面向OFDM系統(tǒng)物理層關(guān)鍵算法模塊邏輯設(shè)計功能聯(lián)合仿真驗證平臺

北京智芯微電子科技有限公司 郝 嚴 馮文楠

提出了一種面向OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交頻分復(fù)用技術(shù)）系統(tǒng)物理層關(guān)鍵算法邏輯設(shè)計功能的聯(lián)合仿真驗證平臺。該平臺將原本使用SystemVerilog驗證語言搭建的驗證環(huán)境（運行于數(shù)字邏輯仿真工具Synopsys公司的VCS中）和復(fù)雜數(shù)字信號算法處理的參考模型（運行于算法仿真工具Mathworks公司的Matlab中），通過直接編程接口（Direct Programming Interface，DPI）以C++作為橋梁進行連接。通過實際仿真驗證比較，使用這種方法搭建的聯(lián)合仿真驗證平臺相比傳統(tǒng)仿真驗證平臺，在執(zhí)行相同數(shù)量測試用例條件下，仿真驗證時間縮短15%以上；在不增加Matlab參考模型修改成本基礎(chǔ)上，可對各關(guān)鍵參數(shù)進行隨機化賦值，相關(guān)參數(shù)的觸發(fā)覆蓋率（triggering coverge）理論可以達到100%。

0 引言

在數(shù)字IC（Integrated Circuit，集成電路）設(shè)計流程中，針對DUT（Design Under Test，被驗證設(shè)計）的仿真驗證環(huán)節(jié)十分重要，其貫穿RTL（Register Transfer Level，寄存器傳輸級）邏輯設(shè)計、門級（Gate Level）電路設(shè)計始末。驗證人員需對被驗證設(shè)計的功能、性能、可靠性安全性等方面進行仿真驗證，將發(fā)現(xiàn)的異常部分反饋于設(shè)計人員進行確認和修改，再對修改后的部分進行回歸驗證，通過反復(fù)迭代，直至DUT在仿真驗證過程中再未發(fā)現(xiàn)異常。

隨著時代發(fā)展，驗證工具、驗證方法學(xué)和驗證思路都在不斷推陳出新，以應(yīng)對愈發(fā)復(fù)雜的數(shù)字邏輯設(shè)計的仿真驗證工作，旨在盡可能多的在芯片設(shè)計前期、中期暴露出潛在的問題，最大程度減少設(shè)計成本。

本課題介紹了一種新的驗證思路，利用仿真工具的先進技術(shù)手段和驗證方法學(xué)的架構(gòu)優(yōu)勢完成仿真驗證工作，旨在執(zhí)行仿真驗證過程中，更大發(fā)揮仿真工具和驗證方法學(xué)的優(yōu)勢，提升仿真覆蓋率，降低問題遺漏率，節(jié)約人力成本。

1 OFDM系統(tǒng)與低壓電力線寬帶載波通信技術(shù)介紹

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交頻分復(fù)用技術(shù)，由MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制）發(fā)展而來。OFDM技術(shù)是多載波傳輸方案的實現(xiàn)方式之一，它的調(diào)制和解調(diào)是分別基于IFFT和FFT來實現(xiàn)的，是實現(xiàn)復(fù)雜度最低、應(yīng)用最廣的一種多載波傳輸方案（張捷.低壓電力線載波通信信道特性研究[J].電子科技大學(xué),2013:TN913,6）。

在通信系統(tǒng)中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號所需的帶寬要寬得多。如果一個信道只傳送一路信號是非常浪費的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復(fù)用的方法。

OFDM主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾(ISI)。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上可以看成平坦性衰落，從而可以消除碼間串擾，而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

