基于System Generator的信号处理快速原型设计

刘叶盛 孙斯亮 王丽莉 刘庆 魏冬冬 上海航天电子技术研究所

引言：对于信号处理，软件无线电的思想是建立通用的硬件平台，将模数转换电路（A/D）尽量靠近天线，通过软件编程实现各种功能，解放硬件电路。该思想对数字信号处理提出了更高的要求，原本由模拟电路实现的滤波、调制、解调、频率合成等信号处理算法均需由软件实现。

采用传统的开发方法时，复杂的信号处理算法给软件实现带来了较大难度；测试激励的产生需要专业的工具产生，为覆盖测试带来了难度；对于较复杂的系统，无论是后期测试还是迭代改进，维护的难度较大且极易出错。基于原型实现的信号处理设计方法，系统原型建立完成后即可进行仿真验证，修改激励也更加便捷，并且可以利用丰富的信号分析工具进行过程监控（软件仿真测试一般仅有波形），极大的降低了软件的开发难度，提高了方案验证的效率。

1 System Generator与原型仿真

1.1 System Generator

System Generator是进行数字信号处理开发的一种系统级（或算法级）设计工具，是DSP高层系统设计与FPGA实现之间的桥梁。将FPGA开发的一些模块嵌入到Simulink库中，借助Simulink提供的强大的高水平的运行环境，实现图形化设计和数字信号定点仿真。System Generator支持自动代码生成，并且可以直接生成比特流文件，下载到FPGA板卡进行硬件测试。

Simulink提供了一个创建和仿真动态系统的可视化环境，System Generator以Xilinx Blockset 块的形式嵌入在Simulink库里。Xilinx Blockset块包含丰富的IP模块，专门用于数字信号处理的运算。这些模块经过反复验证和优化，是进行高效率设计的基础。利用System Generator进行系统级建模，可以包含数据流、HDL模块、IP模块以及MATLAB语言函数等，针对特定的逻辑或算法可以通过可扩展开发的Black Box模块定义实现。

2.2 原型仿真

原型顾名思义是一个原始模型，或称参考模型。原型开发技术广泛应用于软件研制，系统建模，生产制造，生物医学，甚至历史分析领域。原型作为一个基础参考模型，对于需求分析和增量更新有着重要的存在意义。原型仿真是基于创建模型的仿真系统，原型模型是增量模型的一种形式，是在开发系统之前，构造一个原型，在该原型的基础上，逐渐完成整个系统的开发工作。

快速原型是利用原型辅助软件开发的一种新思想。一般在需求分析阶段很难得到完全、一致、准确、合理的需求说明，在获得一组基本需求说明后，就快速的“实现”，继而通过原型反馈，加深对系统的理解，待用户评价或试用后，对需求说明进行补充和精确化，消除不协调的系统需求。

2 原型设计过程

基于System Generator的信号处理快速原型设计参考图1。需求分析和系统方案确定了系统的原型框架。通过原型系统的仿真，验证需求的实现情况及算法的合理性，以及是否达到详细设计的预期。完成原型系统的仿真后即可进行代码实现，该过程可以参考原型系统的架构及功能模块，即建立原型的过程已经完成了软件的详细设计。软件测试可以利用原型仿真的输入作为测试激励。对于信号处理，复杂的调制、信道、加噪等信号均可以通过原型系统快速生成，加快仿真测试的进度。

图1 快速原型设计流程

数字信号处理通常从中频信号的接收开始，处理完成后，根据需求输出相应的中频信号。图2设计了一个典型的数字信号处理原型系统，可看作通用平台。

图2 数字信号处理原型系统

完成系统方案的详细设计后，对系统原型进行细化，完成整个设计方案，图3为包含信号处理算法的原型仿真框图。

图3 数字信号处理算法仿真框图

图3中，算法原型可以为代码实现提供直观的架构和功能框图，可视化模块均可以通过IP实现，Black box模块可以直接移植为代码，极大地降低了代码设计的难度和复杂度。硬件测试时，可以利用Chipscope等在线调试工具抓取过程数据和输出结果，与原型仿真比对，验证设计的正确性。在需求更新或迭代升级时，通过需求分析进行反馈，在原型的基础上进行更新，便于追溯，避免二次开发时可能引入的问题或缺陷。

3 结束语

基于软件平台的设计和仿真，仅能在一定程度上验证时序逻辑和算法的正确性，难以复现真实的信号激励；真正意义的硬件实现，如果是仅对于设计或算法的研究验证，不仅耗费了大量的硬件资源，而且开发周期冗长，还需要面临从软件仿真直接到硬件实现的风险，且每一次的修改效率较低。本文介绍的基于System Generator的信号处理快速原型设计方法，提供了一种快速实现软件仿真和硬件实现的思路。