MATLAB y Simulink para sistemas de señal mixta

Análisis, diseño y verificación de sistemas de señal analógica y mixta

Use MATLAB® y Simulink® para modelización de comportamientos, exploración rápida de diseños, análisis previo al diseño y verificación de sistemas de señal mixta.

Para empezar a diseñar circuitos integrados de señal mixta, se pueden emplear los modelos de PLL y ADC que ofrece Mixed-Signal Blockset™. Los bloques constitutivos se caracterizan con especificaciones de hojas de datos e incluyen deficiencias analógicas. Las herramientas de análisis y los bancos de pruebas de medición integrados contribuyen a reducir el tiempo de verificación.

Para el diseño y el análisis de enlaces de alta velocidad, como PCI Express®, USB, DDR y Ethernet, se puede emplear SerDes Toolbox™ para crear y evaluar el esquema de ecualización de canales y generar automáticamente modelos IBIS-AMI para la simulación de canales.

Con MATLAB y Simulink podrá hacer lo siguiente:

  • Crear modelos de comportamiento de PLL, DAC, ADC, SerDes, SMP y otros sistemas de señal mixta.
  • Evaluar tradeoffs del diseño analógico-digital mediante una metodología top-down.
  • Enlazar modelos a nivel de sistema con herramientas EDA a través de la cosimulación o mediante la creación de módulos de SystemVerilog y modelos IBIS-AMI.
  • Verificar diseños, incluidos el hardware analógico-digital y la lógica de control, antes de producir chips de prueba.

"Las simulaciones a nivel de circuito tardaban tres días. Con MATLAB y Simulink, redujimos el tiempo de simulación a tan solo un minuto."

Jun Uehara, Epson Toyocom

Uso de MATLAB para el diseño de sistemas de señal mixta

Análisis de sistemas de señal mixta

En el nivel más alto de abstracción, se puede utilizar MATLAB para analizar arquitecturas de sistema básicas; por ejemplo: ¿qué es mejor, un modulador sigma-delta de segundo o tercer orden? ¿Qué tipo de PLL es mejor? ¿Qué indican los diagramas de Bode acerca de la estabilidad del sistema?

Utilice las herramientas de análisis de MATLAB y Simulink para explorar el espacio de diseño y localizar el mejor punto de inicio para el diseño. Por ejemplo, Mixed-Signal Blockset utiliza la funcionalidad de MATLAB para llevar a cabo análisis estáticos de lazo cerrado y lazo abierto de los PLL y diseñar con rapidez filtros de lazo.

MATLAB proporciona una funcionalidad de análisis y visualización mayor que las hojas de cálculo o los lenguajes de programación tradicionales como C/C++. No obstante, no tiene por qué abandonar sus inversiones existentes; MATLAB funciona con Microsoft® Excel® y con C/C++.


Diseño top-down de sistemas de señal mixta

Utilice y elabore modelos de comportamiento y bancos de pruebas de medición para que el diseño y la verificación resulten más rápidos. En Simulink, es posible simular circuitos analógicos junto con lógica de control y hardware digital a distintos niveles de abstracción.

Describa los dispositivos electrónicos analógicos, ya sea usando señales de tiempo continuo en el nivel de abstracción de la “función de transferencia” o mediante Simscape Electrical™ para modelizar las tensiones y las corrientes, además de componentes como elementos RLC, amplificadores operacionales y conmutadores.

Describa los dispositivos electrónicos digitales en el nivel algorítmico usando precisión en punto flotante o lleve a cabo simulaciones con precisión de bits mediante tipos de datos en punto fijo de longitud arbitraria, incluidos los efectos de la cuantización y la saturación. Por último, genere código HDL sintetizable para su ejecución en ASIC y FPGA.

Describa la lógica de control y las máquinas de estado en el nivel algorítmico mediante funciones de MATLAB o Stateflow®. Puede emplear tipos de datos en punto fijo y decidir si la ejecución se realizará en microcontroladores utilizando la generación de código C/C++, o bien generar código HDL sintetizable para su ejecución en ASICs y FPGAs.


Verificación de sistemas de señal mixta

Los modelos a nivel de sistema se deben enlazar con las siguientes etapas del flujo de diseño. Existen diferentes modos de usar los modelos de MATLAB y Simulink como marcos de pruebas para modelos SPICE, código HDL o hardware.

