高速伝送路での信号特性の解析 ~ 新しい MATLAB /Simulink の使い方 ~ MathWorks Japan アプリケーションエンジニアリング部初井良治 2014 The MathWorks, Inc. 1
Demo MATLAB/Simulink 高速伝送特性シミュレーション DFE CDR ビット生成プリエンファシス伝送路特性データ 8B10Bエンコーダ アナログイコライザ 8B10B デコーダ CTLE( アナログイコライザ ) 後段 DFE イコライザ後段 2
内容 MATLAB/Simulink を高速伝送路解析活用 高速伝送路解析の現状 MATLAB/Simulink 各種オプション紹介 S パラメータの活用 S パラメータとは S パラメータの活用について MATLAB/Simulink の伝送路シミュレーション例 画像伝送シミュレーション 高速差動伝送路シミュレーション (SERDES) 3
内容 MATLAB/Simulink を高速伝送路解析活用 高速伝送路解析の現状 MATLAB/Simulink 各種オプション紹介 S パラメータの活用 S パラメータとは S パラメータの活用について MATLAB/Simulink の伝送路シミュレーション例 画像伝送シミュレーション 高速差動伝送路シミュレーション (SERDES) 4
高速伝送路解析の現状 各種シリアル伝送 (USB,HDMI,DDR 等 ) では 高速伝送路でのシミュレーションでの検討 解析はすでに何年も前から行われています 上記の規格に沿った伝送はもとより 近年では 画像の高解像度化 各種センサーの増加 各種機器の小型化もあり 今まではあまり高速ではなかった伝送路においても 試作前にシミュレーションで検討を行う必要性が出てきております 各種センサーからのデータ伝送 画像データ伝送 自動車車内伝送 5
高速伝送路解析で考慮すること 高速化による 高周波特性の考慮 伝送路アイソレーション特性 各種デジタル処理 ( イコライザー等の装着 ) 測定データの取り込み MATLAB/Simulink できるの? MATLAB/Simulink でも対応 6
Motivation 同じツールで解析を行いたい MATLAB/Simulink を別の用途で使用中 ( アルゴリズム開発 デジタル信号処理に活用中 ) 現在使用中の MATLAB/Simulink に解析を行いたい機能 (Toolbox) を追加して高速伝送路解析向けに活用 高速伝送路解析だけではなく 製品のシステム解析で広く使いたい 用途に合わせて 画像処理 信号処理等を各種 Toolbox を組み合わせによりシステム全体のシミュレーションを実施可能 7
内容 MATLAB/Simulink を高速伝送路解析活用 高速伝送路解析の現状 MATLAB/Simulink 各種オプション紹介 S パラメータの活用 S パラメータとは S パラメータの活用について MATLAB/Simulink の伝送路シミュレーション例 画像伝送シミュレーション 高速差動伝送路シミュレーション (SERDES) 8
MATLAB/Simulink とは 科学技術計算のための最先端の開発環境 対話的なプログラミング環境 アプリケーション固有の簡潔なプログラミング言語 データの探索 解析 計算およびグラフィックス機能 アルゴリズム開発 カスタマイズ可能な各種機能 視覚的に理解可能なモデリング / シミュレーション環境 ブロック線図シミュレーション環境 マルチドメイン ( アナログ / デジタル タイム / イベントドリブン 浮動小数点 / 固定小数点 ) 開発ツールの連携による統合された開発環境 自動コード生成による組込み 9
MATLAB/Simulink 導入の利点 シミュレーションプラットフォーム 豊富な解析 / 可視化関数 連続 離散ドメインに対応 可変ステップソルバによる高速処理 MATLAB/ Simulink/ Stateflow 各種オプションライブラリ ディジタル系ライブラリ 各種イコライザに対応 アナログ系ライブラリ RF 特性の考慮可能 豊富なオプションでモデルを迅速に具現化 Control System Toolbox TM / Signal Processing Toolbox TM / Communication System Toolbox TM / DSP System Toolbox TM / RF Toolbox TM SimRF TM / 10
高速伝送路信号解析で使える製品 RF Toolbox 測定データ 理論的なネットワークパラメータ等により決定される RF コンポーネントの定義 有理関数近似による モデル生成 スミスチャート 極座標等の可視化 SimRF RF システム設計のためのライブラリとシミュレーションエンジンを提供 ミキサー アンプ S パラメータなどのブロック DSP System Toolbox 高度なフィルタ設計 マルチレート 適応フィルタ 固定小数点化 スペクトル推定 デジタルフィルタ 行列 線形代数 FFT/DCT/DWT Communications System Toolbox アイパターン表示 符号化 復号化 変復調 PRBS 信号源 ノイズ信号源 11
RF Toolbox 概要 高周波回路用関数群 各種ネットワークパラメータ読み出し / 書き出し / 変換 RFコンポーネント作成 : アンプ フィルタ マイクロストリップライン 同軸ケーブル等 スミスチャート描画 GUI 機能 (RFTool) RFTool 変換可能なネットワークパラメータ 12
