергопотреблению (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Метод адаптации маршрута проектирования СБИС для задач ЦКМ (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Методика оптимизации исходных управляющих скриптов для ключевых САПР маршрута проектирования СБИС ЦКМ (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Методика параметризации исходных HDL-описаний схем ЦКМ для гибкого перехода, как между различными величинами параметров, так и между смежными технологическими линейками (пункты 3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
-
Инструментарий верификации СБИС ЦКМ и измерения прецизионных параметров СБИС ЦКМ (пункт 14 области исследований паспорта специальности 05.12.13).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Диссертация содержит 156 страницы машинописного текста, 80 рисунков, 11 таблиц. В библиографию включено 94 наименований источников.
Обзор математического аппарата для ЦКМ
Практическая ценность результатов работы. Разработанная методика проектирования ЦКМ СБИС на кристалле, позволяет реализовывать высокопроизводительные системы ЦКМ с полосой несущих частот до 400МГц на базе технологий с проектными нормами 90 и 180 нм.
1. Оптимизированы модели для различных алгоритмов прямого цифрового синтеза несущей частоты(CORDIC, методы с использованием приближений с помощью рядов Тейлора), позволяющие реализовывать системы с разрядностью несущей частоты до 16 и уровнем SFDR свыше 80дБ при быстродействии до 1ГГц.
2. Разработанный системный подход оптимизации быстродействующих систем на кристалле для ЦКМ позволяет проводить оценку результатов конвейеризации и мультиплексирования модулей СБИС с учетом критериев быстродействия, площади и энергопотреблению СБИС.
3. Предложен новый инструментарий (методики, программные продукты) для решения проблем прототипирования ЦКМ на уровне программируемых логических интегральных микросхем (ПЛИС), который позволяет выполнять моделирование в режиме реального времени разработанной RTL-модели, SIMULINK-модели и прототипа в ПЛИС.
4. Фактическая реализация результатов работы выражена разработкой и производством СБИС ЦКМ на базе отечественного ОКБ АО НЗПП
(Новосибирский завод полупроводниковых приборов). Получены акты о внедрении в производственную деятельность на АО НЗПП.
Разработанные методики исследования, проведенные в ходе работы над темой диссертации, имеют важное практическое значение. Результаты, полученные для отдельных модулей, могут быть использованы при проектировании последних в качестве автономных устройств (в частности блок прямого цифрового синтеза, интерполирующие фильтры, компенсирующие фильтры, контроллеры и т.д.). Результаты данной работы внедрены и применяются в учебном процессе на кафедре САПР СибГУТИ, что подтверждается соответствующими актами внедрения в учебный процесс.
Автор стал Победителем 4-го Молодежного научно-инновационного конкурса «УМНИК-2016». (Новосибирск, 2016, грант) с темой данной работы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: 1. Международная научно-техническая конференция "Инженеры будущего", Новосибирск, 2013 г. 2. ХII, ХIII международная научно-техническая конференция "Проблемы электронного машиностроения", АПЭП ,Новосибирск, 2014,2016 гг. 3. Российская научно-техническая конференция «Информатика и проблемы телекоммуникаций», Новосибирск, 2014,2015,2016 гг. 4. Научно-техническая конференция "Разработка и производство отечественной электронной компонентной базы" "КОМПОНЕНТ-2014",Омск, 2014 г. 5. 15-я, 16-я международная конференция «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта CAD/CAM/PDM – 6. ХV Международная конференция молодых специалистов по микро/нано технологиям и электронным приборам (EDM 2014). Siberian State University of Telecommunications and Information Science. Novosibirsk, Russia, 2014г. 7. Российская НТК аспирантов и молодых ученых, посвященная 20-летию СО МАИ. Новосибирск, 2016 г. Публикации. Основные положения диссертационного исследования, а также научные и практические результаты отражены в 13 работах, опубликованных по теме диссертации, в том числе 2 входят в перечень журналов и изданий, рекомендованных ВАК. 11 публикаций - материалы докладов всероссийских и международных конференций.
Личное участие автора в получении научных результатов. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. В ходе диссертационной работы, автором были самостоятельно разработаны методика проектирования ЦКМ СБИС на кристалле, и разработан системный подход оптимизации быстродействующих систем на кристалле для ЦКМ по критериям быстродействия, площади на кристалле и энергопотреблению. Автором были сделаны все аналитические выводы и выполнены численные расчеты для моделирования на системном уровне в среде MATLAB с реализацией рассмотренных алгоритмов ЦКМ на кристалле СБИС. Соавторы считают, что результаты научных работ являются неделимыми и вклад каждого соавтора одинаков.
