МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ
РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»
КАФЕДРА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
Н.И.ШАТИЛО
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОЕКТИРОВАНИИ РЭС
Учебно – методическое пособие
для студентов специальности 1-45 01 03 «Сети телекоммуникаций»
Минск 2011
УДК 681.3: 621.396.6
Шатило Н.И. Компьютерное моделирование устройств телекоммуникаций : Учебно – методическое пособие для студентов специальности 1-45 01 03 «Сети телекоммуникаций». Ч.1 –Мн. :ВГКС, -64 с.
В первой части пособия рассматриваются общие вопросы компьютерного моделирования и проектирования устройств телекоммуникаций , приводятся основные сведения по математическому , информационному , лигвистическому , программному и техническому обеспечению систем компьютерного проектирования .
Предназначено для самостоятельного изучения студентами, в первую заочного обучения, теоретической части курса «Компьютерное моделирование устройств телекоммуникаций»
Ил. 29, список лит. –7 назв.
Шатило Н.И. , 2011
ВВЕДЕНИЕ
Автоматизация проектирования является важной составляющей современного научно-технического прогресса и призвана разрешить противоречие между ростом сложности технических систем и необходимостью их проектирования в сжатые сроки при ограниченных людских ресурсах. Это противоречие наиболее остро проявляется при проектировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), включая ее элементную базу в виде больших и сверхбольших интегральных схем, что обусловило создание и быстрое развитие систем автоматизированного ( компьютерного) проектирования (СКП).
Автоматизация проектирования характеризуется систематическим применением компьютеров для выполнения проектных операций и процедур при рациональном использовании творческих способностей человека и вычислительных возможностей машин. Автоматизация проектирования проявляется в нескольких аспектах.
Первый аспект связан с автоматизацией проектирования работ, не требующих творческого подхода для своего выполнения, но связанных с необходимостью обработки большого объема информации, например, оформлением конструкторской документации. Применение автоматизации в этих случаях позволяет не только сократить сроки работ, но и исключить ошибки, неизбежные при ручном проектировании.
Второй аспект автоматизации проектирования выражается в том, что вместо дорогостоящей и длительной экспериментальной отработки проектируемого объекта на макетах стали применять численные эксперименты – исследование математической модели объекта на ЭВМ.
Третий аспект автоматизации проектирования связан с решением задач, не поддающихся полной формализации, например, задач по выбору структуры и принципов организации проектируемых систем. Эти процедуры выполняются наиболее высококвалифицированными специалистами при вспомогательной роли компьютера. В его памяти хранятся сведения о предшествующих разработках в данной области, различные справочные и нормативные материалы и т.п. Эти сведения, получаемые разработчиком от ЭВМ в диалоговом режиме, способствуют принятию правильных решений в короткие сроки.
В последнее время появились проекты, переводящие компьютеры из вспомогательных средств в равноправные или даже ведущие при решении творческих задач. Это так называемые экспертные системы, в которых заложены знания высококвалифицированных специалистов и которые позволяют существенно повысить качество разработок даже при сравнительно невысокой квалификации проектировщиков.
Общие сведения об объектах и задачах проектирования
1.1 Классификация параметров
Различают четыре группы параметров, характеризующие объект проектирования и воздействующие на него сигналы:
выходные параметры, которые характеризуют качество объекта и позволяют сравнивать объекты между собой (например: весогабаритные характеристики, погрешность измерений, выходная мощность и т.п.);
внутренние параметры, характеризующие параметры элементов, из которых состоит объект (например: номинальные значения элементов и их разброс, температурные зависимости, допустимая мощность рассеяния и т.п.);
входные параметры - параметры воздействующих на устройство информационных сигналов (например: амплитуда и частота входного гармонического сигнала, спектральная характеристика входного сигнала и т.п.);
внешние параметры - параметры внешней среды, воздействующие на объект и его выходные параметры, но не носящие информационного характера (например: при изменении температуры окружающей среды настройка радиоприемника меняется и изменяются его выходные параметры. Здесь параметры электромагнитного поля являются входным параметром, а температура - внешним. Для электронного термометра, наоборот, температура является входным параметром, а параметры окружающего электромагнитного поля - внешним параметром).
