一種射頻標(biāo)簽芯片的數(shù)模混合信號仿真方法

劉長龍，陳 燕，程理麗

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081；2.河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北石家莊050024）

一種射頻標(biāo)簽芯片的數(shù)模混合信號仿真方法

劉長龍1，陳 燕2，程理麗1

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081；
2.河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北石家莊050024）

針對射頻標(biāo)簽芯片的設(shè)計(jì)，介紹了一種基于Synopsys XA及VCS的數(shù)?；旌闲盘柗抡娣椒?。在分析射頻標(biāo)簽芯片基本架構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，首先采用XA完成了仿真環(huán)境的建立，初步驗(yàn)證了芯片的電源系統(tǒng)和基本邏輯功能；在此基礎(chǔ)上，開展了數(shù)?；旌闲盘柗抡婕夹g(shù)的研究工作。探討了在混合仿真中對存儲器建模的幾種方法，并針對EEPROM的電流模型在仿真中與實(shí)際工作狀態(tài)不符的問題，設(shè)計(jì)了一種基于電流受控電阻的存儲器仿真模型。仿真結(jié)果顯示，修正后的存儲器模型與Spice仿真結(jié)果較為接近，利用該模型成功實(shí)現(xiàn)了全芯片的數(shù)模混合信號功能仿真和接口時(shí)序驗(yàn)證，且仿真速度約為傳統(tǒng)方法的10倍以上，從而為芯片驗(yàn)證工作節(jié)約了大量的時(shí)間。

射頻標(biāo)簽；混合信號；電路仿真；仿真模型

0 引言

射頻標(biāo)簽又稱為射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID），是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種自動識別技術(shù)［1］。閱讀器發(fā)射的無線射頻信號可以被特定的射頻標(biāo)簽識別，從而交換、存儲數(shù)據(jù)信息［2］；與傳統(tǒng)的識別技術(shù)不同，射頻識別解決了免接觸等問題，并可同步實(shí)現(xiàn)運(yùn)動目標(biāo)識別、多目標(biāo)識別［3］，因此被廣泛應(yīng)用于物流系統(tǒng)、室內(nèi)定位［4］、身份識別、交通管理和醫(yī)藥行業(yè)等許多領(lǐng)域［5］。

在引入數(shù)模混合仿真方案之前，RFID芯片通常是模擬及數(shù)字部分單獨(dú)進(jìn)行仿真驗(yàn)證［6］。由于沒有進(jìn)行芯片級系統(tǒng)仿真，無法驗(yàn)證接口的功能、時(shí)序以及數(shù)字、模擬電路之間的相互影響，可能會導(dǎo)致流片失?。?］。為了解決這一問題，采用了基于Synopsys公司的XA－VCS數(shù)?；旌戏抡娼鉀Q方案，并對存儲器模型進(jìn)行了修正，實(shí)現(xiàn)了對RFID芯片的數(shù)?；旌闲盘柗抡骝?yàn)證，從而縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，有效降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

1 RFID工作原理

如圖1所示，RFID芯片可以分為模擬前端（AFE）、數(shù)字基帶處理單元（BPU）和電可擦除可編程存儲器（EEPROM）存儲器三部分。模擬前端電路與天線相連，主要功能是電源管理、射頻信號的調(diào)制解調(diào)及數(shù)字接口信號生成。電源管理部分包括ESD保護(hù)電路、整流電路、高壓泄放電路和基帶穩(wěn)壓電路；調(diào)制解調(diào)電路完成ASK、FSK和BPSK等信號調(diào)制解調(diào)工作；數(shù)字接口信號生成主要包括時(shí)鐘恢復(fù)電路、上電復(fù)位（Power on Reset）模塊等等。數(shù)字基帶單元是整個(gè)芯片的控制單元，其中包括基帶協(xié)議處理、EEPROM接口、RF接口、加解密單元等。EEPROM存儲器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀取與存儲，可重復(fù)讀寫，由存儲單元即BitCell陣列、數(shù)字控制電路、模擬電荷泵等模塊組成［8］。

圖1 RFID芯片的基本結(jié)構(gòu)