Основные положения работы, выносимые на защиту: 1. Методика расчета интерполирующих интегрально-гребенчатых фильтров без использования операций умножения с программируемым коэффициентом интерполяции от 1 до 252 (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13). 2. Методика анализа алгоритмов прямого цифрового синтеза для высокопроизводительных систем для 180нм и 90нм технологических линеек (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13). 3. Методология системной оптимизации быстродействующих систем на кристалле для ЦКМ по критериям быстродействия, площади на кристалле и энергопотреблению (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13). 4. Метод адаптации маршрута проектирования СБИС для задач ЦКМ (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13). 5. Методика оптимизации исходных управляющих скриптов для ключевых САПР маршрута проектирования СБИС ЦКМ (пункты 2,3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13). 6. Методика параметризации исходных HDL-описаний схем ЦКМ для гибкого перехода, как между различными величинами параметров, так и между смежными технологическими линейками (пункты 3,14 области исследований паспорта специальности 05.12.13). 7. Инструментарий верификации СБИС ЦКМ и измерения прецизионных параметров СБИС ЦКМ (пункт 14 области исследований паспорта специальности 05.12.13). Структура и объем работы. Диссертация состоит из пяти глав, включая введение и заключение, списка литературы, двух приложений. Диссертация содержит 156 страниц машинописного текста, 80 рисунков, 11 таблиц. В библиографию включено 94 наименования источников.
Системный подход в реализации быстродействующих схем ЦКМ
Квадратурный сигнал - двухмерный сигнал, значение которого в некоторый момент времени может быть задано одним комплексным числом содержащим две части: действительную и мнимую (иначе - синфазную и квадратурную) [1].
Мы будем использовать две формы записи комплексного числа: тригонометрическую (2.1) и полярную (2.2). s(t) = А cos(wt + (p)+j A sin(wt + ф) (2.1) s(t) =А ej(wt+ p, (2.2) где А - амплитуда комплексного сигнала, w - циклическая частота комплексного сигнала, р - начальная фаза комплексного сигнала. Процесс квадратурной модуляции представляет собой умножение комплексной несущей на комплексный сигнал g(t) определяемый его синфазной и квадратурной составляющими [5]. Реальная составляющая данного произведения приведена в (2.3). s(t) = RE(g(t) e-Jwt) = І (і) cos(wt + p) - Q(t) sin(wt + p) (2.3) Таким образом, сигнал s(t) представляет собой сумму (разность) амплитудно-модулированных несущих. В силу ортогональности синуса и косинуса эти сигналы не оказывают влияния друг на друга и могут быть выделены отдельно в приемном тракте.
Из выражения (2.3) [3] следует, что амплитудная, частотная и фазовая модуляции являются частным случаем квадратурной модуляции. Из [3] следует, что максимальное количество узлов в созвездии квадратурного модулятора рассматриваемого в донной работе составляет 2 18 = 262144.
Основным математическим аппаратом, используемым в данной работе являются соотношения ЦОС. Одними из фундаментальных выражений используемых для анализа спектра цифровых сигналов являются прямое (2.3) и обратное (2.4) дискретные преобразования Фурье (ДПФ) Х(т) = Іп=?_1 Х(П) Є -J 2nmn/N, (2.3) Х(п) = ZS3f_1 ("0 e- annn/N (2.4) где х(п) - цифровой сигнал, Х(т) - отображение х(п) в частотной области, N - число отчетов цифрового сигнала. Дальнейший обзор математического аппарата будет ориентирован на объект исследования. Т.е. на СБИС ЦКМ, структурная схема которого представлена на рисунке 2.1.
Наиболее оптимальным подходом в реализации блока генерации несущей частоты будет являться прямой цифровой синтез (ПЦС). Это обусловлено следующими преимуществами ПЦС перед аналоговыми способами для поставленной задачи: 1) тип сигнала получаемый при ПЦС – цифровой, 2) прецизионность ПЦС менее подвержена температурным и другим градиентам, 3) Высокий уровень согласования синфазной и квадратурной несущих. Рассмотрим подробнее перечисленные преимущества.
Первое преимущество связанно с тем, что весь тракт обработки сигнала в ЦКМ является цифровым, что предполагало бы использование дополнительного быстродействующего АЦП для аналоговых генераторов (АГ) синуса и косинуса[90]. Данное преимущество можно сформулировать словом «интегрируемость».
