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MathWorks公司的MATLAB和Simulink助5G开发如虎添翼
录入时间:2018/6/6 10:57:35

MathWorks公司的MATLABSimulink5G开发如虎添翼

          ——专访MathWorks全球产品市场经理赵志宏

科学计算软件供应商MathWorks于2018年5月22日在北京举办了MathWorks EXPO。在大会期间,本刊采访了MathWorks负责信号处理和通信产品的全球市场经理赵志宏先生。

微波杂志:请赵先生先简单介绍一下MathWorks公司。

赵志宏:MathWorks公司1984年成立,公司发展到现在,员工大概有4000多人,上一财年的总产值是9亿多美元。MathWorks公司的主要产品有两个:MATLAB和Simulink。前者是科学计算软件,后者是工程系统的仿真软件。我们的用户主要是各个领域的工程师、科研工作人员、院校里的教师和学生。我们涵盖的领域非常宽,从航空航天到汽车、电子、通信还有其他各行各业。

在我们的软件平台上还有各种各样不同的工具包,这些工具包是针对具体应用领域设计的。比如说今天要谈到的无线通信就有很多相关的工具包,我们针对主流的无线通信标准都提供一个非常深入的、契合标准的工具包。

微波杂志:MATLAB的主要功能是什么?

赵志宏:MATLAB是一个进行科学计算的软件,它把科学计算常用的运算功能都集中在了软件里,用户就可以使用这个软件在一个抽象度比较高的平台上做具体的科学计算和算法开发,不需要自己花时间写底层的代码、编译后再去运行。一些比较高级的运算在MATLAB中都有了,只要一个语句就可以代替一段很长的程序。例如,不管是学生、工程师或者其他科研工作者,如果他们需要做个傅里叶分析的话,他们就可以调用软件里面的功能,而不需要自己编写程序去实现具体算法。MATLAB是一个平台,在这个平台上有很多针对各个领域的工具包,比如信号处理。这些工具包里面提供各种各样的已经很成熟的算法。

微波杂志:Simulink的主要功能是什么?

赵志宏:Simulink是一个系统设计、仿真软件,它是一个基于模型的设计平台。Simulink有一个图形用户界面,用户在图形界面中可以搭建出各种系统的模型。从比较简单的系统,如一个控制器,到比较复杂的物理模型,如一个机器人手臂或者风力发电机。通过仿真,用户可以看到模型在不同条件下的运行结果。

除了仿真,Simulink还是一个基于模型的设计工具。当模型建好以后,如果想要把模型放在硬件中实现,用户不需要再去手写代码,Simulink可以自动把代码从模型里产生出来,直接放到硬件设备上运行。

微波杂志:MATLAB和Simulink是什么关系?它们是如何协同工作的?这两个软件是不是必须同时使用?

赵志宏:Simulink是基于MATLAB平台的一个工具,也就是说在用户使用Simulink的时候也在使用MATLAB。MATLAB和Simulink在整个设计流程中承担不同的工作。一般来讲,用户往往会在MATLAB中开发和测试新的算法,看看它能不能工作,测试这个算法到底对不对,一旦算法开发完成,测试结果满意,下一步就需要把算法做成具体的实物或整套系统,这个时候就用户往往采用Simulink和基于模型的设计方法把这个系统设计出来,产生代码做硬件实现。所以,整个产品开发的流程一般会用到MATLAB和Simulink。它们结合在一起可以完成从概念到产品的一整套流程。

微波杂志:请您介绍一下MATLAB和Simulink在无线、射频领域的一些具体应用。

赵志宏:我们在无线通信领域提供了几个工具箱。一个是无线通信工具箱。这个工具箱里面包含无线通信工作者们需要的基本功能和模块,如调制解调器、编码器、译码器。这个工具箱里面也有一些其他辅助工具,如眼图、误码率等等。用户可以用这个工具箱搭建出基本的发射接受器和信道模型,进行仿真和分析。另外,我们最近发布了两个符合无线通信标准的工具箱——LTE工具箱(2014年)和WLAN工具箱(2016年)。

这些工具箱出了提供软件仿真模块,还提供硬件支持包。有了硬件支持包,用软件搭建出来一个物理模型,那么除了可以仿真还可以直接把它跟射频硬件连接起来。比如说你搭建了一个发射器的模型,并将MATLAB和支持的发射器硬件连接,你就可以将模型产生的信号发射出去。同样,如果你搭建了一个接收器的模型,并将MATLAB和支持的发射器硬件连接,你也可通过天线把空中的信号接收下来直接送到电脑里面进行分析。

微波杂志:5G与4G相比在各项关键性能上有巨大的提升,应用的范围也更宽广,这给5G开发和设计人员带来了哪些挑战?

赵志宏:与4G相比,5G的性能指标有了很大的提高,它的系统复杂性也就随之提高了很多,随之而来的,设计过程也就变得更复杂了,这是无线通信工作者现在面临的一个巨大挑战。

微波杂志:MathWorks如何帮助5G开发和设计人员应对5G的设计挑战?

