ミックスドシグナルシステム向け MATLAB および Simulink

アナログシステムとミックスドシグナルシステムの解析、設計、検証

MATLAB® と Simulink® を使用して、ビヘイビアモデリング、迅速な設計調査、設計前の解析、ミックスドシグナルシステムの検証を行います。

ミックスドシグナル集積回路 (IC) の設計を始めるにあたり、Mixed-Signal Blockset™ モデルの PLL および ADC を使用できます。基本構成はデータシートの仕様で特徴づけられ、アナログ特性が含まれています。内蔵の解析ツールと測定テストベンチにより、検証作業の負担を軽減できます。

PCI Express®、USB、DDR、イーサネットなどの高速リンクの設計と解析については、SerDes Toolbox™ を使用して、チャネル イコライゼーション スキームを構築して評価し、チャネル シミュレーション向けの IBIS-AMI モデルを自動的に生成できます。

MATLAB と Simulink を使用すれば、次のことが可能になります。

  • PLL、DAC、ADC、SerDes、SMPS、およびその他のミックスドシグナルシステムのビヘイビアモデルを作成
  • トップダウン設計手法により、アナログ/デジタル設計のトレードオフを評価
  • コシミュレーションを通して、または SystemVerilog モジュールと IBIS-AMI モデルの作成により、システムレベルのモデルを EDA ツールに連携
  • テストチップを製造する前に、アナログ/デジタルハードウェアおよび制御ロジックを含む設計を検証

「回路レベルのシミュレーションに 3 日かかりました。MATLAB と Simulink の使用により、シミュレーション時間をわずか 1 分に短縮できました。」

Jun Uehara, Epson Toyocom

MATLAB によるミックスドシグナルシステムの設計

ミックスドシグナルの解析

最高レベルで抽象化すると、MATLAB を使用して基本的なシステムアーキテクチャを解析できます。たとえば、2 次シグマデルタ変調器と 3 次シグマデルタ変調器の優劣や、最適な PLL のタイプ、ボード線図から読み取れるシステムの安定性、などを解析できます。

MATLAB と Simulink の解析ツールを使用して設計空間を探索し、最適な設計の起点を見つけます。たとえば、Mixed-Signal Blockset では、MATLAB の機能を使用して、PLL の閉ループおよび開ループの静的解析を実行し、ループフィルターを迅速に設計します。

MATLAB は、スプレッドシートや C/C++ 言語などの従来のプログラミング言語に優る解析機能と可視化機能を提供します。ただし、既存の投資を放棄する必要はありません。 MATLAB は、Microsoft® Excel® および C/C++ 言語に対応しています。


ミックスドシグナルのトップダウン設計

ビヘイビアモデルと測定テストベンチを使用して詳述し、さらに迅速な設計と検証を可能にします。Simulink では、さまざまな抽象化レベルで、制御ロジックやデジタルハードウェアと共にアナログ回路をシミュレーションできます。

"伝達関数" の抽象化レベルで連続時間信号、または Simscape Electrical™ のいずれかを使用してアナログ回路を記述し、電圧と電流、および RLC 要素、オペアンプ、スイッチなどのコンポーネントをモデル化します。

浮動小数点精度を使用して、アルゴリズムレベルでデジタル回路について記述するか、または量子化効果および飽和効果を含む任意長の固定小数点データ型を使用して、ビット精度シミュレーションを実行します。最後に、ASIC と FPGA をターゲットとする合成可能な HDL コードを生成します。

MATLAB 関数または Stateflow® を使用して、制御ロジックとステート マシンをアルゴリズム レベルで記述します。固定小数点データ型を使用し、組み込み C/C++ コード生成を使用してマイクロコントローラーをターゲットとするか、ASIC および FPGA をターゲットとする合成可能な HDL コードを生成するかを決定できます。


ミックスドシグナルの検証

システムレベルモデルは、設計フローの次の段階に関連付けられている必要があります。MATLAB モデルと Simulink モデルを SPICE モデル、HDL コード、ハードウェア向けのテストハーネスとして使用するには、さまざまな方法があります。