Объяснение третьего преимущества дано в [19]. Второе преимущество объясняется различной природой влияния окружающей среды на величину аналогового и цифрового сигналов. Прямое преобразование Фурье для аналогового сигнала можно представить в виде взятом из [1]: X(w) = Coo 0) e-iwtdt, (2.5) где x(t) - сигнал во временном домене, X(w) - сигнал в частотном домене. x(t) представляет собой некую величину выраженную в падении напряжения или силе тока. Каким бы образом не строилась схема АГ, будет существовать неизбежная связь выраженная функцией: x = f(T,U,tt), (2.6), где Т - температура окружающей среды, U - напряжение питания схемы, tt - долгосрочное время выраженное имеющее порядок месяцев и лет.
Данная связь вызвана зависимостью электрофизических параметров транзисторов, резисторов, конденсаторов и индукторов от напряжения и температуры. Помимо этого существует временной дрейф параметров который приводит к необходимости периодической перенастройки системы в которой используется СБИС. Период перенастройки в данном случае напрямую зависит от уровня прецизионности СБИС. Если подставить (2.5) в (2.6) получим: (w, Т, U, tt) = С х(Т, U, t, tt) e iwtdt. (2.7) Из чего следует, что изменения величины сигнала, вызванные флуктуациями напряжения питания и температуры окружающей среды, а так же временным дрейфом приводят к изменению спектрального состава несущей для квадратурного модулятора.
Как следует из (2.3) спектр цифрового сигнала не зависит от величина напряжения или силы тока, а определяется величиной цифрового сигнла. Однако имеется косвенная связь между T,U,tt и уровнем логического нуля и логической единицы. Но в силу помехоустойчивости современных КМОП технологий [bcnjxybr] имеется значительный запас по изменениям логических уровней в СБИС. Таким образом, можно сказать, что неизбежные флуктуации не оказывают влияния на значения данных и связанных с ними вычислений представленных в цифровом виде. Как следствие, спектральная картина в ЦКМ под влиянием T,U,tt будет искажаться только при цифро-аналоговой конвертации. В то время как, ПЦС и тракт обработки будут иметь стабильный спектр, определяемый точностью представления математических функций, реализованных цифровыми блоками имеющими конечную разрядность.
Общая структурная схема, поясняющая принцип работы ПЦС приведена на рисунке 2.2. Линейно-нарастающая фаза (фазовый аккумулятор) преобразуется по определенному алгоритму в значения функции синуса (алгоритм ПЦС) которые конвертируются в аналоговый сигнал с помощью ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).
Системная проработка моделей и алгоритмов блоков в среде Simulink Matlab
В областях пропускания и подавления спектр имеет неравномерный (волнообразный) вид. Это приводит к искажениям входного сигнала.
Рассмотрим ситуацию когда спектр информационного (входного) сигнала сосредоточен в области до частоты Найквиста. Как известно [1], [12], для повышения частоты дискретизации необходимо провести процедуры вставки нулей между отсчетами с повышением частоты тактирования и последующей фильтрации для удаления из сигнала зеркальных составляющих вошедших в полезную часть после вставки нулей. В данном случае, при попадании сигнала на полуполосный фильтр его спектр будет ограничен частотой fs/4 (в идеальной ситуации; в реальной-будет присутствовать наложение зеркальных компонент).
Для дальнейшего повышения коэффициента интерполяции можно использовать еще один полуполосный фильтр. Конфигурация из двух последовательно соединенных полуполосных фильтров обладает рядом преимущесть. Одним из преимуществ является использование двух форм АЧХ, при которых будет происходить взаимная компенсации неравномерностей в области пропускания.
Для повышения частоты дискретизации необходима вставка нулей и переход с частоты fs на 2fs. В [1] показано, что вставка нулей с последующей фильтрацией может быть заменена чередованием четных и нечетных коэффициентов в выходной сумме фильтра. Т.к. в полуполосном фильтре только один нечетный коэффициент то для получения интерполированного сигнала достаточно схемы, представленной на рисунке 2.20. На рисунке схема из пакета моделирования SIMULINK.
