Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ. СРЕДСТВА И ПРИЕМЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ РАБОТЫ В ПРОГРАММЕ АНАЛИЗА ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СИСТЕМ SYSTEMVIEW КОМПАНИИ «ELANIX»
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.2. ПРИМИТИВЫ SYSTEMVIEW
1.3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ БИБЛИОТЕКИ
1.4. МЕТАСИСТЕМЫ
1.5. ДИНАМИЧЕСКИЙ СИСТЕМНЫЙ ЗОНД
1.6. ОКНО АНАЛИЗА
1.7. СРЕДСТВО ОБРАБОТКИ ДАННЫХ МОДЕЛИРОВАНИЯ SINK CALCULATOR
1.8. ПРИНТЕРЫ И ПЕЧАТЬ
1.9. ИМПОРТ ДАННЫХ ПРИ ПОМОЩИ ПРИМИТИВА SOURCE
ГЛАВА 2. ФИЛЬТРЫ И ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ
2.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
2.2. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ СИНТЕЗА ЛИНЕЙНЫХ ЧАСТОТНЫХ ФИЛЬТРОВ
2.3. ВРЕМЕННЫЕ ЗАДЕРЖКИ В ЦЕПЯХ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ
2.4. ИЗМЕРЕНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
ГЛАВА 3. ЭЛЕМЕНТЫ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА В ПАКЕТЕ SYSTEMVIEW
3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
3.2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ФУРЬЕ
3.3. ВЛИЯНИЕ НА СПЕКТР НАШЕГО СИГНАЛА РАЗНЫХ ОКОН
ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
4.1. МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ РАДИОПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА
4.2. ПРИМЕР ОБОСНОВАНИЯ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВОГО ДЕМОДУЛЯТОРА
4.3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО СИГНАЛА И ЕГО ПРОХОЖДЕННИЯ ЧЕРЕЗ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
4.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМЫ КОСТАСА
4.5. МОДЕЛЬ КОЛЬЦА ФАПЧ
4.6. МОДЕЛИ СИНТЕЗАТОРОВ ЧАСТОТ
4.7. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ
4.7. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ЛАМПЫ «БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ»
4.8. МОДЕЛИРОВАНИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ И СИСТЕМ
4.9. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОХОЖДЕНИЯ СИГНАЛА ПО КАНАЛУ СВЯЗИ
4.10. ИНТЕГРАЦИЯ С ПАКЕТОМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЛИС ФИРМЫ «XILINX»

Предисловие

Идея написания этой книги появилась после приобретения МГТУ им. Н. Э. Баумана лицензионной версии пакета SystemView. Начав работу в пакете и выполнив с его помощью ряд проработок, авторы пришли к выводу, что «делиться надо». Результат перед вами. Оценивайте.
Появление этой книги было бы невозможно без участия нескольких замечательных людей, которым авторы выражают самую искреннюю благодарность.
Авторы благодарят Юрия Потапова («Электронтрейд-М») и профессора Владимирского государственного университета Владимира Николаевича Ланцова за любезно предоставленные материалы, использованные в книге.
Авторы признательны доценту кафедры СМ5 «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н. Э. Баумана Григорию Львовичу Павлову, научному сотруднику НИИ СМ МГТУ им. Н. Э. Баумана Константину Павловичу Лихоеденко, аспиранту кафедры СМ5 «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н. Э. Баумана Алексею Валериевичу Бумагину за ряд полезных дискуссий по применению САПР в моделировании трактов радиосистем.
Немалую роль в обкатке материала книги сыграло общение с представителями промышленности. Авторы благодарят Н. В. Кару¬тина, В. В. Тюбалина, А. А. Загуменных, А. М. Букреева, А. В. Разина, С. В. Субботина, И. Е. Сидоренко, А. Г. Воличенко, С. В. Вольского, С. В. Полиш¬карова, О. А. Челнокова, А. В. Шувалова и многих других специалистов, общение с которыми способствовало пониманию проблем, стоящих перед разработчиками аппаратуры.
Огромную помощь в отработке примеров внесли студенты 3–6-го курсов МГТУ им. Н. Э. Баумана, которым авторы выражают самую искреннюю благодарность.
В журнале «Chip News (Новости о микросхемах)» был опубликован цикл статей «Анализ сигналов и систем. Пакет SystemView компании Elanix», ставший основой книги. Авторы признательны главному редактору журнала А. Г. Биленко и научному редактору А. А. Осипову.