コシミュレーションは異なるツール間のランタイムリンクです。シミュレーションのタイムステップごとに、ツール間でデータが交換されるため、それらを一緒に実行してモデルをシミュレーションできます。アナログドメインでは、Cadence® Virtuoso® AMS Designer が Simulink へのコシミュレーション リンクを提供します。デジタルドメインでは、HDL Verifier™ が、ループテスト用のサードパーティ製 HDL シミュレータおよび FPGA ボードへのリンクを提供します。

回帰テストや機能検証環境での再利用のために、DPI-C インターフェイスを活用して、MATLAB アルゴリズムと Simulink モデルを SystemVerilog モジュールとしてエクスポートできます。

MATLAB を使用して IC シミュレーション結果を解析し、データをより効果的に可視化し、最適化、機械学習、深層学習の手法を使用してビヘイビアモデルをさらに調整できます。

ミックスドシグナル検証の最終段階は、デバイステストです。この段階では、MATLAB と Simulink は様々なテスト機器と統合され、モデルを介してテストベクトルを作成するテストシステムを構築し、テスト機器を制御して、結果を解析できます。


位相同期回路 (PLL)

トランジスタレベルのモデルは正確ですが、位相同期回路 (PLL) の設計においては、速度が非常に遅くなります。多くの場合、フィードバックループでは、ロック時間の取得には長時間のシミュレーションを要し、位相ノイズの影響の正確な予測にはシミュレーションの小さなタイムステップを要します。Simulink と Mixed-Signal Blockset は、オーバーサンプリングを必要とせず、可変ステップソルバーを使用して非常に高速な PLL シミュレーションを実現します。

従来の制御設計を継承する Simulink には、フィードバックループで非常に効率的にシステムをシミュレーションできるシミュレーション エンジンが搭載されています。ビヘイビアモデリングとより迅速なシミュレーション方法を組み合わせることで、PLL 設計のシミュレーション時間を数日から数時間または数分に短縮できます。


データコンバーター (ADC/DAC)

アナログ - デジタルコンバーター (ADC) の設計と検証においては、連続時間信号と離散時間信号を迅速にシミュレーションできる能力が重要となります。Simulink では、同じ環境のアナログハードウェアとデジタルハードウェアでモデリングを実行できるため、SPICE ツールで必要となる時間のわずかな時間で ADC を設計できます。

Simulink を使用すると素早く ADC を設計できるため、エンジニアはより迅速にパラメータースイープを行い、より短い時間で詳細な検証を実行できます。Mixed-Signal Blockset のテストベンチを使用すると、積分非直線性(INL)、微分非直線性(DNL)、ノイズ性能を迅速に評価できます。


SerDes および高速リンク

高いデータレートで動作する SerDes シリアル イコライゼーション システムと DDR パラレル イコライゼーション システムの解析およびシミュレーションを行うことで、シミュレーションの速度が大幅に低下する可能性があります。速度が低下した場合、プロジェクトに納期遅れのリスクが生じ、設計調査の範囲が制限されます。

SerDes Designer アプリを使用すると、NRZ 信号または PAM4 信号を使用して、プリエンファシスおよびイコライゼーション向けのさまざまなアーキテクチャを含む、任意の高速チャネル イコライゼーション スキームをわずか数分で解析できます。アプリからは、Simulink モデルを自動的に生成して適応等化アルゴリズムをさらに調整できます。または、独自のモデルから始めて、独自に開発したアルゴリズムを追加することもできます。システム統合とチャネル検証を行うために、SerDes Toolbox を使用して IBIS-AMI モデルを自動的に生成できます。


RF パワーアンプのデジタル プリディストーション (DPD)

デジタル プリディストーションは理論的には単純ですが、実践には困難を伴います。MATLAB は、RF パワーアンプ (PA) がもたらす影響を詳しく理解しながら、テスト機器の制御、複雑なデータの解析、DSP または FPGA 用のアルゴリズムの構築を行うための、統一された環境を提供します。

MATLAB では、変更済みの Volterra シリーズに基づいて、メモリや非線形性を含む PA モデルを簡単に構築し、RF Blockset™ Circuit Envelope を使用してシミュレーションできます。独自の DPD アルゴリズムを使用して、閉ループで RF PA をシミュレーションすることで、ラボテストに移る前に、量子化、その他の RF 効果を予測できます。