Outils pour la simulation de systèmes mixtes

4.1. Introduction

Lors de la conception de systèmes de communication, il est nécessaire d’utiliser des outils et des langues de modélisation différents. Pour être efficaces, ces langages et outils doivent offrir des simulations précises dans des temps acceptables. Nous présentons, dans les paragraphes suivants, les outils permettant la description de systèmes hétérogènes (analogiques, mixtes et RF).

4.2. SystemC

SystemC est un ensemble de classes C++ et de macros pour la modélisation au niveau système, la conception et la vérification. Il a des similitudes sémantiques avec les langages de description matérielle tels que VHDL et Verilog. En outre, il permet de modéliser les composants logiciels en utilisant directement le langage C/C++ et en héritant de tous les avantages du C++ comme les constructions riches de langage et les types de données qui réduisent ainsi le temps de conception et les efforts de travail. SystemC supporte la conception de différents niveaux d'abstraction afin que les concepteurs puissent modéliser soit un système complexe à un niveau d'abstraction très élevé ou un bloc analogique bas niveau avec des primitives électriques prédéfinies.

SystemC-AMS est une extension de SystemC pour la modélisation des composants du signal analogique et mixte (AMS) avec trois modèles de calculs (ou MoC, Model of Computation) spécifiques comme le Timed Data Flow (TDF), le Linear Signal Flow (LSF) et l’Electrical Linear Network (ELN) pour adapter les exigences de la modélisation à différents niveaux d'abstraction.

Verilog-AMS (respectivement VHDL-AMS) est l'extension aux circuits analogiques et mixtes du langage VerilogHDL (respectivement VHDL). Il est utilisé pour modéliser des blocs par une description comportementale ou structurelle (en encapsulant d’autres sous-circuits avec leurs ports d’entrée-sortie et des paramètres génériques). Il simule les comportements analogiques avec une solution conservative en respectant les lois de Kirchhoff.

Matlab est un outil puissant est largement utilisé dans le monde. Développé par la société MathWorks, il est basé sur le langage C. Il est généralement utilisé pour les calculs matriciels, les fonctions de traçage, etc., et peut s’interfacer avec des programmes écrits en C, C ++, Java et Python. Appliqué pour la conception de systèmes embarqués, Matlab est également un simulateur de flux de données. Il est capable de modéliser des systèmes analogiques/RF contenant des non-idéalités et l’outil Simulink est facile et intuitif pour les descriptions de modèles. Toutefois, il est limité en vitesse de simulation, notamment pour les systèmes RF.

4.3. Interopérabilité entre les MoCs de SystemC

Les différents modèles de calcul de SystemC peuvent être utilisés pour mélanger différents modèles à différents niveaux d’abstraction : TDF, LSF, RTL et TLM MoCs.

SystemC présentent certaines restrictions: les processus d’événements discrets de SystemC ne sont pas autorisés dans les modules TDF, les composants de SystemC-AMS TDF et LSF ne peuvent pas être connectés directement aux composants TLM, …. Par conséquent, il est nécessaire de réaliser des mécanismes d’interface afin d’assurer cette interopérabilité. La figure 1.32 présente les mécanismes qui ont été développés, dans le cadre de ce travail de thèse, pour aboutir aux simulations finales de communications BLE à différents niveaux d’abstraction afin d’obtenir des résultats les plus précis possibles avec des temps relativement « courts ».

4.4. Conclusion

Dans ce travail, nous avons choisi d'utiliser les outils de SystemC pour modéliser un système de communications. En effet, ils correspondent aux exigences requises pour simuler un tel système entier. Ces outils prennent en charge les modèles de haut niveau qui peuvent être simulés rapidement, tout en étant raffinés par des extractions de plus bas niveau. En outre, ils couvrent tous les domaines (hétérogènes) d’un tel système de communication sans fil. Ils permettent, en effet, un interfaçage facile, rapide et efficace entre ces différents domaines.

5.

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons présenté les challenges liés à la modélisation et la simulation d'un système de communication sans fil complet, contenant différents domaines (numérique, analogique et RF). Pour résoudre ces problèmes, nous avons choisi la méthode de modélisation dite MIM et les outils basés sur SystemC. Nous avons aussi rappelé les principales caractéristiques des blocs RF, afin de pouvoir les modéliser d’un point de vue fonctionnelle, puis par raffinement de ces modèles issus de simulation bas niveau ou de mesures sur des circuits déjà réalisés. La figure 1.32 montre quels langages seront utilisés en fonction des trois différents domaines (types de signaux) de l'émetteur- récepteur. Cette approche nous permet de réutiliser les véhicules et vecteurs de test (use case BLE) développés par la société Riviera Waves en utilisant SystemC-TLM. Le chapitre suivant est focalisé sur le développement des modèles, leur raffinement et leur validation en utilisant SystemC-AMS pour décrire un émetteur-récepteur BLE. Pour cela, nous utiliserons l'architecture d’un circuit développé par la société Riviera Waves.

Chapitre 2 : Modélisation d’un transceiver BLE

1.

Introduction

Ce chapitre présente l’architecture du transceiver BLE, développée par la société Riviera Waves, que nous avons choisie comme véhicule de test. L'objectif final est de modéliser cet émetteur- récepteur au niveau système en raffinent suffisamment ces modèles afin de prendre en compte les spécificités des blocs RF pour effectuer des simulations système précises avec des temps acceptables. Cette simulation haut niveau doit permettre soit de faire des explorations d’architectures, soit de

valider et/ou optimiser une architecture en relâchant ou resserrant certaines contraintes au niveau de certains circuits (redéfinition des spécifications des blocs de base).

Un transceiver BLE complet peut être séparé en 4 blocs fonctionnels effectuant la modulation, la démodulation, l'émission et la réception (cf. Fig. 2.1). Dans ce travail, l’émetteur-récepteur contient le modulateur et le démodulateur GFSK. Pour la partie RF, un émetteur de type Zéro-IF et un récepteur de type Low-IF (fréquence intermédiaire) ont été choisis. La partie MODEM utilise la modulation GFSK et la modulation FSK est réalisée par la méthode indirecte (cf. Fig. 2.2). Les déviations de fréquence sont converties en phases instantanées et transmises comme un signal modulé en phase.

Notre étude est focalisée sur l'analyse et l'optimisation des performances Rx. Dans un premier temps, la modélisation des blocs Tx sera idéale. La fréquence intermédiaire de l’architecture Low-IF du récepteur RF est de -1 MHz. Dans cette chaine de traitement le signal est alors complexe. Le signal IF est filtré par un filtre passe-bande complexe et numérisé par un ADC ΔΣ passe-bande. La down- conversion vers la bande de base est traitée par un DSP (cf. Fig. 2.3). Dans la partie DSP, la démodulation est le processus inverse de la modulation. Le signal est ramené en bande de base, et ∆ est calculée puis convertie en ∆ par la fonction tan (·).