Дополнительный шаг в оптимизации может быть получен, если использовать свойство симметричности импульсной характеристики фильтра. Таким образом, количество четных коэффициентов будет уменьшено вдвое. Для линейности фазово-частотной характеристики [1] необходимо выполнение условия: 0+2 = целое без остатка где O – порядок фильтра. Общее число коэффициентов будет составлять: + 2 Nk = —— + (2.42) Таким образом, при больших порядках фильтрации использование полуполосных фильтров сокращает количество умножений почти в четыре раза. nM і w і ring counter ГТЛ— isamp 0 ГЛ inputl - 1 output Ґ ГЛ— t2 1 1 a tJLJ w P r input2 upsamp2 delayl multiswitch Рисунок 2.20. Cхема выходного мультиплексора из пакета SIMULINK
Интегрально-гребенчатый фильтр (ИГФ). Как правило, получение высокого подавления зеркальных образов исходного сигнала, образующихся в процессе интерполяции при использовании только CIC-фильтров, достигается увеличением числа каскадов пары «гребенчатый фильтр-интегратор», однако такой вариант имеет существенные недостатки[89]: а) возникает сильная неравномерность в полосе пропускания, что требует реализации более сложного компенсирующего фильтра; б) значительно возрастает разрядность интеграторов, при этом использование округления результатов на различных этапах обработки, в данном случае, недопустимо.
Второй фактор во многом определяет производительность интерполятора в смысле подавления спектральных образов и обеспечения коэффициента интерполяции, поскольку при возрастании разрядности интегратора (с единичной обратной связью) требование высокой скорости обработки становится недостижимым, что обуславливается возможностями технологического процесса. Разрабатываемая СБИС квадратурного модулятора должна обладать программируемым коэффициентом интерполяции, низким уровнем зеркальных компонент, возникающих в процессе интерполяции, высокой линейностью ЦАП и низким энергопотреблением. Сохранение спектральных характеристик является важным фактором при расчете математических моделей, поэтому большое внимание было уделено согласованию характеристик отдельных функциональных блоков для различных коэффициентов интерполяции.
АЧХ фильтра Хогенауэра (рисунок 2.22) имеет гребенчатый характер (следствие использование гребенчатого фильтра), с числом гребней равным произведению задержки гребенчатого фильтра на коэффициент интерполяции. Уровень первого бокового лепестка определяется как: Ymax« KQ-(U...U)-N дБ ж где КО - коэффициент усиления фильтра, N - количество каскадов фильтра. Таким образом, для достижения хорошего подавления боковых лепестков необходимо увеличивать количество каскадов. Недостатком такого метода является возрастание разрядности сумматоров и блоков задержки в каскадах интегратора.
Создание тестовых модулей для HDL-описания ЦКМ
Данные задачи рассмотрены совместно в силу их смежности на протяжении ведения всего проекта. Фактически методика измерения параметров микросхемы закладывается на этапе создания тестовых модулей. Современные САПР позволяют использовать одни и те же векторные последовательности, как для верификации HDL-кода, так и для обследования полученной микросхемы. Стандарты тестирования JTAG, DFT предназначены для аппаратного тестирования микросхемы, но разрабатываются и тестируются на этапе создания HDL-описания. Дополнительным инструментом для анализа СБИС, а также для ускоренного тестирования HDL-описания может служить прототипирование с использованием программируемых логических интегральных микросхем.
Основным инструментом при верификации кода ЦКМ являются тестовые модули в виде HDL-описания – test bench. Test bench ЦКМ имеет сложную иерархическую структуру с использованием множества подмодулей, функций и процедур и может быть реализован на языках бmamолее высокого уровня таких как: System C, System Verilog. Важно отметить, что в работе предложен подход, когда за счет параметризации используется один test bench на протяжении всего маршрута.
Симуляция HDL-описания проекта с использование разработанного test bench проводится в САПР Modelsim. Для анализа специализированных спектральных характеристик используется система MATLAB(в силу наличия в ней готовых функций и модулей, а также удобства работы с массивами данных). Процедура работы со средой Modelsim, как и с любой другой средой подразумевает работу с управляющими скриптами синтаксиса языка TCL. Одним из ключевых моментов повышения качества симуляции проекта ЦКМ является наличие проверенных скомпелированных библиотек стандартных ячеек, вспомогательных модулей и других блоков, наличие которых необходимо на протяжении всего процесса проектирования.
При создании тестового модуля верхнего уровня(ТМВУ), т.е. кода, проверяющего работу всего проекта с максимально-возможной степенью тестового покрытия, в данной работ была организована модульно-независимая проверка исходного синтезированного кодов. Такой способ проверки был выбран в силу особенности работы проекта ЦКМ имеющего множество независимых режимов и подмодулей, которые в свою очередь могут объединяться в произвольные комбинации, сочетание которых ограничено степенью свободы программирования микросхемы.
Описанный подход организации ТМВУ подразумевает адаптивное(автоматическое) перестроение кода в зависимости от задач и режимов проверки. Далее приведем ключевые модули ТМВУ.