1.2 Основные процедуры проектирования
Проектирование включает решение задач расчета, анализа, оптимизации и синтеза. Эти задачи называются проектными процедурами и имеют следующее содержание.
Расчет - определение выходных параметров объекта при неизменных входных, внешних и внутренних параметрах. Результатом расчета является значение параметров.
Анализ - определение изменения выходных параметров объекта в зависимости от изменения внешних, входных или внутренних параметров. Результатом анализа является характеристика. Анализ состоит из нескольких расчетов. Например, зависимость значения выходного сигнала усилителя от уровня входного сигнала - амплитудная характеристика или зависимость коэффициента передачи усилителя от частоты входного сигнала - амплитудно-частотная характеристика. При использовании ЭВМ задача расчета часто называется одновариантным анализом, а задача анализа - многовариантным анализом.
Оптимизация - получение наилучших в том или ином смысле выходных параметров и характеристик путем целенаправленного изменения внутренних параметров объекта (параметрическая оптимизация) или структуры объекта (структурная оптимизация). Внутренние параметры, за счет изменения которых выполняется параметрическая оптимизация, называются варьируемыми. В качестве варьируемых следует выбирать управляемые внутренние параметры, значение которых легко изменять и контролировать в процессе производства. Необходимым условием проведения оптимизации является выработка критерия оптимальности, т.е. меры количественной и качественной оценки выходных параметров объекта.
Синтез - генерация внутреннего описания объекта, включая его структуру (структурный синтез) и значения внутренних параметров (параметрический синтез). При схемотехническом проектировании результатом синтеза является принципиальная схема и перечень элементов. При конструкторском проектировании - сборочный чертеж и спецификация. Синтез может выполняться различными способами - выбором из известных устройств, построением на основе теоретических соотношений, путем изобретательства и др. Полученное в результате синтеза устройство не обязательно должно быть наилучшим, но обязательно работоспособным. Если полученное устройство - наилучшее в каком-либо смысле, то такой синтез называется оптимальным. Однако процедуры оптимального синтеза разработаны лишь для узкого класса устройств, преимущественно линейного типа, например, линейных схем с заданной структурой или линейных схем автоматического управления. В большинстве случаев устройство, полученное в результате синтеза, даже оптимального, требует доработки, чтобы удовлетворить многочисленным требованиям, учесть которые на стадии синтеза невозможно из-за их многообразия и сложности.
Вследствие этого процесс проектирования практически всегда включает наряду с синтезом решение перечисленных выше задач, как показано на рисунке 1.1, где представлена типовая структура этапа проектирования.
Начальный вариант проектируемого устройства обычно синтезируется на основе анализа известных технических решений устройств аналогичного назначения и опыта разработчика. Затем строится математическая модель устройства и производится расчет параметров этой модели. На следующей стадии осуществляется расчет и анализ выходных параметров и характеристик устройства. По результатам сравнения полученных значений выходных параметров с требованиями технического задания на разработку принимается решение либо о документировании результатов проектирования в случае их соответствия, либо о необходимости доработки устройства в противном случае. При последнем варианте стремятся достичь намеченной цели проектирования вначале посредством параметрической оптимизации (по цепочке блоков 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2). Если возможности вариации внутренних параметров исчерпаны, то к той же цели пытаются прийти путем проведения цикла структурной оптимизации (цепочка 2 - 3 - 5 - 7 - 8 - 2), вводя, например, дополнительные цепи обратной связи. Затем снова проводят цикл параметрической оптимизации. В качестве критерия оптимальности здесь используются требования технического задания.
В случае невозможности достижения требуемых выходных параметров в результате структурной и параметрической оптимизаций переходят к новому варианту устройства, возможно даже на новой элементной базе.