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模型化無線系統設計方興未艾
( 2007年9月1日)
Mike Woodward, The MathWorks
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在技術和市場的雙重壓力之下，快速設計無線系統並創造營收的挑戰愈來愈高。特別是無線標準較為複雜，設備中必須整合多種無線標準，因此，無線專用積體電路(ASIC)的先行優勢將決定獲利水準。根據國際半導體技術發展藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)，設計成本是半導體技術藍圖能否進行下去的最大挑戰3。不幸的是，產業中採取的實踐方法往往造成問題，而不是解決問題。表1列出了主要的設計難題和相關的失敗原因。
透過某些方法可以避免設計失敗，改善品質和上市時間，使資源使用的效益最大化。但是，改變設計流程極為冒險，為了控制風險，我們建議在現有的設計流程中採取新的思想或概念(即採取逐漸演化，而不是革新的方式)。本文將討論如何在現有的設計流程中採用模型化設計方法，以縮短產品上市時間、提高產品品質、降低成本。
模型化設計的基本概念
模型化設計的核心概念就是，在設計過程的四個不同階段，使用可執行的系統模型作為工作的基礎 (圖1)。同一個系統可以作為可執行規格說明、系統設計方法、代碼產生基礎和連續測試校驗的手段。在後面各節，我們著重於這四個設計階段的討論。
在整個設計過程中，應採用具有相同形式的模型，以避免在不同設計階段重複勞動。因此，設計環境應該能進行複域(Multidomain)模擬，使數位、類比和RF元件在一個模型中進行模擬。如果不建立RF模擬能力，很難在C/C++模型上做到。因此，模型化設計需要利用現成的市售設計和模擬平台，如Simulink。核心思想是要把設計和模擬環境與模型分離，使開發工作集中在模型上，而不是工具環境上。
階段1:可執行規格說明(Executable specification)
可執行規格說明是系統級的規格，基本上是系統模型，透過執行產生結果，來證明該規格能夠滿足要求。例如，可以不在文件上指定信噪比(SNR)時幅錯誤率(Frame-error rate, FER)應該低於某個界限，而是建立一個規格(系統模型)，該規格可以在指定的信噪比下運行 ，得到低於設計界限的幅錯誤率，從而證明該規格是可以實現的(圖2)。ITRS估計，採用可執行規格說明可以100%到200%的倍率提高設計生產率3 。
根據定義，可執行規格是可執行的，因此，使用可執行規格說明的工程師可檢查的輸入、輸出以及操作條件的範圍，都比使用書面規格時要寬得多，像是可使用範圍更廣的通道模型。這種彈性使規格說明的行為更為全面，因為規範是可測試，所以，在設計過程中，可執行規格說明發現錯誤能以前早得多6 。
利用可執行模型來取代或輔助書面規格說明，是相當直接的步驟，然而，只有在模型用於設計過程中的多項活動中時，模型化設計的真正優勢才能充分顯現出來。
階段2:用模擬設計
設計師需要對各種不同的設計選項儘快作出評估。對於基於C/C++的系統模型，由於需要多次重新編譯和修改代碼，改變它的結構會很費時。而市售的模擬平台通常為基於圖形，所以不需要重編譯或改變元件介面就可以重新設置，對元件導向的設計方法極有幫助，特別是研發團隊的地域分佈很廣的公司。
許多市售的模擬平台用相同的模型既可做浮點模擬，也可利用支援平台的定點引擎做定點模擬。光這個能力就可使生產率大幅提高，因為設計師不再需要用定點格式來重新寫模型了。能評估多個設計的定點性能，對於基於C/C++的專案而言，幾乎是不可能的任務。
對採用模型化設計方法的設計師來說，最大益處在於該方法能夠對跨領域設計進行綜合考察，在此期間可以考察在一個域改變一個元件對整個系統的影響。例如，例如，可想對使用較便宜的功率放大器、配合使用數位預失真濾波器的效果進行考察。這種系統級別的方法，能達成其他方法無法作到的任務。模型化設計能提高生產效率，設計工程師得以檢視更多的設計，以選擇可行性最高的設計。
階段3:實地建置
模型化設計的重要優勢在於，可執行規格說明或用來產生實現代碼。儘管這些代碼可能有時不如手工寫的代碼效率高，但它能使工程師產生可工作的原型，而不需要每次改變設計就需要重寫代碼。另外，與手工編程相比，自動產生的代碼可顯著減少引入編程錯誤的危險。當然，自動產生的代碼可與手工編程同時使用，兼得二者的優點。基於效能考量，傳統上在無線領域避免使用自動產生的代碼，但由於代碼產生技術的進步和設計複雜性的增加，使手工編寫整個專案的代碼變得難如登天，這個傳統正逐漸被人擯棄。