OFDM系統(tǒng)收發(fā)信機工作原理如圖1所示：

圖1 OFDM系統(tǒng)收發(fā)信機工作原理示意圖

如圖1所示，OFDM系統(tǒng)收/發(fā)信機的主要組成部分為：QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅調(diào)制）調(diào)制/解調(diào)模塊、串并/并串變換模塊、IFFT/FFT模塊、插入/移除保護間隔模塊、插入/移除同步序列模塊、插入信道估計序列/信道估計模塊和組幀/解幀模塊部分（張有兵,何海波,吳昕,周擁華,程時杰.低壓電力線載波通信中信道模型的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2002:TM764）。

低壓電力線寬帶載波（Low voltage broadband power line carrier communication--LVPLC）通信是利用低壓電力配電線（380/220V用戶線）作為信息傳輸媒介進行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。最大特點是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞，在自動抄表、照明控制、智能小區(qū)、智能大廈、家庭網(wǎng)絡(luò)、家居智能控制、家庭安防等方面被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)是把載有信息的高頻信號加載于電流，然后利用各種等級的電力線傳輸（中國低壓電力線載波通信專用頻段為3-500kHz），接受信息的調(diào)制解調(diào)器再把高頻信號從電流中分離出來，并傳送到電力線寬帶用戶終端（計算機、電視或電話機和智能電表、開關(guān)、變臺）。低壓電力線從來就不是一種理想的通信介質(zhì)，但隨著技術(shù)的不斷進步，特別是調(diào)制技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，使得低壓PLC的實用化成為可能。

合適的物理層調(diào)制方式對在電力線載波信道中實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸十分重要。OFDM正交多載波調(diào)制是一種先進的調(diào)制技術(shù)，已成為新一代電力線載波通信的主流技術(shù)。在500kHz頻段內(nèi)實現(xiàn)的OFDM電力線載波通信系統(tǒng)通常稱為窄帶OFDM系統(tǒng)（相對于工作在2-30MHz的寬帶OFDM載波系統(tǒng)-BPLC）。OFDM將工作帶寬劃分成多個相互正交的子載波（通常數(shù)百個甚至上千個）。經(jīng)過信道編碼后的數(shù)據(jù)映射到這些子載波上同時傳送。與上述傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)相比，OFDM載波技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

●抗噪聲及抗干擾能力強，通信可靠、穩(wěn)定；

●對電力線信道的變化具有自適應(yīng)能力，當個別子載波受到干擾時仍可能成功通信；

●數(shù)據(jù)速率高，通常在幾十kbps以上。

2 驗證工具介紹

在數(shù)字IC（Integrated Circuit，集成電路）設(shè)計流程中，針對DUT（Design Under Test，被驗證設(shè)計）的仿真驗證環(huán)節(jié)十分重要，其貫穿RTL（Register Transfer Level，寄存器傳輸級）邏輯設(shè)計、門級（Gate Level）電路設(shè)計始末。驗證人員需對被驗證設(shè)計的功能、性能、可靠性安全性等方面進行仿真驗證，將發(fā)現(xiàn)的異常部分反饋于設(shè)計人員進行確認和修改，再對修改后的部分進行回歸驗證，通過反復(fù)迭代，直至DUT在仿真驗證過程中再未發(fā)現(xiàn)異常。

在對DUT仿真驗證過程中，驗證人員常通過數(shù)字邏輯仿真工具（如Cadence公司的Xcelium、Synopsys公司的VCS、Mentor公司的ModelSim等）、算法仿真工具（如Mathworks公司的Matlab、Maplesoft公司的Maple、Wolfram Research公司的Mathematica等）等工具協(xié)助仿真驗證其功能的正確性，各類工具均有其優(yōu)缺點，例如：

使用數(shù)字邏輯仿真工具，可通過搭建仿真驗證環(huán)境對DUT的正確性進行驗證，結(jié)合驗證方法學(xué)，可以對設(shè)計進行更多隨機化（Randomize）測試，能夠更加充分覆蓋被驗證設(shè)計。但是由于其仿真機理是通過電腦CPU（Central Processing Unit，中央處理器）模擬硬件環(huán)境，硬件環(huán)境中的并行操作、復(fù)雜算法會導(dǎo)致驗證速度大大降低，面對大型設(shè)計中若干秒功能仿真，很可能要花數(shù)小時乃至數(shù)天的時間。