在工作過程中，RFID通過天線接收閱讀器發(fā)送的載波信號，并通過整流電路將其轉(zhuǎn)換為直流信號，為整個(gè)芯片供電；同時(shí)解調(diào)模塊解調(diào)出經(jīng)調(diào)制的載波信號所攜帶的數(shù)據(jù)信息，并傳遞給片上的數(shù)字基帶部分加以處理；基帶部分與EEPROM存儲器部分共同完成數(shù)據(jù)的讀寫和處理，再通過調(diào)制模塊將上行信號返回給閱讀器，從而完成一次通信。由此可見，RFID芯片的通信依賴于模擬電路、數(shù)字基帶及存儲器的協(xié)同配合，在功能上，數(shù)字與模擬電路接口需要準(zhǔn)確配合；在性能上，模擬部分要為數(shù)字基帶及存儲器提供穩(wěn)定的電源和正確的輸入信號，反過來數(shù)字電路及存儲器的功耗也會對模擬電路造成負(fù)載的變化及噪聲干擾［9］。

2 XA仿真環(huán)境的建立

XA是Synopsys用于晶體管級電路瞬態(tài)仿真的仿真器，在保持了HSIM、NanoSim的快速、大容量性能的基礎(chǔ)上能夠得到SPICE的精度［10］。在芯片設(shè)計(jì)過程中，首先使用XA進(jìn)行仿真，主要是有以下分析目標(biāo)：

①上電復(fù)位電路是否能保證數(shù)字邏輯正確復(fù)位并進(jìn)入工作狀態(tài)；

②數(shù)字電路工作時(shí)，模擬穩(wěn)壓電路是否能夠保證其穩(wěn)定工作。

仿真環(huán)境的建立采用Spice－Top的方法，模擬前端加射頻非接觸激勵(lì)源作為一個(gè)整體的模擬電路Spice網(wǎng)表，數(shù)字電路網(wǎng)表來自于APR工具輸出的Verilog格式網(wǎng)表，利用V2S工具將該網(wǎng)表轉(zhuǎn)換成Spice仿真工具可以識別的CDL網(wǎng)表［11］。根據(jù)對功耗情況的分析，在RFID芯片中功耗最大的負(fù)載為EEPROM存儲器，因此在仿真中需要重點(diǎn)關(guān)注EEPROM工作狀態(tài)下的功耗對模擬前端電源及解調(diào)性能的影響。圖2是XA仿真結(jié)果，從圖中可以看到，數(shù)字邏輯部分工作正常，可以完成協(xié)議處理及數(shù)據(jù)返回，說明上電復(fù)位電路以及穩(wěn)壓電路能夠滿足數(shù)字邏輯的工作需求。

圖2 XA仿真結(jié)果

3 全芯片數(shù)?；旌戏抡姝h(huán)境的建立

數(shù)?；旌闲盘柗抡媸菙?shù)模混合集成電路功能驗(yàn)證的一種系統(tǒng)仿真方案。通過把快速SPICE仿真器與VCS數(shù)字仿真器集成到統(tǒng)一的混合信號仿真流程中，成功地克服了行為級驗(yàn)證對模型精確度的依賴性以及晶體管級驗(yàn)證耗時(shí)長且效率低等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)仿真數(shù)字和模擬單元，驗(yàn)證接口時(shí)序、功能，并在仿真的速度和仿真精度間可以進(jìn)行靈活的折衷。

采用基于Verilog－Top的流程建立芯片的混合信號仿真環(huán)境，如圖3所示，模擬電路加上Verilog Wrapper后，使用Verilog完成頂層描述和模塊調(diào)用，仿真參數(shù)設(shè)置文件描述接口部分的電壓轉(zhuǎn)換閾值，配置文件主要完成仿真參數(shù)配置。在完成混合仿真后，仿真數(shù)據(jù)統(tǒng)一由FSDB格式輸出［12］。在數(shù)?；旌戏抡嬷校鎯ζ鞑糠值姆抡婺Ｐ椭饕梢韵聨追N方法實(shí)現(xiàn)：