В таблице 4.1 приведена структура ТМВУ с пояснениями организации его подмодулей. Таблица 4.1. Структура ТМВУ. Ключевые модули Модуль ТМВУ Подмодул ь ТМВУ Назначение Используемые инструменты spicheck func Проверка функциональности последовательно интерфейса. Чтение/запись всех конфигурационных регистров Модули, процедуры HDL error Проверка работы SPI при возникновении ошибок 113 singletonecheck func Проверка общей функциональности Модули,процедуры HDL,MATLABSpectrumFunction,MATLABSIMULINK,Analog Mixedsignal(AMS)simulation conf Проверка работы бит конфигурации spectrum Анализ прецизионных характеристик interpmodecheck func Проверка общей функциональности Модули,процедуры HDL,MATLABSpectrumFunction,MATLABSIMULINK,Analog Mixedsignal(AMS)simulation conf Проверка работы бит конфигурации spectrum Анализ прецизионных характеристик interp Проверка свойств интерполяции qducmodecheck func Проверка общей функциональности Модули,процедуры HDL,MATLABSpectrumFunction,MATLABSIMULINK,Analog Mixedsignal(AMS)simulation conf Проверка работы бит конфигурации Модули, процедуры HDL, MATLAB Spectrum spectrum Анализ прецизионных характеристик qam Проверка свойств квадратурной модуляции 114 Function,MATLABSIMULINK,MATLABCOSIM,Analog Mixedsignal(AMS)simulation Оценка работоспособности модулей проводилась по методу «золотой модели», когда в рассматриваемые RTL-описание, HDL-нетлист Design Compiler или HDL-нетлист EDI сравниваются с массивами данных, полученных преимущественно со среды MATLAB SIMULINK. Где на начальном этапе маршрута проектирования были получены и верифицированы исходные модели и алгоритмы блоков ЦОС, контроллеров и др. элементов. С помощью элементов HDL task и function данные массивы автоматически конфигурируются в зависимости от выбранного режима.
На рисунке 4.1 приведен фрагмент работы среды Modelsim с ТМВУ в режиме однотонального генератора(single_tone_check в таблице 4.1). Временная диаграмма разделена на секции с предварительно сгруппированными сигналами (с помощью скрипта wave.do для Modelsim). Каждая секция имеет определенный функциональный смысл: CONTROL – группа служебных сигналов (сигнал сброса, разрешения, тактовый сигнал и т.д.); SPI – группа сигналов последовательного интерфейса программирования; I_PATH/Q_PATH – группа сигналов синфазного и квадратурного трактов обработки ЦКМ; NCO – группа сигналов относящаяся к модулю ПЦС; GENERAL_TRACT – группа сигналов общего тракта обработки. Слова mode и test определяют режим и подрежим работы соответственно.
Так же для визуального анализа диаграмм в работе используется dataset – формат данных (смотрите [77]) для сравнения различных запусков ТМВУ. При сравнении массивов данных эталонного и текущего кодов может происходить относительное смещение данных (к примеру, в случае сокращения или увеличения степени конвейеризации какого-либо модуля схемы ЦКМ). Ниже приведен фрагмент кода, позволяющий избежать ошибок в таких случаях. task adaptive_data_compare; input reg [80 8:0] write_file_name; input reg [80 8:0] read_file_name; output err_det; reg [13:0] write_data [0:50000-1]; reg [13:0] read_data [0:50000-1]; integer write_file; integer read_file; integer write_scan_file; integer read_scan_file; integer i, j, k; reg signed [13:0] write_data1; reg signed [13:0] read_data1; begin al_range = 0.5 samples; write_data_outJo_file(write_file_name,samples); write file = $fopen(write_file_name,"r"); readfile = $fopen(read_file_name,"r"); alignment = 0; err_det =l; // read data from files to massives for(i=0; i samples; i=i+1) begin writescanfile = $fscanf(write_file,"%d\n", write_data[i]); readscanfile = $fscanf(read_file,"%d\n", read_data[i]); end // finding of correct data range in write file for(i=0; i (samples - al_range); i=i+1) begin //start address in write file k = i; for(j=0; j samples; j=j+1) begin writedatal = write_data[k]; read datal= read data[j]; if(write_data[k] == read_data[j]) begin alignment=alignment+1; k=k+1; end // possible we find range of alignment else begin alignment = 0; k = i; end // if range of alignment less than al_range - new scanning if(alignment = al_range) begin j = samples; i = samples; err_det=0; end // successful scanning and cycle break if(a) #0.001; end end end endtask