算法仿真工具針對復(fù)雜算法開發(fā)的設(shè)計可以更加得心應(yīng)手，相關(guān)深度優(yōu)化的算法軟件包可以被直接調(diào)用，驗證速度更快。算法環(huán)境基于C語言，功能可以更加靈活。但由于其功能所限，尚無法對RTL設(shè)計代碼或門級網(wǎng)表文件直接進行驗證。

目前，在仿真驗證階段，驗證人員大都僅使用某一類仿真驗證工具，或者非同時使用數(shù)字邏輯仿真工具和算法仿真工具。同時，各類工具互相有依托，設(shè)計開發(fā)過程中難免會出現(xiàn)在不同的開發(fā)階段中脫節(jié)的情況，致使項目周期加長。而且，由于不同驗證人員的經(jīng)驗和思路不同，在使用仿真驗證工具時也會出現(xiàn)交互上的偏差，導(dǎo)致問題遺漏率增大。

綜上，針對上述兩類仿真驗證工具，需要有一種更加新穎的使用方式，專注于提升定位問題的精準度、功能/算法的覆蓋率等方面。因此，聯(lián)合使用數(shù)字邏輯仿真工具和算法仿真工具，取長補短，可以大大提升目前仿真效率。

3 聯(lián)合仿真驗證平臺

在傳統(tǒng)的仿真平臺中，算法仿真工具通過算法仿真模型生成相關(guān)的多組數(shù)據(jù)（例如激勵數(shù)據(jù)，過程數(shù)據(jù)、響應(yīng)數(shù)據(jù)等）作為驗證用例，數(shù)字邏輯仿真工具通過編譯驗證環(huán)境，導(dǎo)入該驗證用例，作為發(fā)送給DUT的激勵數(shù)據(jù)，中間過程比對數(shù)據(jù)，接收DUT輸出結(jié)果比對數(shù)據(jù)等，確認DUT功能、性能的正確性（任志勝,林平分.電力線載波通信系統(tǒng)的物理層仿真方法的研究[J].科技信息,2013:TN913,6）。

聯(lián)合仿真平臺的工作流程圖如圖2所示：

圖2 聯(lián)合仿真驗證平臺工作流程圖

通過比較，在傳統(tǒng)的仿真平臺中，數(shù)字邏輯仿真工具僅編譯執(zhí)行控制部分驗證環(huán)境和DUT，算法部分驗證環(huán)境均由驗證用例代替，而驗證用例事先由算法仿真工具生成。因此，在聯(lián)合仿真驗證平臺中，數(shù)字邏輯仿真工具的執(zhí)行速度似乎會更高；算法仿真工具和數(shù)字邏輯仿真工具可分別在不同的服務(wù)器CPU核心執(zhí)行，效率似乎也會更高。

但實際還需考慮更多因素。首先，驗證用例由數(shù)據(jù)算法仿真工具事先生成，如需要對驗證用例做更多的隨機化，勢必要生成更多的驗證用例，且隨著隨機化參數(shù)的增多，生成驗證用例的數(shù)量會呈指數(shù)增長，仿真效率會降低；其次，算法仿真工具和數(shù)字邏輯仿真工具雖然可以分別在不同的服務(wù)器CPU核心執(zhí)行，但由于驗證用例需要先由算法仿真工具生成好，才可被數(shù)字邏輯仿真工具調(diào)用，且生成驗證用例的速度和執(zhí)行驗證用力的速度不同，難以實現(xiàn)并行工作，其仿真時間依然等于生成驗證用例時間+執(zhí)行用例時間。

