автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Теория и методы автоматизированного функционально-схемотехнического проектирования нелинейных радиотехнических устройств

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ЖИГАЛОВ Илья Евгеньевич

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ФУНКЦИОНАЛЬНО - СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.13.12 - Системы автоматизации

проектирования

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1997

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................ 7

Раздел I. АНАЛИЗ ОБЩИХ ПОДХОДОВ К АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НРТУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ... 16

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПРОБЛЕМЫ САПР НРТУ.................................. 16

1.1. Анализ методов моделирования НРТУ на функциональном

и схемном уровнях......................................................................................... 17

1.2. Анализ функциональных и схемных моделей и программных

средств моделирования радиоустройств...................................................... 29

1.3. Анализ состояния и проблемы многоуровневого моделирования радиотехнических устройств..........................................................................42

1.4. Выводы............................................................................................................. 55

2. ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ АФСП НРТУ, РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ АФСП НРТУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...................... 57

2.1. Требования к проектированию НРТУ........................................................... 57

2.2. Разработка технологии АФСП НРТУ............................................................60

2.3. Постановка задачи исследований...................................................................73

2.4. Выводы..............................................................................................................74

Раздел II. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФОРМАЛИЗАЦИИ АВТОМАТИЗИ РОВАННОГО ФУНКЦИОНАЛЬНО-СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ НРТУ.....................................................................76

3. ПОСТРОЕНИЕ МЕТОДОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ФУНКЦИОНАЛЬНО - СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НРТУ.............. 76

3.1. Классификация и построение методов функционально-схемотехнического моделирования НРТУ................................................... 77

3.2. Построение методов АФСП НРТУ на основе функционального

и схемотехнического подходов..................................................................... 89

3.3. Построение методов смешанного двухуровневого функционально-схемотехнического моделирования НРТУ на основе обобщенной нелинейной модели........................................................................................101

3.4. Построение методов смешанного двухуровневого функционально-схемотехнического моделирования НРТУ на основе модели функциональной подсхемы............................................... .............................10?

3.5. Выводы.............................................................................................................116

4. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ

И УЗЛОВ НРТУ ДЛЯ АФСП............................................................................... 118

4.1. Иерархическая классификация моделей для функционально-схемотехнического проектирования НРТУ................................................. 118

4.2. Методы построения моделей нелинейных ФБ для функционально-схемотехнического проектирования.............................................................124

4.3. Построение информационно-физических макромоделей ФБ НРТУ........130

4.4. Построение моделей активных схемных элементов НРТУ........................134

4.5. Применение обобщенных спектральных моделей НРТУ...........................139

4.6. Выводы.............................................................................................................147

Раздел III. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АЛГОРИТМИЗАЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ФУНКЦИОНАЛЬНО-СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НРТУ....................................................................149

5. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ГИБРИДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НРТУ

НА ОСНОВЕ ОБОБЩЕННОЙ НЕЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ..............................149

5.1. Решение уравнения гибридной модели на основе OHM.............................150

5.2. Построение моделей ФБ в виде функционального ряда при восходящем проектировании НРТУ....................................................................................159

5.3. Построение моделей ФБ в виде функционального ряда при нисходящем

проектировании НРТУ....................................................................................16?

5.4. Выводы.............................................................................................................182

6. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ГИБРИДНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ НРТУ

НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ПОДСХЕМЫ......................183

6.1. Анализ формализованной гибридной модели для одновходовых ФБ......183

6.2. Анализ формализованной гибридной модели для многовходовых ФБ.... 199

6.3. Анализ формализованной гибридной модели для параметрических ФБ. 206

6.4. Использование формализованной гибридной модели для структурной оптимизации НРТУ.............................................................. ...........................SX s

6.5. Выводы.............................................................................................................218

Раздел IV. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ

АФСПНРТУ............................................................................................220

7. РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НРТУ

В СРЕДЕ АФСП....................................................................................................220

7.1. Адаптивные алгоритмы проектирования НРТУ..........................................221

7.2. Интеллектуальные алгоритмы для САПР НРТУ.........................................236

7.3. Расчет основных характеристик НРТУ на основе анализа математических моделей................................................................................239

7.4. Объектно-ориентированная и параллельная реализация алгоритмов моделирования.................................................................................................245

7.5. Выводы.............................................................................................................253

8. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОГРАММНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ АФСП НРТУ............................................................................255

8.1. Разработка общей структуры ПО САПР НРТУ...........................................256

8.2. Организация подсистем функционального, гибридного и схемотехнического проектирования.............................................................264

8.3. Разработка информационного и лингвистического обеспечения

САПР НРТУ......................................................................................................2,77

8.4. Графическая диалоговая среда САПР НРТУ...............................................284

8.5. Выводы.............................................................................................................285

9. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ, АЛГОРИТМОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ САПР НРТУ.........286

9.1. Методология проектирования НРТУ в среде АФСП..................................286

9.2. Оценка эффективности разработанных методов и алгоритмов.................291

9.3. Применение САПР НРТУ для проектирования радиоустройств...............310

9.4. Выводы..............................................................................................................343

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................344

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................349

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................................................370

ОБОЗНАЧЕНИЯ

ATM - автоматизированное гибридное моделирование

AJIM - ассоциированная линейная модель

АП - автоматизация проектирования

АСхП - автоматизированное схемотехническое проектирование

АФП - автоматизированное функциональное проектирование

ГБ - гармонический баланс

ГМ - гибридная модель

ИИС - источник испытательных сигналов

ИНТ - источник нелинейного тока

ИНУН - источник напряжения управляемый напряжением

ИТУН - источник тока управляемый напряжением

ЛФБ - линейный функциональный блок

ЛМУ - линейное матричное уравнение

ЛЭ - линейный элемент

ММ - математическая модель

НК - нелинейные критерии

НРТУ - нелинейное радиотехническое устройство

НПУ - нелинейно-параметрическое устройство

НПФ - нелинейная передаточная функция

НФБ - нелинейный функциональный блок

НЭ - нелинейный элемент

ОДУ - обыкновенное дифференциальное уравнение

OHM - обобщенная нелинейная модель

ОНФБ - обобщенный нелинейный функциональный блок

ОНЭ - обобщенный нелинейный элемент

ПО - программное обеспечение

ПЭС - принципиальная электрическая схема

СЛАУ - система линейных алгебраических уравнений

СНАУ - система нелинейных алгебраических уравнений

ФБ - функциональный блок

ФпС - функциональная подсхема

ФР - функциональный ряд

ФРВ - функциональный ряд Вольтерра

ФС - функциональная схема

ЭпС - электрическая подсхема

ВВЕДЕНИЕ

Устройства, разрабатываемые и изготовляемые электронной промышленностью, относятся к наиболее сложным современным техническим объектам и актуальность задачи повышения эффективности систем автоматизации проектирования (САПР), являющихся неотъемлемой частью их производства, постоянно возрастает. Особенно острой проблема развития САПР остается для нелинейных радиотехнических устройств (НРТУ), общей тенденцией развития которых является их усложнение, расширение объема выполняемых ими функций, расширение диапазонов частот и амплитуд сигналов и помех. Ужесточение требований к параметрам и характеристикам НРТУ, повышение насыщенности их функциональных свойств и информационных процессов, приводит к применению все более сложных схемных решений, новых принципов построения схем, постоянному обновлению типов нелинейных приборов, широкому использованию диапазона сверхвысоких частот (СВЧ), что еще более усложняет процесс проектирования и приводит к необходимости развития и совершенствования САПР НРТУ.

Сложность реализации автоматизированного проектирования нелинейных радиоустройств и систем обусловлена их особенностями: отсутствуют универсальные методы моделирования НРТУ ввиду сложности и неоднозначности протекающих в них физических процессов и соответственно сложности математической задачи анализа, не имеющей аналитического решения в общем виде и не решаемой каким-либо одним численным методом, многозначности решения уравнений модели. Все это затрудняет процесс проектирования НРТУ и вызывает потребность в разработке новых эффективных методов анализа, моделей и программного обеспечения САПР НРТУ.

Современные системы автоматизированного проектирования (АП) строятся на основе многоуровневых иерархических структур, поддерживающих стратегию нисходящего проектирования. При разработке электронных устройств

традиционно выделяют системный, структурный, функциональный и схемный уровни описания объекта и радиотехнические тракты поэтапно проектируются в этой последовательности. Для полной и эффективной реализации нисходящей стратегии в процессе АП НРТУ при переходе от функционального к наиболее сложному схемному представлению разработчик должен иметь возможность исследовать промежуточные модели системы, частично представленные на схемном уровне, а частично на функциональном (гибридная модель). Процесс анализа полученного объекта называется гибридным моделированием. Возникает также необходимость использования элементов восходящего проектирования, когда разработанный на нижнем уровне этого процесса фрагмент принципиальной схемы преобразуется в функциональный блок, отражающий его уточненную реакцию на уровне внешних воздействий, и используется при анализе другой конфигурации той же гибридной модели для отладки следующего фрагмента принципиальной схемы. Система проектирования, обеспечивающая такие возможности (которые не поддерживаются существующими средствами АП НРТУ), должна быть построена с использованием новых принципов организации математического и программного обеспечения (МО и ПО) САПР.

