習(xí)建博+潘浩+鄧慶勇

摘 要：本文介紹一種基于UVM驗(yàn)證方法的相控陣?yán)走_(dá)數(shù)字波束形成模塊（DBF）的驗(yàn)證平臺(tái)及其實(shí)現(xiàn)方法。該方法利用DPI接口在激勵(lì)產(chǎn)生器模塊（sequence）中構(gòu)建c函數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)通道數(shù)據(jù)，加權(quán)系數(shù)，校正系數(shù)以及波束指向系數(shù)的復(fù)數(shù)運(yùn)算，并完成浮點(diǎn)數(shù)到定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換，激勵(lì)到DBF模塊中。同時(shí)，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)采集經(jīng)DBF模塊運(yùn)算后的波束信息，并與參考模型進(jìn)行自動(dòng)化的結(jié)果比對(duì)，比對(duì)正確的結(jié)果會(huì)由定點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)后寫入文件以供后續(xù)處理。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字波束形成；UVM；仿真驗(yàn)證；驗(yàn)證方法學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.264

1 引言

數(shù)字波束形成（DBF） 一直是相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的數(shù)字波束形成器設(shè)計(jì)流程在選定FPGA 器件后，先進(jìn)行硬件描述語言的設(shè)計(jì)輸入，簡(jiǎn)單仿真后就綜合出網(wǎng)表并下載到目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試。仿真驗(yàn)證一般不會(huì)作為主要的保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的手段，也不會(huì)使用任何驗(yàn)證方法學(xué)。但是伴隨DBF系統(tǒng)規(guī)模以及設(shè)計(jì)復(fù)雜度的提高，僅靠后期板上調(diào)試會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，并且難于定位邏輯錯(cuò)誤，所以仿真驗(yàn)證在數(shù)字波束形成器模塊的設(shè)計(jì)流程中的重要性逐漸提高，并且傾向使用芯片驗(yàn)證中用到的方法學(xué)。

2 DBF基本原理

DBF采用數(shù)字處理方法，對(duì)于某一方向入射信號(hào)，補(bǔ)償由于傳感器在空間位置不同而引起的傳播路程差導(dǎo)致的相位差，實(shí)現(xiàn)同相疊加，從而實(shí)現(xiàn)該方向的最大能量接收，完成該方向上波束形成，主要完成下列運(yùn)算：

（1）

式中，f （t） 為目標(biāo)接收信息；k為波束號(hào)；d為陣元間距；為發(fā)射載波波長(zhǎng)；為目標(biāo)信號(hào)相對(duì)天線陣面法線的入射角；n為第n通道；N 為天線陣面上垂直向排列的陣元數(shù)；W 為加權(quán)系數(shù)；C為校正參數(shù)；反映波束指向。

（2）

顯然，當(dāng)波束指向滿足式（2）時(shí)， 該波束接收到的信號(hào)最大，其他方向的波束信號(hào)幅度下降?？梢詫⑹剑?）簡(jiǎn)化為

式中， X （n） 為第n通道來的輸入復(fù)信號(hào)；為波束指向參數(shù)。

由以上公式可以看出，波束形成器實(shí)質(zhì)是完成輸入信號(hào)和對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)復(fù)數(shù)乘法累加的功能，在工程上一般采用FPGA實(shí)現(xiàn)。

3 基于UVM的數(shù)字波束形成器模塊級(jí)驗(yàn)證方法

為解決FPGA在仿真驗(yàn)證階段由于需要產(chǎn)生的測(cè)試激勵(lì)信號(hào)較為復(fù)雜，且其激勵(lì)數(shù)據(jù)源多為由浮點(diǎn)復(fù)數(shù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換而形成的二進(jìn)制或十六制的定點(diǎn)矢量化數(shù)據(jù)，利用傳統(tǒng)的Verilog或VHDL等硬件描述語言很難將其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)問題，我們采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：使用UVM驗(yàn)證平臺(tái)結(jié)構(gòu)和驗(yàn)證思想完成數(shù)字波束合成驗(yàn)證的整體框架，使用C模型完成測(cè)試激勵(lì)數(shù)據(jù)的復(fù)數(shù)運(yùn)算及浮點(diǎn)數(shù)到定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換，使用DPI接口完成C模型與UVM序列發(fā)生器模塊的無縫對(duì)接。