聯(lián)合仿真平臺的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

圖3 聯(lián)合仿真驗證平臺結(jié)構(gòu)示意圖

在聯(lián)合仿真驗證平臺中，算法仿真模型由算法仿真工具生成，由于數(shù)字邏輯仿真工具需要執(zhí)行帶有算法仿真模塊的驗證環(huán)境和DUT，其仿真速度會略慢于傳統(tǒng)仿真平臺，但是由于節(jié)省了生成用例的時間，總體仿真時間能夠縮短20%以上。同時，由于聯(lián)合仿真驗證平臺已經(jīng)執(zhí)行算法仿真模塊，當需要對用例的某些參數(shù)進行更多的隨機化時，僅需要在驗證環(huán)境中對參數(shù)做隨機化操作即可（可通過隨機化賦值：result=$randomize(min,max)，結(jié)合修改隨機化種子指令：+ntb_random_seed_automatic（以VCS數(shù)字邏輯仿真工具為例）），修改環(huán)境的復(fù)雜度大大降低，且無需執(zhí)行額外的驗證用例，僅需增加執(zhí)行原有用例的次數(shù)即可。

4 DPIGEN使用與注意事項

DPIGEN是Matlab工具中的指令，可將指定的function文件轉(zhuǎn)化為以DPI Component為橋梁的sv驗證模型（Jack Erickson.SystemVerilog DPI component generation from a MATLAB FFT.Mathworks,2016;Jack Erickson.HDL Verifier SystemVerilog DPI component generation with Synopsys VCS.MathWorks,2017）。

以O(shè)FDM工程中的FFT算法模塊舉例，該文件名為fft_cal.m，代碼如下：

在該文件所在目錄下打開Matlab工具，并執(zhí)行指令：

即可生成算法模型文件（fft_cal.m）轉(zhuǎn)化成c程序文件（fft_cal_dpi.c）、網(wǎng)表文件（fft_cal_dpi.h）、Systemverilog仿真模型（fft_cal_dpi.sv）等文件。生成的仿真模塊可以被Mentor公司的Modelsim、Cadence公司的Incisive和Synopsys公司的VCS支持。

上述指令的結(jié)構(gòu)為：dpigen–arg{arg}fcn

其中：dpigen是指令的主體，-arg后面為輸入數(shù)據(jù)的類型，func是待轉(zhuǎn)換Matlab中function的名字。

dpigen指令的后綴還有其他部分，可通過help dpigen指令查閱。

5 仿真結(jié)果

通過對關(guān)鍵算法模塊進行DPIGEN轉(zhuǎn)換，仿真結(jié)果如下：

表1 執(zhí)行時間比對（單位：小時）

通過仿真，總用時節(jié)省3.66小時（15.07%）。

表2 執(zhí)行覆蓋率比對

通過仿真，增加隨機化的單條用例的覆蓋率可以有明顯上升，結(jié)合查看覆蓋率報告，與隨機化參數(shù)相關(guān)的分支覆蓋率均達到100%。由于增加隨機化條件，仿真時間亦需要更長。

6 總結(jié)

通過實際仿真驗證進行比較，使用新方法搭建的聯(lián)合仿真驗證平臺相比傳統(tǒng)仿真驗證平臺，在執(zhí)行相同數(shù)量測試用例條件下，仿真驗證時間能夠縮短15%以上；在不增加Matlab參考模型修改成本基礎(chǔ)上，可對各關(guān)鍵參數(shù)進行隨機化賦值，相關(guān)參數(shù)的觸發(fā)覆蓋率（triggering coverge）理論可以達到100%。

同時，傳統(tǒng)仿真驗證平臺和聯(lián)合仿真驗證平臺的選取需要結(jié)合DUT的具體功能：比如當DUT內(nèi)部算法部分簡單或不含算法時，僅通過SVTB即可完成對DUT全部功能的仿真驗證工作，則無需采用聯(lián)合仿真驗證平臺；當DUT內(nèi)部包含復(fù)雜的算法模塊，需要外部結(jié)合算法仿真工具協(xié)同進行仿真驗證時，可以嘗試搭建聯(lián)合仿真驗證平臺，減輕搭建算法模型的工作量，增大驗證用例的隨機化程度，提升仿真驗證覆蓋率，減小問題遺漏的幾率。