一种射频标签芯片的数模混合信号仿真方法

刘长龙，陈 燕，程理丽

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081；2.河北师范大学物理科学与信息工程学院，河北石家庄050024）

一种射频标签芯片的数模混合信号仿真方法

刘长龙1，陈 燕2，程理丽1

（1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081；
2.河北师范大学物理科学与信息工程学院，河北石家庄050024）

针对射频标签芯片的设计，介绍了一种基于Synopsys XA及VCS的数模混合信号仿真方法。在分析射频标签芯片基本架构和工作原理的基础上，首先采用XA完成了仿真环境的建立，初步验证了芯片的电源系统和基本逻辑功能；在此基础上，开展了数模混合信号仿真技术的研究工作。探讨了在混合仿真中对存储器建模的几种方法，并针对EEPROM的电流模型在仿真中与实际工作状态不符的问题，设计了一种基于电流受控电阻的存储器仿真模型。仿真结果显示，修正后的存储器模型与Spice仿真结果较为接近，利用该模型成功实现了全芯片的数模混合信号功能仿真和接口时序验证，且仿真速度约为传统方法的10倍以上，从而为芯片验证工作节约了大量的时间。

射频标签；混合信号；电路仿真；仿真模型

0 引言

射频标签又称为射频识别（Radio Frequency Identification，RFID），是20世纪90年代出现的一种自动识别技术［1］。阅读器发射的无线射频信号可以被特定的射频标签识别，从而交换、存储数据信息［2］；与传统的识别技术不同，射频识别解决了免接触等问题，并可同步实现运动目标识别、多目标识别［3］，因此被广泛应用于物流系统、室内定位［4］、身份识别、交通管理和医药行业等许多领域［5］。

在引入数模混合仿真方案之前，RFID芯片通常是模拟及数字部分单独进行仿真验证［6］。由于没有进行芯片级系统仿真，无法验证接口的功能、时序以及数字、模拟电路之间的相互影响，可能会导致流片失败［7］。为了解决这一问题，采用了基于Synopsys公司的XA－VCS数模混合仿真解决方案，并对存储器模型进行了修正，实现了对RFID芯片的数模混合信号仿真验证，从而缩短了产品设计周期，有效降低了设计风险。

1 RFID工作原理

如图1所示，RFID芯片可以分为模拟前端（AFE）、数字基带处理单元（BPU）和电可擦除可编程存储器（EEPROM）存储器三部分。模拟前端电路与天线相连，主要功能是电源管理、射频信号的调制解调及数字接口信号生成。电源管理部分包括ESD保护电路、整流电路、高压泄放电路和基带稳压电路；调制解调电路完成ASK、FSK和BPSK等信号调制解调工作；数字接口信号生成主要包括时钟恢复电路、上电复位（Power on Reset）模块等等。数字基带单元是整个芯片的控制单元，其中包括基带协议处理、EEPROM接口、RF接口、加解密单元等。EEPROM存储器负责数据的读取与存储，可重复读写，由存储单元即BitCell阵列、数字控制电路、模拟电荷泵等模块组成［8］。

图1 RFID芯片的基本结构

在工作过程中，RFID通过天线接收阅读器发送的载波信号，并通过整流电路将其转换为直流信号，为整个芯片供电；同时解调模块解调出经调制的载波信号所携带的数据信息，并传递给片上的数字基带部分加以处理；基带部分与EEPROM存储器部分共同完成数据的读写和处理，再通过调制模块将上行信号返回给阅读器，从而完成一次通信。由此可见，RFID芯片的通信依赖于模拟电路、数字基带及存储器的协同配合，在功能上，数字与模拟电路接口需要准确配合；在性能上，模拟部分要为数字基带及存储器提供稳定的电源和正确的输入信号，反过来数字电路及存储器的功耗也会对模拟电路造成负载的变化及噪声干扰［9］。

2 XA仿真环境的建立

XA是Synopsys用于晶体管级电路瞬态仿真的仿真器，在保持了HSIM、NanoSim的快速、大容量性能的基础上能够得到SPICE的精度［10］。在芯片设计过程中，首先使用XA进行仿真，主要是有以下分析目标：

①上电复位电路是否能保证数字逻辑正确复位并进入工作状态；

②数字电路工作时，模拟稳压电路是否能够保证其稳定工作。

仿真环境的建立采用Spice－Top的方法，模拟前端加射频非接触激励源作为一个整体的模拟电路Spice网表，数字电路网表来自于APR工具输出的Verilog格式网表，利用V2S工具将该网表转换成Spice仿真工具可以识别的CDL网表［11］。根据对功耗情况的分析，在RFID芯片中功耗最大的负载为EEPROM存储器，因此在仿真中需要重点关注EEPROM工作状态下的功耗对模拟前端电源及解调性能的影响。图2是XA仿真结果，从图中可以看到，数字逻辑部分工作正常，可以完成协议处理及数据返回，说明上电复位电路以及稳压电路能够满足数字逻辑的工作需求。

图2 XA仿真结果

3 全芯片数模混合仿真环境的建立

数模混合信号仿真是数模混合集成电路功能验证的一种系统仿真方案。通过把快速SPICE仿真器与VCS数字仿真器集成到统一的混合信号仿真流程中，成功地克服了行为级验证对模型精确度的依赖性以及晶体管级验证耗时长且效率低等缺点，实现同时仿真数字和模拟单元，验证接口时序、功能，并在仿真的速度和仿真精度间可以进行灵活的折衷。

