用应用硬件仿真(Application,Hardware,Modeling)优化系统功能

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?��3�iJ�����"http://www.xcysycw.com/k/cailiao/" target="_blank" class="keylink">材料成本,也很可能导致重新设计及制造芯片。

使用AHM模型的方法,由于功能的仿真,设计人员可以在设计流程的前段就发现问题。此外,可以优化设计,避免过度的设计成本及时间。这有助于降低成本以及加快产品在终端市场上的上市时间。

3利用AHM方法对音频应用进行Pop噪音分析

3.1 Pop 噪音的定义及其量化

Pop噪音( Pop-up noise,下文中简称PuN)是指当音频路径从一种操作模式转换到另一种时所产生的任何不受欢迎的转换噪音或可被听见的小故障。虽然它目前并没有像SNR 或 THD一样被业界公认为最主要的影响音质的指标,但这种现象很大程度上影响了终端用户聆听时的舒适度并且降低了音频系统的音乐品质感。

尽管Pun 逐渐成为音频产品优质与否的重要差异化指标,但仅有极少几家具有高专业水准的公司开始客观地量化这个指标,使得他们和那些仅宣称自己是“无pop 噪音”方案却无任何具体解决措施的公司区分开来。

Dolphin是第一个成功地将PuN现象与不断创新的音频转换器 (下文中简称audio CODEC) 的应用电路图(application schematic,下文简称ASC)相结合,进行仿真并量化的虚拟元件(下文简称ViC)供应商。在我们的ViC 产品规范中,PuN的描述和测量基准(benchmark)一起详细地制定(从active 到inactive mode或反之)。由于我们的仿真结果与测量结果的一致性,使得我们可以做到PuN的测量值完全符合产品规范,同时我们也提供为降低PuN所建议使用的程式(起动或开机,转换操作模式)。

PuN被量化为A加权过滤后的噪音峰值幅度与最大输出信号峰值幅度的比率。如果它在-50 dB之上则被视为不可接受,如果其值在-60 dB以下则被视为处于可接受的范围内。

PuN 的来源可能有多种,从ViC、SoC 到PCB 板。Dolphin一直致力于确定PuN所有可能的原因并为降低它进行不断创新。这些努力最终在2009年年初得到了回报——两项有关PuN 降低的解决方案正在专利审核中。降低PuN的仿真和PuN来源的识别只有通过AHM 的方法,结合真正的多级别、多领域的仿真工具,譬如SMASHTM才可最终实现。

通过这种应用SMASHTM和AHM仿真对PuN 进行分析的方法,您可以根据某个给定的ASC,来定量一个给定的音频系统(包括从ViC、SoC到PCB级)的PuN值。之后,您就能顺利地优选或替换不同的ASC,或应用程序来实现降低PuN的目的。这样一来,您就不用根据不同的ASC制作许多测试板或子板,从而节省了宝贵的时间和昂贵的诊断成本。

3.2 AHM对一个音频元件的仿真环境的实例介绍

我们通过例子详细解释用AHM仿真PuN的优势。实例中包含一个音频Class-D DAC,一个纯逻辑的PWM调制器(SoC上),以及外部的MOSFET power stage和LC过滤器( PCB板上)。

AHM的仿真环境在下图中显示。它包括数字式音频ViC模型、输入/输出缓冲( I/O buffer)、在PCB 上的应用电路图、PCB 布线中的干扰的粘连模型(PCB glue)、耳机缆绳(电阻和电容性干扰)的模型,以及耳机的模型。

PuN的仿真是定义于耳机两端接收到的A加权过滤后的高峰瞬变电压。此例中我们选择了两种不同的音频ViC的操作模式转换来进行PuN量化。为了简化例子,我们这里假定系统电源是稳定的,并且电源噪声不进一步产生不希望听见的PuN噪声。

请注意,如果音频ViC是混合信号元件,为了考虑到在SoC层面对PuN的影响,每个制造工艺上的工艺偏移及输入/输出缓冲都需要被正确地塑造,因为逻辑到模拟的转换是通过SoC里的ViC实现的。而对于数字式音频方案的例子,数模变换在PCB上完成。所以数字式音频ViC和输入/输出缓冲模型可以用行为逻辑HDL语言塑造。而其他模型可以定义成模拟SPICE语言。

注意,根据您的仿真工具的不同,数字(HDL语言模型)到模拟(SPICE 语言模型)接口设备也许需要被手工加入网表(netlist),这样做的目的是为了进行真实的混和信号仿真。一般来说,除正确配置接口设备特征之外,当使用SMASHTM时,需要的接口设备将自动地被辨认并且被插入,不需要工程师的任何干预。请注意,如果我们想要定义系统电源启动时的PuN,那么每个部分电源管理器都要被很准确地塑造,这样才能正确预测PuN值。 在这个例子里,我们使用稳定和理想的电源。

3.3 关于PuN 测试程序的描述

测试程序提供音频设计模块的两种转换操作模式:一是从正常模式( normal mode)转换到soft静音模式( soft-mute mode),另一个是从正常模式转换到待机模式( stand-by mode)。

正常模式就是播放音乐的正常操作。Soft静音模式是渐渐将音乐的音量降到最小,这里的PWM modulator继续工作,信号的输入值为零。待机模式是电路保持启动的状态下,PWM信号输入值变为零。

输入的测试信号为Full Scale 1 kHz 正弦波(sinewave), PWM bitstreams 由 音频ViC 产生和输出到PCB来连接其应用电路。