Существующие в настоящее время средства автоматизированного проектирования НРТУ (под НРТУ будем понимать как простые функционально законченные узлы - усилители, фильтры, смесители и др., так и тракты, включающие такие узлы в качестве компонентов, вплоть до сложных радиосистем) не удовлетворяют полностью потребностям разработчиков систем различного назначения (связь, радиолокация и др.). На функциональном уровне существующие методы, модели и разработанное ПО при решении основной задачи автоматизированного функционального проектирования (АФП) выборе наилучшей структуры проектируемого НРТУ из множества возможных вариантов и оценке общих показателей его качества - не позволяют достичь требуемой точности оценки конечного варианта функциональной схемы устройства. Причина этого

состоит в том, что математический аппарат АФП работает с внешними реакциями функционального блока (ФБ), не учитывающими всю сложность и многообразие нелинейных явлений в них. В основе работы многих функциональных блоков тракта, имеющих важное, ключевое значение, лежат нелинейные эффекты, упрощенное описание которых зачастую приводит к качественно неверным результатам моделирования всего тракта в целом. Основное допущение методов АФП отсутствие взаимного влияния между функциональными узлами при однонаправленной передаче информации также снижает точность и универсальность такого анализа.

На схемном уровне существующее ПО не позволяет решать задачи достаточно большой размерности. Моделирование современных сложных трактов систем передачи информации, особенно с расчетом нелинейных эффектов в установившихся режимах и включающих СВЧ-устройства, на схемном уровне целиком становится невыполнимой задачей даже для современных производительных ЭВМ из-за ограниченности доступных вычислительных ресурсов.

Существующие методики проектирования НРТУ отличаются раздельным и независимым расчетом функциональной и электрической схем, что увеличивает общую трудоемкость и сроки разработки новой промышленной аппаратуры и является препятствием к построению сквозных автоматизированных процессов проектирования данного класса устройств.

Пути преодоления перечисленных проблем лежат как в области разработки и совершенствования самих методов моделирования и их адаптации к решаемой задаче, так и в области создания новых методологий процесса проектирования, связанных с многоуровневой технологией и управлением соотношения между вычислительной эффективностью этого процесса и точностью получаемого результата. Специфика задач проектирования и методов анализа, отражающаяся и на организации программного обеспечения, выделяют эту проблему в крупную научно-техническую задачу, требующую своего решения.

Рассматривая автоматизированное функционально-схемотехническое проектирование (АФСП) как единый комплексный уровень проектирования НРТУ, выделим ряд особенностей теории АФСП, определяющих специфику составляющего ее математического аппарата: 1. В отличие от традиционной теории проектирования НРТУ она должна быть универсальной по отношению к уровням проектирования НРТУ, то есть составляющие ее методы должны быть пригодны для функционального и электрического уровней моделирования, а также поддерживать гибридные состояния. 2. Для поддержки процесса двухуровневого моделирования должны быть построены и использованы иерархические последовательности взаимно совместимых математических моделей функциональных и схемных компонентов и узлов НРТУ. 3. Использование в едином вычислительном процессе как разноуровневого математического аппарата моделирования НРТУ с применением методики раздельного расчета компонентов на разных уровнях с объединением результатов (раздельное двухуровневое моделирование), так и специальных совместных методов (смешанное двухуровневое моделирование). 4. Сочетание нисходящей общей стратегии проектирования при постепенном переходе от функционального уровня к схемному с последовательным уточнением моделей, варьируемых параметров, независимых сигналов и критериальных требований с восходящей стратегией на этапе итерационного гибридного моделирования с автоматизированным пересчетом параметров моделей от нижнего уровня к верхнему. 5. Использование как декомпозиции процесса проектирования по уровням, так и блочной декомпозиции математической модели самого устройства по функциональным блокам с учетом их взаимодействия.

Цель работы заключается в разработке и реализации теории автоматизированного функционально-схемотехнического проектирования нелинейных радиотехнических устройств; разработке, исследовании, теоретическом обобщении, развитии математического и программного обеспечения САПР НРТУ для

повышения качества и эффективности автоматизированного проектирования нелинейных устройств.

Особенностью разработанной теории является построение ее по уровням, соответствующим трем основным частям теории автоматизации проектирования [6] - формализации (составлении математической модели НРТУ в целом и общих подходов к моделированию), алгоритмизации (разработке новых методов и алгоритмов расчета математических моделей НРТУ и исследованию методики применения известных методов и алгоритмов, учитывающей особенности математической модели НРТУ) и реализации (способам построения и реализации программного, лингвистического, информационного и методического обеспечения САПР НРТУ, решающих задачи АФСП в едином вычислительном процессе).

Новые научные результаты, полученные в работе, состоят в следующем:

I. В части формализации:

1. Разработана обобщенная технология двухуровневого автоматизированного функционально-схемотехнического проектирования НРТУ. Предложена иерархическая классификация методов функци