圖1為基于UVM的數(shù)字波束形成器模塊驗(yàn)證平臺(tái)，該平臺(tái)采用系統(tǒng)級(jí)硬件描述語言System Verilog完成。主要包括以下10個(gè)組件：測(cè)試用例庫）、驗(yàn)證環(huán)境、代理器、數(shù)據(jù)-系數(shù)生成器、波束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、監(jiān)視器、激勵(lì)產(chǎn)生器、驅(qū)動(dòng)器、記分板、參考模型、比較器。

與傳統(tǒng)的UVM驗(yàn)證平臺(tái)相比較，為了適配數(shù)字波束形成器模塊的復(fù)數(shù)乘累加運(yùn)算，本方法在激勵(lì)產(chǎn)生器中調(diào)用DPI接口，利用C模型進(jìn)行浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，并完成浮點(diǎn)數(shù)到定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)可重用、易維護(hù)、高效、方便的測(cè)試激勵(lì)信號(hào)建立方法。

首先，在激勵(lì)產(chǎn)生器中聲明DPI接口，以及需要調(diào)用的通道復(fù)信號(hào)產(chǎn)生c函數(shù)：

Import "DPI-C" function void dbf_data_build（）；

import "DPI-C" function void dbf_coef_build（）；

然后，由C語言實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)-系數(shù)生成器，對(duì)通道數(shù)據(jù)，加權(quán)系數(shù)，校正系數(shù)以及波束指向系數(shù)進(jìn)行復(fù)數(shù)運(yùn)算，并完成浮點(diǎn)數(shù)到定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換。激勵(lì)產(chǎn)生器通過DPI接口調(diào)用數(shù)據(jù)-系數(shù)生成器中產(chǎn)生的激勵(lì)數(shù)據(jù)包，并將其按照一定的順序及數(shù)量，發(fā)送給驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器將獲得的激勵(lì)數(shù)據(jù)包，通過接口將其驅(qū)動(dòng)到待測(cè)試模塊上。監(jiān)視器收集DUT的端口數(shù)據(jù)，并同樣通過DPI接口將采樣到的數(shù)據(jù)通過由C語言實(shí)現(xiàn)的波束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)域信號(hào)，并寫入文件。記分板通過比較待測(cè)設(shè)計(jì)與參考模型的輸出是否一致，來驗(yàn)證待測(cè)設(shè)計(jì)是否正常運(yùn)行，并給出驗(yàn)證結(jié)果。

最后，通過覆蓋率的統(tǒng)計(jì)分析檢測(cè)功能是否遍歷，以保證設(shè)計(jì)在實(shí)際運(yùn)用環(huán)境中的功能正確。

4 結(jié)語

本文基于UVM 驗(yàn)證方法學(xué)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字波束形成器模塊級(jí)驗(yàn)證，該方法利用DPI接口在激勵(lì)產(chǎn)生器模塊中構(gòu)建c函數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)通道數(shù)據(jù)，加權(quán)系數(shù)，校正系數(shù)以及波束指向系數(shù)的復(fù)數(shù)運(yùn)算，并完成浮點(diǎn)數(shù)到定點(diǎn)數(shù)的轉(zhuǎn)換，激勵(lì)到DBF模塊中。有效解決了傳統(tǒng)功能仿真驗(yàn)證中存在的通用性差，效率低等問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂欣欣，劉淑芬.FPGA通用驗(yàn)證平臺(tái)建立方法研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2010，27（05）：46-49.

[2]Accellera.Universal verification methodology（uvm）1.0 users guide.February，2011.

[3]Tashan S.Coverage metrics for functional validation of hardware designs[J].IEEE Design& Test of Computers，2001，18（04）：36-45.