赵志宏:MathWorks去年在LTE工具箱的基础上,推出了一个专门针对5G开发的模块库。帮助5G科研人员和产品开发者开发5G新的接收器和发射器的功能。这个模块库里包含了3GPP预发布的5G标准里面定义的信道模型、编码和调制的功能,我们也提出了很多新的5G标准信道模型。工程师可以利用这个信道模型来检测他设计出来的发射器、接收器是不是符合标准,是不是能够按照他设想的效果去运行。

另外,我们还有另外两个工具箱,可以为5G开发工程师提供有力工具。一个是相控阵工具箱,里面包含了设计和仿真混合波束成形的功能。另一个是射频工具箱,里面包含了专门针对无线通信的射频部分设计的模块,通过这个工具箱用户可以很快地把射频模型搭建起来,可以快速评估射频电路的非线性特性对整个无线通信链路的影响。

微波杂志:Simulink和MATLAB可以应用于5G开发的哪些环节?各个环节都有覆盖吗?像收发、天线之类的?

赵志宏:对,我们的产品在这无线通信系统设计的几个环节都有覆盖,从天线设计到天线阵列,从射频电路到数字基带,从信号采集到信号处理。

微波杂志:Simulink和MATLAB用于5G开发有哪些优势?

赵志宏:第一个优势,快速算法开发。在5G开发时,用户可以利用Simulink和MATLAB提供的符合标准的模块,快速建立起他们要设计的系统的模型,在此基础上,他们可以加入自己的创新和算法,并利用我们提供的分析工具去测试这样的新算法的效果。

第二个优势,跨领域开发。通常,一个设计师可能是无线基带领域的专家,但他可能对射频不是很熟悉;或者,他是一个射频方面的专家,但可能对基带的技术不了解。然而在他们的工作当中,他们需要把基带和射频放在一起仿真。有了我们的工具箱,他们把整个链路的模型建立起来,即使他们对链路中的各个领域不熟悉。

微波杂志:5G的开发和设计人员就使用MATLAB和Simulink能够获得哪些收益?

赵志宏:首先是通过MATLAB和Simulink可以很快地把设计的实物模型搭建出来进行仿真,通过仿真来调整模型和参数,开发各种运行模式,尽早发现问题。

其次,代码自动生成功能大大缩短了从设计到产品研制的时间,加快了产品开发的速度。利用基于模型的设计方法和代码产生技术,用户在设计好系统的模型之后可以很快地把系统在硬件设备上实现和验证。

微波杂志:可以分享一些用MATLAB和Simulink进行5G开发的案例吗?

赵志宏:第一个例子是诺基亚使用基于模型的设计来快速开发无线通信SoC的原型。他们使用Simulink和HDL Coder来加速SoC的FPGA原型开发和验证,以尽早交付完整的 SoC 硬件/软件设计。诺基亚的工程师体会到了基于模型的设计在原型开发方面的优势,包括:设计工作和验证重点转向更高层次,自动产生可读的HDL代码,在FPGA和ASIC上综合的效率都很高。

第二个案例是华为的5G原型设计和开发。他们使用MATLAB和Simulink建立了整个空口链路级仿真模型,并导入从现场测试中得到的参数数据。他们利用工具中提供的模块快速构建起了他们的系统,然后专注于他们开发他们特定的新波形和新的天线设计。他们从MATLAB自动生成HDL代码进行硬件验证。当他们在现场测试中评估算法时,他们非常有效地看到整个系统的性能和状态,并快速识别出潜在的问题。

华为在这个项目中采用了基于模型的设计理念,在MATLAB和Simulink中完成了从产品需求,建模和数据分析,到链路级系统仿真,算法选择,RTL代码生成,测试和原型设计以及样片芯片的产出和测试等步骤。

第三个例子是爱立信部署5G硬件测试平台。为了在硬件测试平台上完成和部署全面的概念验证,爱立信的一个开发小组使用了MATLAB和Simulink开发的算法,然后用代码产生的技术把它和其他系统组件是现在了FPGA上。具体来说,他们将自动生成的HDL代码与手动编码的自定义接口代码以及来自FPGA供应商的软核、DMA和物理接口等组件的IP核集成在了一起。如果设计需要更新,他们会在Simulink中做出更改,重新生成代码(通常只需几分钟),而不是手改代码。爱立信工程师指出,生成的代码条理清晰、可读性强且功能准确。

赵志宏简历:

毕业于清华大学电机工程系,获得硕士学位;并拥有美国柏森大学的MBA学位。现任MathWorks美国总部的产品市场经理,负责信号处理和通信产品在全球的战略定位和技术推广。赵先生毕业后,就职于MathWorks十年,曾任研发部门经理,负责开发HDL Coder产品,从MATLAB和Simulink算法产生RTL代码。


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