階段4:測試和校驗
透過提高抽象層次，基於模型的設計對測試和校驗過程很有幫助。如果使用可執行規格說明，甚至在該規格說明發佈前測試過程就可以開始了，但模型化設計對校驗工作還有其他的優點。
目前業界廣泛採用模型作為軟體、硬體和處理器在迴路測試的測試手段，模型還可用於產生測試向量，甚至還可以作為基準，作為具體實現的比較。透過在測試工具中加入設計和模擬軟體，幾家測試工具製造商(如Agilent、Anritsu和LeCroy)已開始從模型化設計中受益。
模型化設計和IP重複使用
由於無線專案通常具有很多相同的設計元素，所以IP重複使用策略可在提高生產率和品質方面起很大的作用。有兩大因素嚴重阻礙IP的重複使用，IP的抽象層次和IP的共用方式。例如，在最低的抽象層次，即HDL代碼層次，IP可能會太具體化，以致於在目標平台和專案中無法被重複使用。在較高的抽象層次共用IP(如共用C/C++ 代碼)可能更為適當，但會由於介面問題而複雜化。例如，不同的C/C++模型可能具有不同的介面，這使得不同模型間很難共用IP。即使採用相同的介面和設計原則，但由於對規則理解的不同，仍然會有問題。
為了在全專案、團隊，甚至是公司內共用模型元件，需要建立共同的設計和模擬平台。共同的平台將確保某個模型中開發的元件可用在另一個模型。模型化設計明確地鼓勵在整個設計過程中使用共同的平台，促進IP的重複使用。
漸進式導入模組化設計可降低方險
由於技術和市場方面的壓力，無線系統的設計變的日益困難，現有的設計過程已難以為繼。採用模型化設計可達到更高的品質、更短的專案開發時間和更低的成本。可以透過低風險的方案獲得這些優點，像是一開始只在一個設計階段使用模型化設計，發揮優勢後，再進一步擴大使用範圍，與現有設計過程整合。
作者簡介
Mike Woodward是The MathWorks公司的通訊產業市場經理。他投入通訊產業多年，具有物理和半導體及微波物理學學位，讀者可透過mike.woodward@mathworks.com與他聯繫。
參考資料
[1] “The Evolution of Hardware Platforms for Mobile ‘Software Defined Radio’ Terminals,” Greifendorf D., Stammen J., and Jung P., PIMRC, 2002
[2] “Return on Investment in Simulink for Electronic System Design,” International Business Strategies, Inc., 2005
[3] International Technology Roadmap for Semiconductors—Design, 2005
[4] “Return on Investment for Independent Verification & Validation—Phase 2B Final Report,” Dabney J., NASA, 2004
[5] “Executable Specs: What Makes One, and How Are They Used?”, Schubert P.J. and Vitkin L., Winters F., SAE 2006
[6] “可執行規格說明: Creating Testable, Enforceable Designs,” Microsoft Research, 2001
[7] “Caterpillar Automatic Code Generation,” Thate J.M., Kendrick L.E., and Nadarajah S., SAE, 2004
[8] International Technology Roadmap for Semiconductors—Design, 2006 Update
[9] “Cracking the Code Automatically,” Ledin J. and Dickens M., EDN Europe, June 2005
Click here for Illustrations:
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