RF Toolbox アプリケーション RF Design and Analysis RF コンポーネントパラメータ GUI により直感的に RF 特性を検討 13
RF Toolbox 概要提供される関数例 4 ポートから 2 ポート S パラ変換 スミスチャートの表示 RF 回路オブジェクトの定義 アンプ ミキサ フィルタ 直並列 RLC 同軸 μ ストリップライン カスケード接続 14
RF Toolbox 概要デモ 15
SimRF 概要 SimRF は RF 設計でよく使われる S パラメータ等 RF ビヘイビアモデルを活用できます S パラメータの活用 RF ビヘイビアモデル 多重反射を考慮 SimRF TM Simscape TM MATLAB, Simulink 16
SimRF 概要デモ : 送信部負荷 伝送路 受信部負荷のシミュレーション 伝送路 ( 同軸ケーブル )+ 入出力負荷シミュレーション例 送信部負荷 同軸ケーブル 受信部負荷 17
DSP System Toolbox 概要 信号処理アルゴリズムを提供 MATLAB Function: フィルタ設計 スペクトラム解析 時間解析 MATLAB System object: ストリーミング シミュレーション Simulink Block: ストリーミング シミュレーション コード生成に対応 全てのブロックが C コード生成に対応 ( 可視化用ブロック除く ) 20 以上のブロックが HDL コード生成に対応 プリエンファシスタップ係数の設定 RLS アダプティブフィルタを使用した例 18
Communication System Toolbox 概要 各種通信向けアルゴリズムを提供 各種データ信号源 : ランダム信号 PN 信号 各種ノイズ源 : ガウシアンノイズ ユニフォームノイズ 各種イコライザ :LMS DFE, RLS DFE, MLSE 等 同期コンポーネント : VCO モデル PLL モデル 各種可視化 測定機能 : アイパターン BER 19
Mixed Signal Library 概要 Mixed Signal Library によりアナログ / デジタル協調でのシステム設計をより容易 ADC, PLL, Signal Integrity, スイッチング電源等の Example を活用可能 ミックスシグナル関連 Example ADC PLL Signal Integrity 電源 クロックリカバー PLL 例 20
内容 MATLAB/Simulink を高速伝送路解析活用 高速伝送路解析の現状 MATLAB/Simulink 各種オプション紹介 S パラメータの活用 S パラメータとは S パラメータの活用について MATLAB/Simulink の伝送路シミュレーション例 画像伝送シミュレーション 高速差動伝送路シミュレーション (SERDES) 21
S パラメータ (scattering parameters) とは 回路の各ポートから入出力される信号 ( 波 ) の大きさ ( 振幅 ) と位相をあらわしたものを S パラメータといいます 対象となるネットワーク ( 回路 ) に波を入力して その散乱度合いを表したものである a1 b1 a2 b2 a1: Port1 の入力波 b1: Port1 の反射波 a2: Port2 の入力波 b2: Port2 の出力波 b 1 b 2 = S 11 S 21 S 12 S 22 a 1 a 2 2 ポート S パラメータ 22
MATLAB/Simulink で S パラメータ活用例デモ RF Toolbox による S パラメータ (touchstone ファイル ) 作成 ( 同軸ケーブルモデル ) 測定した S パラメータから 入出力特性の S パラメータデータをディエンベッド S パラメータ操作 : ミックスモード S パラメータへ変換 Simulink 時間シミュレーション用モデル変換 測定データ 各種シミュレータデータを MATLAB/Simulink で活用 23
RF toolbox S パラメータの操作 S パラメータの書き込み ( デモ ) 同軸ケーブルモデルの S パラメータ解析 24
RF Toolbox Sパラメータの操作 Sパラメータのディエンベッド ( デモ ) S パラメータデータ読み込み Input_pad output_pad Measured_data S11 S22 S21 伝送路測定データを冶具部分を等価回路でディエンベッド可能 25
RF Toolbox S パラメータの操作差動伝送路での活用 ( デモ ) 4port 2port 差動 / コモン / クロスモード S パラメータへ変換 s2scc s2scd s2sdc s2sdd 4port 2port 変換 ( 一括変換は s2smm) 差動伝送路特性をシミュレーション可能 26
RF Toolbox S パラメータの操作差動伝送路での活用 2port 差動 / コモン / クロスモード S パラメータへ変換された S パラメータを伝達関数および有理関数モデルに変換して 時間ドメインでシミュレーション s2tf: 伝達関数表現変換 rationalfit: 有理関数モデル 有利関数モデル n Ck F( s) k 1 s Ak D exp( s Delay ) s j2 freq S パラメータ 時間ドメインでシミュレーション可能 27
内容 MATLAB/Simulink を高速伝送路解析活用 高速伝送路解析の現状 MATLAB/Simulink 各種オプション紹介 S パラメータの活用 S パラメータとは S パラメータの活用について MATLAB/Simulink の伝送路シミュレーション例 画像伝送シミュレーション 高速差動伝送路シミュレーション (SERDES) 28