PuN的仿真结果显示:从正常模式到soft静音模式的转换,没有出現任何PuN。从正常模式到待机模式,就可以清晰地听到PnN,数值大约在负20 dB,远远大于负50 dB。

3.4. 用AHM仿真来降低PuN

一旦产生PuN的模式转换被找到后(这里指从正常模式到待机模式),就可以考虑几种降低PuN的方法。例如,可以修改音频设计的应用电路,我们可以使用一个差分耳机接法取替代原来的单端型耳机接法。

需要注意的是为降低PuN问题所采用的优化ASC可能会对系统的性能或成本产生影响。有时,一个优化过PuN的ASC可能会产生较高的材料成本,可能和信噪比系统性噪比(SNR)性能优化过的ASC不同。因此为现有的音频ViC找到一个最合适的ASC实际上是对多种性能标准进行权衡的结果(例如,PuN、系统SNR、功耗等)。

我们可以看出在差分( Differential)耳机接法的ASC上,几乎观察不到有PuN,因为同样的噪声出现在差分信号(+)和(-)上,因此被抵消。

请注意,PuN取决于LC滤波器的电容准确度和PCB干扰特性。如果差分信号的PCB布线太不相同,或者两个差分信号之间有延迟,那么瞬态电压幅度在差分信号上可能会略有不同:这种情况下,仍然会有轻微的PuN,或因为延误就会有2次噪音的情况产生。这些参数主要取决于PCB的设计。

降低PuN的另一个办法,是可以把重点放在应用软件程式。不用直接从正常模式转换到待机模式,而是改变应用软件先从正常模式过渡到soft静音模式,接着从soft静音模式过渡到待机模式的结合过渡方式。

我们可以预测说这种通过软件进行的优化的确可以降低PuN。实际上,从正常模式过渡到soft静音方式没有PuN。而且,只要适当配置从soft静音模式到待机模式的过渡时段, 即可避免PuN发生。这个时段取决于输入信号的振幅和音量减少的幅度,而这一点是可以很容易用模拟来检验的。

在这个例子中,考虑这两种降低PuN方法的优劣,应用软件优化是最佳途径,因为它不需占用更多的CPU资源,且无需修改ASC(或在某些应用中不能使用差分耳机连接)。再次强调我们用SMASH仿真的结果与PCB板上所做的实际测量结果相符。

3.5 用AHM 对PuN仿真的革新

上例中用AHM降低PuN的模型看起来可能比较简化,但AHM这套理论方法可以适用于更多并且更复杂的设计情况上。AHM模型仿真方案对于PuN的分析能让 PuN 不仅在 ViC、SoC、PCB方面 并且在应用软件方面能有进一步的优化。

在制作PCB板之前,对PCB设计多加注意有助于PuN 的优化。可以通过电路板布线的特性和选择不同ASC 来决定,因此没有必要重复做很多PCB板,或通过改变PCB上一个个组件及拉飞线的方式来重复试错。

关于AHM对PuN分析的未来发展,短期内可能是结合一些耳机插孔连接器和耳机的机械化模型来做运用。作为耳机插孔插入时可能会导致PuN的现象,这不仅仅取决于每个耳机的灵敏度,而且取决于对PuN的接受程度。PuN 的定义和量化都可能因为我们AHM模型的理念的革新而产生演变。

采用AHM分析PuN,将成为我们公司应用工程服务的一部分,它将和我们全新音频转换器及“all-in-one SMASHTM 仿真器”一起提供整套方案。我们客户的应用工程师可以因此采用这个秘密武器来节省时间和金钱。

4关于 AHM 理念的其它功能和可能的应用

在前面的部分,为了优化应用系统的原理图和降低对这个系统的成本和时间,我们演示了PuN仿真的好处。然而,AHM与SMASH的受益不仅仅局限于PuN分析,而且也可以应用在音频功能以外的方面。

其它一些功能和性能的验证也可以使用AHM,其中包括:

●进行相关时钟抖动的变化来分析对应用功能的影响;

●进行耗电高峰期的分析来在供电管理方面降低噪声;

●不同的模式下的应用耗电分析,以降低系统整体功耗;

●通过模拟来分析,而不是使用面包板来降低成本,同时支持不同的应用原理图;

●进行相关的分析来核实数据速率及检查在设计中对速度的要求;

●进行相关的分析,来帮助在电源管理方面选择一个优化的解决方案,从而避免浪费面积及高成本;

●进行相关的分析来检测对于干扰的敏感度和系统性能的检测(例如信噪比等)。

根据不同的期望的性能验证,各个模型并不需要同样的组件描述和设计语言。恰当的组件描述及模拟设计语言取决于所要求的模拟精度和其对该功能的影响。

AHM模拟也可以帮助确认芯片的应用及其恰当的组件。实际上,可以在一些部件和HDL模型之间进行选择,来优化应用程序的原理图。模拟之后,我们可以确定最佳配置的应用程序的原理图 :最好的系统性能,或最低的BOM成本等。

5结论

本文强调了一种全新的仿真方法,它满足了一个目前无法实现的需求,也因此突显了我们SMASH 仿真器独一无二的功能。因为它是真正的多语言(HDL/HDL-AMS/SPICE/SYSTEM C...)、多层次、多领域(比如电子及机械模式)的仿真工具。AHM的目标旨在检查各个系统功能或性能,及提前找到设计或系统整合上的问题。而SMASH是用于AHM仿真的最好方案,因为其在一个网表内包含了不同语言和领域的模型。而且,SMASH是目前最大程度支持VHDL/AMS语言及的仿真工具,同时我们也提供多领域元件库(EMBLEM library)以配合AHM的仿真。

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