采用基于Verilog－Top的流程建立芯片的混合信号仿真环境，如图3所示，模拟电路加上Verilog Wrapper后，使用Verilog完成顶层描述和模块调用，仿真参数设置文件描述接口部分的电压转换阈值，配置文件主要完成仿真参数配置。在完成混合仿真后，仿真数据统一由FSDB格式输出［12］。在数模混合仿真中，存储器部分的仿真模型主要由以下几种方法实现：

①利用存储器的数字行为模型在数字域完成仿真，缺点是无法为模拟部分提供准确、有效的负载；

②如果有存储器的SPICE网表，则可以把仿真放到模拟部分，但缺点是需要初值的存储器（如EEPROM）初始化工作比较复杂，并且较大的存储器会导致整体仿真速度变得异常慢；

③采用存储器的电流模型（PWL格式）进行仿真，需要Foundry提供相应的模型文件，其优点是仿真拟真度较高，且仿真速度较快。

图3 混合信号仿真环境示意图

由于文中EEPROM存储器为加密网表，而XAVCS混合信号仿真中不能对加密网表处理；同时考虑到存储器对电源负载的影响较大，故采用于PWL模型的仿真方法，以验证系统带载状态下的性能。仿真结果如图4所示，电源电压输出不正常，解调输出错误，VDD被拉到0 V以下，这与实际情况显然不符，纹波幅度也超出了预期，说明PWL模型在混合信号仿真中直接使用存在一定的问题。

图4 存储器电源仿真结果

4 存储器仿真模型的修正

通过上述仿真，可以看到由EEPROM的PWL模型与实际电路负载对电源的影响差别较大，经分析，认为电流模型作为负载其最大的问题就是电流的强制性，这种强制抽取的电流甚至可以将电源电压拉到负值。所以采用VerilogA建立一个受电流源控制阻值的受控电阻的CCR（Current Control Resistor，CCR）模型，该模型可以避免电流源对电源电压的强制拉低。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（out_p，out_n）*ro；

end

同时，考虑到EEPROM的等效负载中应存在等效电容因素，根据经验值估算出该电容约100～200 p，所以将CCR并联一个200 p的电容。验证该模型准确性，可以通过比较加入CCR仿真结果（VDD1）与EEPROM Spice网表仿真结果（VDD2）来实现。图5为两者仿真结果的对比，可以看到除了源纹波较大，两者仿真结果比较接近。

图5 存储器电流模型仿真结果

5 数模混合仿真结果

利用修正后的存储器仿真模型，重新完成了全芯片的数模混合信号仿真，结果如图6所示。从仿真结果可以看出，解调信号接收，以及数据返回功能正常，数字、模拟间各输入输出信号功能正常，电源电压正常。通过这一仿真成功验证了该射频标签芯片的接口功能及时序，同时也验证了修正的存储器模型的正确性。

表1所示是本项目中用到的各种仿真方法运行相同测试用例（TestBench）消耗时间的比较。

图6 全芯片混合信号仿真仿真结果

表1 不同仿真方法耗时比较

从表1可以看出，采用基于数模混合信号仿真的方法，可以在获得较为准确的仿真结果的同时，大幅节省验证时间，相较传统的纯模拟仿真方法节省时间在10倍以上。

6 结束语

在数模混合信号芯片的设计过程中，设计的瓶颈就是复杂的全芯片功能验证以及数字和模拟间的接口节点分析。考虑到这些问题，针对一款RFID芯片的仿真，提出了一种基于XA－VCS的混合信号验证方法，并对存储器的仿真模型进行了修正，以适应混合信号仿真的需要。仿真结果表明，该方法在保证一定精度的基础上，大大缩短了仿真时间，提高了验证的效率，使设计人员在早期仿真阶段就能及时发现设计中存在的问题，从而改进设计的质量。

［1］Klaus Finkenzeller著.射频识别（RFID）技术［M］.陈大才，译.广州：电子工业出版社，2006.

［2］李辉.一种低频RFID读卡器的实用前端系统设计［J］.无线电通信技术，2014，40（1）：65－67.

［3］戴彩艳，蔡坚勇，陈银燕，等.13.56MHz RFID读写器天线的设计与仿真［J］.无线电工程，2013，43（1）：42－45.

［4］梁春芳，张铁英，郭泉，等.RFID定位系统中电子标签发射功率估算［J］.无线电通信技术，2013，39（3）：69－72.

［5］蔡坚勇，林李金，郑华，等.13.56MHz RFID阅读器的多天线选通设计［J］.无线电工程，2014，44（4）：42－44.

［6］肖跃龙.混合信号系统级芯片仿真［J］.半导体技术，2003（2）：55－57.

［7］郑赟.混合信号仿真技术［J］.中国集成电路，2004，11（66）：40－44.

［8］闫娜.低功耗低成本无源射频识别标签芯片的研究与设计［D］.上海：复旦大学，2007：25－31.

［9］李强.超高频射频电子标签芯片中低功耗电路研究［D］.上海：复旦大学，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

刘长龙，陈 燕，程理丽.一种射频标签芯片的数模混合信号仿真方法［J］.无线电通信技术，2015，41（4）：80－83.

2015－03－05

国家部委基金资助项目

刘长龙（1985—），男，博士研究生，工程师，主要研究方向：数字及SoC芯片设计。陈燕（1983—），女，博士研究生，讲师，主要研究方向：模拟集成电路及光通信技术。