習(xí)建博+潘浩+鄧慶勇

摘 要：本文介紹一種基于UVM驗證方法的相控陣雷達數(shù)字波束形成模塊（DBF）的驗證平臺及其實現(xiàn)方法。該方法利用DPI接口在激勵產(chǎn)生器模塊（sequence）中構(gòu)建c函數(shù)模型，實現(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)運算，并完成浮點數(shù)到定點數(shù)的轉(zhuǎn)換，激勵到DBF模塊中。同時，平臺會自動采集經(jīng)DBF模塊運算后的波束信息，并與參考模型進行自動化的結(jié)果比對，比對正確的結(jié)果會由定點數(shù)轉(zhuǎn)換為浮點數(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；仿真驗證；驗證方法學(xué)

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

1 引言

數(shù)字波束形成（DBF） 一直是相控陣雷達的關(guān)鍵技術(shù)，傳統(tǒng)的數(shù)字波束形成器設(shè)計流程在選定FPGA 器件后，先進行硬件描述語言的設(shè)計輸入，簡單仿真后就綜合出網(wǎng)表并下載到目標板進行調(diào)試。仿真驗證一般不會作為主要的保證設(shè)計質(zhì)量的手段，也不會使用任何驗證方法學(xué)。但是伴隨DBF系統(tǒng)規(guī)模以及設(shè)計復(fù)雜度的提高，僅靠后期板上調(diào)試會浪費大量時間，并且難于定位邏輯錯誤，所以仿真驗證在數(shù)字波束形成器模塊的設(shè)計流程中的重要性逐漸提高，并且傾向使用芯片驗證中用到的方法學(xué)。

2 DBF基本原理

DBF采用數(shù)字處理方法，對于某一方向入射信號，補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，實現(xiàn)同相疊加，從而實現(xiàn)該方向的最大能量接收，完成該方向上波束形成，主要完成下列運算：

（1）

式中，f （t） 為目標接收信息；k為波束號；d為陣元間距；為發(fā)射載波波長；為目標信號相對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，當波束指向滿足式（2）時， 該波束接收到的信號最大，其他方向的波束信號幅度下降。可以將式（1）簡化為

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

由以上公式可以看出，波束形成器實質(zhì)是完成輸入信號和對應(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實現(xiàn)。

3 基于UVM的數(shù)字波束形成器模塊級驗證方法

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

圖1為基于UVM的數(shù)字波束形成器模塊驗證平臺，該平臺采用系統(tǒng)級硬件描述語言System Verilog完成。主要包括以下10個組件：測試用例庫）、驗證環(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、激勵產(chǎn)生器、驅(qū)動器、記分板、參考模型、比較器。

與傳統(tǒng)的UVM驗證平臺相比較，為了適配數(shù)字波束形成器模塊的復(fù)數(shù)乘累加運算，本方法在激勵產(chǎn)生器中調(diào)用DPI接口，利用C模型進行浮點數(shù)運算，并完成浮點數(shù)到定點數(shù)的轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)可重用、易維護、高效、方便的測試激勵信號建立方法。

首先，在激勵產(chǎn)生器中聲明DPI接口，以及需要調(diào)用的通道復(fù)信號產(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語言實現(xiàn)的數(shù)據(jù)-系數(shù)生成器，對通道數(shù)據(jù)，加權(quán)系數(shù)，校正系數(shù)以及波束指向系數(shù)進行復(fù)數(shù)運算，并完成浮點數(shù)到定點數(shù)的轉(zhuǎn)換。激勵產(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)動器。驅(qū)動器將獲得的激勵數(shù)據(jù)包，通過接口將其驅(qū)動到待測試模塊上。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語言實現(xiàn)的波束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)域信號，并寫入文件。記分板通過比較待測設(shè)計與參考模型的輸出是否一致，來驗證待測設(shè)計是否正常運行，并給出驗證結(jié)果。

最后，通過覆蓋率的統(tǒng)計分析檢測功能是否遍歷，以保證設(shè)計在實際運用環(huán)境中的功能正確。

4 結(jié)語

本文基于UVM 驗證方法學(xué)實現(xiàn)了數(shù)字波束形成器模塊級驗證，該方法利用DPI接口在激勵產(chǎn)生器模塊中構(gòu)建c函數(shù)模型，實現(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)運算，并完成浮點數(shù)到定點數(shù)的轉(zhuǎn)換，激勵到DBF模塊中。有效解決了傳統(tǒng)功能仿真驗證中存在的通用性差，效率低等問題。

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