①利用存儲器的數(shù)字行為模型在數(shù)字域完成仿真，缺點(diǎn)是無法為模擬部分提供準(zhǔn)確、有效的負(fù)載；

②如果有存儲器的SPICE網(wǎng)表，則可以把仿真放到模擬部分，但缺點(diǎn)是需要初值的存儲器（如EEPROM）初始化工作比較復(fù)雜，并且較大的存儲器會導(dǎo)致整體仿真速度變得異常慢；

③采用存儲器的電流模型（PWL格式）進(jìn)行仿真，需要Foundry提供相應(yīng)的模型文件，其優(yōu)點(diǎn)是仿真擬真度較高，且仿真速度較快。

圖3 混合信號仿真環(huán)境示意圖

由于文中EEPROM存儲器為加密網(wǎng)表，而XAVCS混合信號仿真中不能對加密網(wǎng)表處理；同時(shí)考慮到存儲器對電源負(fù)載的影響較大，故采用于PWL模型的仿真方法，以驗(yàn)證系統(tǒng)帶載狀態(tài)下的性能。仿真結(jié)果如圖4所示，電源電壓輸出不正常，解調(diào)輸出錯(cuò)誤，VDD被拉到0 V以下，這與實(shí)際情況顯然不符，紋波幅度也超出了預(yù)期，說明PWL模型在混合信號仿真中直接使用存在一定的問題。

圖4 存儲器電源仿真結(jié)果

4 存儲器仿真模型的修正

通過上述仿真，可以看到由EEPROM的PWL模型與實(shí)際電路負(fù)載對電源的影響差別較大，經(jīng)分析，認(rèn)為電流模型作為負(fù)載其最大的問題就是電流的強(qiáng)制性，這種強(qiáng)制抽取的電流甚至可以將電源電壓拉到負(fù)值。所以采用VerilogA建立一個(gè)受電流源控制阻值的受控電阻的CCR（Current Control Resistor，CCR）模型，該模型可以避免電流源對電源電壓的強(qiáng)制拉低。CCR的VerilogA模型文件如下：

∥VerilogA for CCR

`include“constants.vams”

`include“disciplines.vams”

module CCR（in_p，in_n，out_p，out_n）；

electrical in_p，in_n，out_p，out_n；

real ro；

analog begin

ro＝1.8/I（in_n，in_p）；

V（in_p，in_n）＜＋0；

V（out_p，out_n）＜＋I(xiàn)（out_p，out_n）*ro；

end

同時(shí)，考慮到EEPROM的等效負(fù)載中應(yīng)存在等效電容因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值估算出該電容約100～200 p，所以將CCR并聯(lián)一個(gè)200 p的電容。驗(yàn)證該模型準(zhǔn)確性，可以通過比較加入CCR仿真結(jié)果（VDD1）與EEPROM Spice網(wǎng)表仿真結(jié)果（VDD2）來實(shí)現(xiàn)。圖5為兩者仿真結(jié)果的對比，可以看到除了源紋波較大，兩者仿真結(jié)果比較接近。

圖5 存儲器電流模型仿真結(jié)果

5 數(shù)?；旌戏抡娼Y(jié)果

利用修正后的存儲器仿真模型，重新完成了全芯片的數(shù)模混合信號仿真，結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，解調(diào)信號接收，以及數(shù)據(jù)返回功能正常，數(shù)字、模擬間各輸入輸出信號功能正常，電源電壓正常。通過這一仿真成功驗(yàn)證了該射頻標(biāo)簽芯片的接口功能及時(shí)序，同時(shí)也驗(yàn)證了修正的存儲器模型的正確性。

表1所示是本項(xiàng)目中用到的各種仿真方法運(yùn)行相同測試用例（TestBench）消耗時(shí)間的比較。

圖6 全芯片混合信號仿真仿真結(jié)果

表1 不同仿真方法耗時(shí)比較

從表1可以看出，采用基于數(shù)模混合信號仿真的方法，可以在獲得較為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果的同時(shí)，大幅節(jié)省驗(yàn)證時(shí)間，相較傳統(tǒng)的純模擬仿真方法節(jié)省時(shí)間在10倍以上。