Simulink シミュレーション例画像信号伝送シミュレーション ( システムシミュレーション ) システム拡張 ( 画像データへの拡張 ) 画像データ 伝送路 (S パラメータを変換 ) 送信データ受信データ ( ノイズあり ) 29
内容 MATLAB/Simulink を高速伝送路解析活用 高速伝送路解析の現状 MATLAB/Simulink 各種オプション紹介 S パラメータの活用 S パラメータとは S パラメータの活用について MATLAB/Simulink の伝送路シミュレーション例 画像伝送シミュレーション 高速差動伝送路シミュレーション (SERDES) 30
高速差動伝送路シミュレーション SERDES シミュレーションワークフロー S パラメータを有理関数に変換 プリエンファシス tap 係数の検討 アナログイコライザ検討 バスタブカーブ解析 受信 DFE の検討 CDR( クロックデータリカバリ ) の検討 31
SERDES の例 (Simulation Flow) 伝送路のモデリング (S パラから変換 ) S パラメータを有理関数に変換 プリエンファシス tap 係数の検討 アナログイコライザ検討 受信 DFE の検討 CDR( クロックデータリカバリ ) の検討 GUI 上で S パラメータデータから有利関数モデルに変換 バスタブカーブ解析 32
SERDES の例 (Simulation Flow) 伝送路のモデリング (S パラから変換 ) S パラメータを有理関数に変換 プリエンファシス tap 係数の検討 アナログイコライザ検討 受信 DFE の検討 CDR( クロックデータリカバリ ) の検討 バスタブカーブ解析 33
SERDES の例 (Simulation Flow) プリエンファシス係数 アナログフィルター特性検討 送信部の FFE フィルターの係数検討 S パラメータを有理関数に変換 プリエンファシス tap 係数の検討 アナログイコライザ検討 受信 DFE の検討 CDR( クロックデータリカバリ ) の検討 バスタブカーブ解析 アナログイコライザ特性 アイパターン 34
SERDES の例 (Simulation Flow) バスタブカーブ特性評価 CTLE 適用時の特性評価 バスタブカーブ S パラメータを有理関数に変換 プリエンファシス tap 係数の検討 アナログイコライザ検討 受信 DFE の検討 CDR( クロックデータリカバリ ) の検討 バスタブカーブ解析 バスタブカーブ 35
SERDES の例 (Simulation Flow) DFE の検討 (SERDES Simulation) S パラメータを有理関数に変換 プリエンファシス tap 係数の検討 アナログイコライザ検討 受信 DFE の検討 CDR( クロックデータリカバリ ) の検討 LMS, RLS 等各種ディシジョンフィードバックアナライザーの検討 バスタブカーブ解析 アイパターン 36
SERDES の例 (Simulation Flow) SERDES 全体 Simulation S パラメータを有理関数に変換 プリエンファシス tap 係数の検討 アナログイコライザ検討 受信 DFE の検討 CDR( クロックデータリカバリ ) の検討 PLL を組んで CDR( クロックデータリカバリ ) 部の検討 エラー訂正部の検討 バスタブカーブ解析 アイパターン 37
まとめ MATLAB/Simulink では S パラメータ ( 測定 シミュレーション ) を容易に操作可能 伝送路の S パラメータデータを変換して Simulink で高速伝送路解析 SERDES のアナログ部 伝送路 デジタル処理部を同じプラットフォームで解析 アプリケーションに合わせたシステム全体の解析に適用可能 38
お問い合わせ 営業部へのお問い合わせ http://www.mathworks.co.jp/contact_us/ テクニカルサポート http://www.mathworks.co.jp/support/contact_us/ 電話 03-6367-6717 ( 月 ~ 金 受付時間 9:00-17:30) メール :service@mathworks.co.jp ( 日本語で対応 ) 本日のご参加ありがとうございました 2014 The MathWorks, Inc. MATLAB and Simulink are registered trademarks of The MathWorks, Inc. See www.mathworks.com/trademarks for a list of additional trademarks. Other product or brand names may be trademarks or registered trademarks of their respective holders. 39
Mixed Signal Library ダウンロード先 下記リンク先よりダウンロード可能です 画面上で指示に従って進んでいただければダウンロードが可能になっております リンク先 :https://www.mathworks.co.jp/programs/mixed-signal/index.html 41
Appendix:AMS 関連リンクページ www.mathworks.co.jp/mixed-signal-systems/ 各種ユーザ事例 無償ミックスドシグナルライブラリ 42