利用傳感器數(shù)字部分完成對汽車?yán)走_(dá)IC設(shè)計的驗(yàn)證

在 NXP，我們團(tuán)隊開發(fā)了一種新方法學(xué)來驗(yàn)證汽車?yán)走_(dá)集成電路 (IC) 的設(shè)計。該左移（或稱“流程前置”）方法學(xué)將規(guī)格書級別指標(biāo)的早期驗(yàn)證與虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合。

我們關(guān)注規(guī)格書級別的指標(biāo)而不是硬件實(shí)現(xiàn)級別的指標(biāo)，從而確保用來評估設(shè)計的驗(yàn)證簽核 (signoff) 標(biāo)準(zhǔn)與客戶最關(guān)心的標(biāo)準(zhǔn)一致。

此外，通過在虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)中仿真路試場景，我們可以使用真實(shí)測試激勵對雷達(dá) IC 硬件進(jìn)行環(huán)境在環(huán)驗(yàn)證。

我們的客戶中有相當(dāng)一部分是一線汽車供應(yīng)商，他們最關(guān)心的就是規(guī)格書中的各項(xiàng)性能指標(biāo)，比如信噪比 (SNR) 和總諧波失真 (THD)。

他們反倒不太關(guān)心大多數(shù) IC 驗(yàn)證團(tuán)隊會關(guān)心的一些主要指標(biāo)，比如單個組件測試結(jié)果、代碼覆蓋率結(jié)果，以及其他硬件實(shí)現(xiàn)級別的指標(biāo)。

另外，我們的客戶利用現(xiàn)場試驗(yàn)和真實(shí)駕駛場景來評估完整的雷達(dá)系統(tǒng)，而 IC 驗(yàn)證團(tuán)隊則使用與真實(shí)信號相去甚遠(yuǎn)的測試圖形來評估單個射頻、模擬和數(shù)字組件（圖 1）。

我和所在團(tuán)隊定義并實(shí)現(xiàn)了左移（或稱“流程前置”）方法學(xué)，使得我們驗(yàn)證 IC 設(shè)計的流程與客戶評估 IC 設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)保持一致。

我們開發(fā)用于虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)的路試駕駛場景基于許多客戶所遵循的 Euro NCAP 標(biāo)準(zhǔn)。

我們生成的功能和性能指標(biāo)（如 SNR）與客戶評估自己產(chǎn)品中的 IC 組件所用的指標(biāo)相同。

圖 1.包含射頻、模擬和數(shù)字子系統(tǒng)的汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)架構(gòu)

規(guī)格書級別指標(biāo)的早期驗(yàn)證

過去，我的團(tuán)隊采用一種基于通用驗(yàn)證方法學(xué) (UVM) 的方法來驗(yàn)證汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的數(shù)字部分。這種方法需要使用高級語言創(chuàng)建一個參考模型來復(fù)制待測設(shè)計 (DUT) 的功能。給定輸入測試向量，比較 DUT 的輸出與參考模型的輸出。UVM 測試并不捕獲 SNR 測量值或者客戶關(guān)心的其他指標(biāo)。并且，即使實(shí)現(xiàn)只有相對很小的更改（比如更新有限脈沖響應(yīng) (FIR) 濾波器的系數(shù)），測試平臺都要做出相應(yīng)更改。保持測試平臺與實(shí)現(xiàn)的同步需要相當(dāng)多的精力和時間。

鑒于此方法的缺點(diǎn)和局限性，我們沒有把驗(yàn)證精力放在實(shí)現(xiàn)與參考模型的一一對應(yīng)上，而是決定重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計的功能和性能。我們開發(fā)了 MATLAB算法，不僅能計算 SNR、THD 和功率譜密度 (PSD) 等高級設(shè)計指標(biāo)，也能計算濾波器和其他組件的指標(biāo)，比如阻帶衰減和通帶波紋。我們使用 HDL Verifier，基于這些 MATLAB 算法生成 SystemVerilog DPI 組件，并將它們集成到 HDL 測試平臺，用于 Cadence 仿真環(huán)境（圖 2）。

圖 2：一個使用 MATLAB 驗(yàn)證函數(shù)的測試環(huán)境，函數(shù)借助 HDL Verifier 通過 DPI-C 在 SystemVerilog 封裝中實(shí)現(xiàn)。

采樣信號數(shù)據(jù)通過 DUT 進(jìn)行采集，然后傳遞給 MATLAB 驗(yàn)證代碼所產(chǎn)生的 DPI-C 函數(shù)。繪制測試結(jié)果圖（圖 3），并與系統(tǒng)需求進(jìn)行對比，以確保設(shè)計符合規(guī)格書。