La cosimulación es un enlace en tiempo de ejecución entre diferentes herramientas; en cada incremento temporal de la simulación, las herramientas intercambian datos, lo cual les permite ejecutarse conjuntamente para simular un modelo. En el dominio analógico, Cadence® Virtuoso® AMS Designer proporciona enlaces de cosimulación con Simulink. En el dominio digital, HDL Verifier™ proporciona enlaces con placas FPGA y simuladores de HDL de terceros para la realización de pruebas in-the-loop.

En el caso de las pruebas de regresión y la reutilización en entornos de verificación funcional, puede exportar los algoritmos de MATLAB y los modelos de Simulink como módulos de SystemVerilog gracias a la interfaz DPI-C.

Es posible analizar los resultados de la simulación de circuitos integrados con MATLAB para visualizar los datos de forma más efectiva y para perfeccionar los modelos de comportamiento mediante técnicas de optimización, machine learning o deep learning.

El nivel final de la verificación de sistemas de señal mixta consiste en las pruebas de dispositivos. En esta etapa, MATLAB y Simulink se integran con múltiples equipos de pruebas, lo que permite generar sistemas de pruebas que crean vectores de prueba a través de modelos y equipos de pruebas de control, además de analizar los resultados.


Lazos de seguimiento de fase (PLL)

Los modelos a nivel de transistor son precisos, pero extremadamente lentos cuando se trata del diseño de lazos de seguimiento de fase (PLL). El lazo de realimentación suele requerir simulaciones largas para capturar el tiempo de cierre y pequeños incrementos temporales de simulación para predecir de forma exacta los efectos del ruido de fase. Simulink y Mixed-Signal Blockset utilizan un solver de incremento variable que permite una simulación de PLL muy rápida sin necesidad de un muestreo excesivo.

Gracias a su reconocida experiencia en el diseño de sistemas de control, Simulink cuenta con un motor de simulación que resulta extremadamente eficaz para simular sistemas con lazos de realimentación. La combinación de la modelización del comportamiento y un enfoque más rápido de la simulación permite a los ingenieros reducir los tiempos de simulación para diseños de PLL de días a horas o minutos.


Convertidores de datos (ADC/DAC)

La capacidad de simular rápidamente señales continuas y discretas es la clave para el diseño y la verificación de convertidores de datos analógicos a digitales (ADC). Ya que Simulink permite la modelización en el mismo entorno de hardware analógico y digital, es posible diseñar un ADC en una fracción del tiempo requerido por las herramientas SPICE.

La realización de un diseño de ADC rápido con Simulink permite barridos de parámetros más veloces, de forma que los ingenieros pueden realizar una verificación detallada en menos tiempo. Mediante los bancos de pruebas de Mixed-Signal Blockset, se puede evaluar de forma rápida la no linealidad integral y diferencial, así como el rendimiento en relación con el ruido.


Sistemas SerDes y enlaces de alta velocidad

El análisis y la simulación de sistemas de ecualización en serie para sistemas SerDes y de ecualización paralela para DDR, que operan a altas velocidades de datos, pueden ralentizar en extremo las simulaciones, lo cual pone en peligro la entrega de proyectos a tiempo y limita el alcance de la exploración del diseño.

La app SerDes Designer permite analizar esquemas de ecualización de canales de alta velocidad arbitrarios en cuestión de minutos, tiene diferentes arquitecturas para preacentuación y ecualización, y emplea señales NRZ o PAM4. Desde esta app es posible generar automáticamente modelos de Simulink para perfeccionar los algoritmos de ecualización adaptativos, o bien puede usar su propio modelo como punto de partida y agregar sus algoritmos exclusivos. Para la integración de sistemas y la verificación de canales, se pueden generar automáticamente modelos IBIS-AMI duales mediante SerDes Toolbox.


Predistorsión digital (DPD) de amplificadores de potencia de RF

La predistorsión digital es simple en teoría, pero resulta complicada en la práctica. MATLAB proporciona un entorno integrador para controlar los equipos de pruebas, analizar datos complejos y crear algoritmos para DSP o FPGA y a la vez lograr un profundo entendimiento sobre los efectos introducidos por los amplificadores de potencia (PA) de RF.

En MATLAB, se puede crear con facilidad un modelo de PA basado en la serie de Volterra modificada, incluidas la memoria y la no linealidad, y simularlo mediante la librería Circuit Envelope de RF Blockset™. La simulación del PA de RF de lazo cerrado con su propio algoritmo de DPD le permite estimar la sincronización, la cuantización y otros efectos de RF antes de acceder al laboratorio.