6 結(jié)束語

在數(shù)?；旌闲盘栃酒脑O(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)的瓶頸就是復(fù)雜的全芯片功能驗(yàn)證以及數(shù)字和模擬間的接口節(jié)點(diǎn)分析?？紤]到這些問題，針對一款RFID芯片的仿真，提出了一種基于XA－VCS的混合信號驗(yàn)證方法，并對存儲器的仿真模型進(jìn)行了修正，以適應(yīng)混合信號仿真的需要。仿真結(jié)果表明，該方法在保證一定精度的基礎(chǔ)上，大大縮短了仿真時(shí)間，提高了驗(yàn)證的效率，使設(shè)計(jì)人員在早期仿真階段就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

［1］Klaus Finkenzeller著.射頻識別（RFID）技術(shù)［M］.陳大才，譯.廣州：電子工業(yè)出版社，2006.

［2］李輝.一種低頻RFID讀卡器的實(shí)用前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.無線電通信技術(shù)，2014，40（1）：65－67.

［3］戴彩艷，蔡堅(jiān)勇，陳銀燕，等.13.56MHz RFID讀寫器天線的設(shè)計(jì)與仿真［J］.無線電工程，2013，43（1）：42－45.

［4］梁春芳，張鐵英，郭泉，等.RFID定位系統(tǒng)中電子標(biāo)簽發(fā)射功率估算［J］.無線電通信技術(shù)，2013，39（3）：69－72.

［5］蔡堅(jiān)勇，林李金，鄭華，等.13.56MHz RFID閱讀器的多天線選通設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2014，44（4）：42－44.

［6］肖躍龍.混合信號系統(tǒng)級芯片仿真［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2003（2）：55－57.

［7］鄭赟.混合信號仿真技術(shù)［J］.中國集成電路，2004，11（66）：40－44.

［8］閆娜.低功耗低成本無源射頻識別標(biāo)簽芯片的研究與設(shè)計(jì)［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2007：25－31.

［9］李強(qiáng).超高頻射頻電子標(biāo)簽芯片中低功耗電路研究［D］.上海：復(fù)旦大學(xué)，2005：45－49.

［10］SNPS.Synopsys Mixed－Signal Simulation User Guide ［M］.USA：SNPS，2010.

［11］McNeal J，Martin D.Methodology for Co－simulation ofMixed－Signal IP［C］∥SNUG Proceedings，2007：155－159.

［12］Adward Luan，Sun Y.HSIM，XA and the Co－simulation with VCS Solution Usage in RF－Transceiver SoC［C］∥SNUG Proceedings，2009：221－226.

An Analog/digital M ixed Signal Simulation M ethod of RFID Chip

LIU Chang－long1，CHEN Yan2，CHENG Li－li1
（1.The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei050081，China；
2.College of Physics Science and Information Engineering，Hebei Normal University，Shijiazhuang Hebei050024，China）

This paper introduces amethod of analog/digitalmixed signal simulation technology of Synopsys XA and VCS in a RFID chip design.After analyzing basic structure and operating principle of the RFID chip，the simulation environment is setup by using XA，and a preliminary validation of the power supply partand basic logical functions is completed.On this basis，the research onmixed signal simulation has been carried out.Several methods for memory modeling in simulation are discussed.In view of larger difference of EEPROM currentmodel in simulation and in actualwork，amemory simulationmodel is designed based on current control resistor.The simulation results of modified memory model is close to that of SPICE，and the resuls show that the modified memory model can implement the full chip mixed signal simulation and interface timing verification，and its simulation speed is 10 times that of traditional method，saving a large amount of time for the chip verification.

RFID；mixed signal；circuit simulation；simulationmodel

TN925

A

1003－3114（2015）04－80－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.21

劉長龍，陳 燕，程理麗.一種射頻標(biāo)簽芯片的數(shù)模混合信號仿真方法［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（4）：80－83.

2015－03－05

國家部委基金資助項(xiàng)目

劉長龍（1985—），男，博士研究生，工程師，主要研究方向：數(shù)字及SoC芯片設(shè)計(jì)。陳燕（1983—），女，博士研究生，講師，主要研究方向：模擬集成電路及光通信技術(shù)。