圖 3：采樣信號（上）和 MATLAB 計算得出的功率譜密度圖（下）。

使用 MATLAB 生成的 DPI-C 模型，我們可以在 Cadence HDL 驗(yàn)證環(huán)境中的多個接口上對功能指標(biāo)和性能指標(biāo)進(jìn)行計算。我們可以將設(shè)計的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證分離開來，并在更契合客戶所關(guān)心指標(biāo)的抽象級別上進(jìn)行測試。

我們還可以重用 MATLAB 生成的 C 代碼，對初次流片的測試結(jié)果進(jìn)行分析。比如，我們從雷達(dá)傳感器 IC 收集采樣數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)傳遞給用于計算 SNR 的 C 函數(shù)。這些函數(shù)由 MATLAB 生成，同時也用于在 SystemVerilog 中驗(yàn)證我們的設(shè)計。

虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)

在過渡到指標(biāo)驅(qū)動的驗(yàn)證方法時，我們使用真實(shí)駕駛場景數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)。以前，我們使用不同的測試向量集分別驗(yàn)證每個射頻、模擬和數(shù)字子系統(tǒng)。這些測試向量中，只有極少數(shù)提取自路試過程中所捕獲的雷達(dá)反射。

如今，我們已在這一方法學(xué)中納入環(huán)境在環(huán)驗(yàn)證。現(xiàn)在，我們利用 Automated Driving Toolbox 中的駕駛場景設(shè)計器（圖 4）構(gòu)建駕駛場景。該 App 中的預(yù)置場景代表了 Euro NCAP 測試協(xié)議。這些協(xié)議正是客戶評估雷達(dá)系統(tǒng)性能的基準(zhǔn)。

圖 4：Automated Driving Toolbox 中的駕駛場景設(shè)計器。

下一步，我們用 Phased Array Toolbox 構(gòu)建一個雷達(dá)傳感器模型。為了讓此模型符合實(shí)際所用傳感器的規(guī)格書，我們調(diào)整了有關(guān)天線孔徑、峰值發(fā)射功率、接收機(jī)噪聲系數(shù)以及天線單元數(shù)量的參數(shù)。此外還調(diào)整了影響調(diào)頻連續(xù)波 (FMCW) 波形的某些參數(shù)，比如最大距離、線性調(diào)頻時長、掃描帶寬和采樣率。我們把這個傳感器模型集成到之前構(gòu)建的駕駛場景中，將雷達(dá)傳感器虛擬地安裝在自主車輛上（圖 5）。

圖 5：用于管理自主車輛上雷達(dá)傳感器位置的界面。

接下來我們執(zhí)行這個駕駛場景，并捕獲傳感器的混頻器輸出，即場景中目標(biāo)的雷達(dá)反射的解線性調(diào)頻信號。我們將這個解線性調(diào)頻信號傳遞給 ADC 設(shè)計中的 Simulink 模型，以生成數(shù)字 IQ 數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)饋送給數(shù)字基帶處理鏈。

如此一來，我們就可以生成基于 Euro NCAP 駕駛場景的 IQ 數(shù)據(jù)，并在研發(fā)的早期階段（可能早于初次流片一年甚至更多）進(jìn)行數(shù)字處理鏈的虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)（圖 6）。

圖 6：虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)的跟拍視圖（左上）和鳥瞰視圖（右）。

后續(xù)工作

新的方法學(xué)和工作流現(xiàn)已推廣應(yīng)用至下一代的雷達(dá)收發(fā)機(jī)。對于這些產(chǎn)品，我們會在場景中納入環(huán)境效應(yīng)，以了解我們的設(shè)計在雨霧天氣等情況下的性能表現(xiàn)。

我們認(rèn)識到，這一新的驗(yàn)證方法學(xué)并不僅僅適用于汽車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的數(shù)字組件，所以我們也期望將虛擬現(xiàn)場試驗(yàn)用于模擬組件和其他應(yīng)用場景，比如車輛之間的通信系統(tǒng)。

這篇文章重點(diǎn)介紹了傳感器實(shí)現(xiàn)中數(shù)字部分的驗(yàn)證，但是這一環(huán)境在環(huán)方法也可輕松推廣應(yīng)用到混合信號和射頻設(shè)計中，比如傳感器設(shè)計中的 ADC。

審核編輯：郭婷