Введение.
Средства и приемы функционального моделирования радиоэлектронных систем

1. В задаче из N уравнений всегда будет N+1 неизвестная.
2. Самый необходимый предмет или самая необходимая информация будут наименее доступны.
3. Как только вы испробуете все возможные способы решения и не найдете подходящего, тут же найдется решение, простое и очевидное для всех других людей.
Уравнения Снэйфу
С задачей определения основных параметров системы приходится сталкиваться любому разработчику. Грамотно проведенное моделирование и последующая оптимизация параметров на этапе функционального проектирования позволят сэкономить значительные силы и средства на этапах схемотехнического проектирования и конструирования устройства. В книге дается краткий обзор и примеры использования современных программных средств, таких, как SystemView, для решения задач системотехнического проектирования и моделирования устройств.
Как известно, под радиоэлектронным средством (РЭС) понимается изделие, в основу функционирования которого положены принципы радиотехники и электроники. Проведем классификацию РЭС по степени их функциональной сложности:
• радиоэлектронные системы – совокупность функционально взаимодействующих автономных радиоэлектронных комплексов и устройств, образующих целостное единство, обладающее свойством перестроения структуры;
• комплексы – совокупность функционально связанных радиоэлектронных устройств, обладающая свойством перестроения структуры в целях сохранения работоспособности;
• устройство – функционально законченная сборочная единица, выполненная на несущей конструкции и реализующая функции передачи, приема, преобразования информации;
• функциональный узел – функционально законченная сборочная единица, выполненная на несущей конструкции, реализующая функцию преобразования сигнала и не имеющая самостоятельного эксплуатационного применения.
Данная классификация позволяет понять, средства какого уровня необходимы для адекватного описания каждого из элементов системы в отдельности и всего комплекса в целом. Известно, что радиоэлектронное средство представляет собой сложный объект, включающий большое число составных частей с многообразными связями между ними. Для правильного понимания принципов функционирования РЭС, его грамотной разработки и эксплуатации описание таких объектов в процессе их создания и использования должно быть согласовано с возможностями их восприятия и применения инженером-разработчиком, конструктором, пользователем. С этой точки зрения можно выделить следующие типы описания РЭС и соответствующие средства САПР:
• функциональные – отображают основные принципы работы и протекающие в РЭС физические и информационные процессы;
• конструкторские – отображают физическую реализацию РЭС, геометрические формы, расположение в пространстве, используемые материалы и компоненты;
• технологические – относятся к методам и средствам изготовления РЭС.
Для упрощения восприятия описаний, а также их систематизации они разделяются на иерархические уровни. Каждый уровень описания отличается степенью детализации. На всех уровнях описания необходимо представить РЭС в виде совокупности связанных блоков, которые являются замкнутыми составными частями. Каждый блок такого иерархического уровня представляет собой описание следующего, более низкого иерархического уровня, который, в свою очередь, представляется в виде совокупности блоков. По функциональному описанию РЭС уровни включают систему, комплекс, устройство и функциональный узел.
При проектировании широко используются промежуточные описания РЭС и его составных частей. Важнейшее место среди них занимают модели различных классов. Например, представления о свойствах РЭС могут быть получены с помощью натурной модели (макета, стенда и т. д.), представляющей собой некий «образ» РЭС. Свойства РЭС на таких моделях изучаются путем эксперимента. Однако такой путь исследования не всегда применим из-за высоких материальных и временных затрат. Поскольку современный процесс проектирования немыслим без широкого использования ЭВМ и соответствующего программного обеспечения, доминирующую роль среди промежуточных описаний играют математические модели. Дадим ее определение: математическая модель РЭС – это совокупность математических объектов (чисел, переменных и т. п.), отражающая свойства радиоэлектронного средства и отношения между этими объектами.
Рассмотрим процесс проектирования РЭС с позиций системотехники. Этапы проектирования состоят из отдельных проектных процедур, каждая из которых заканчивается частным проектным решением. Типичными для проектирования РЭС процедурами являются анализ и синтез описаний различных уровней.
При грамотном проектировании процесс начинается с синтеза алгоритма функционирования системы. В процессе синтеза мы имеем несколько совокупностей исходных данных, условий и ограничений. Процедура синтеза заключается в создании проектного решения по заданным требованиям, свойствам и ограничениям. Примером может служить синтез электронных схем по заданным характеристикам в частотной области или по отклику во временной области, синтез фильтров, оптимальных по какому-либо критерию (например, Винера или Калмана), синтез алгоритмов обнаружения и распознавания. В процессе синтеза создается структура схемы. Что касается часто употребляемого термина «параметрический синтез», то это фикция: есть синтез структуры, есть оптимизация параметров – процедуры принципиально различные. Одна (синтез) основана на построении структуры на базе исходных требований, другая (оптимизация) – на определении параметров элементов заданной схемы с использованием методов анализа. Процедура анализа состоит в определении свойств заданного описания, например расчета частотных или переходных характеристик схем, определения реакции схемы на заданное воздействие и т. д. Анализ позволяет оценить степень соответствия проектного решения заданным требованиям.
Типичной проектной процедурой является оптимизация, которая приводит к оптимальному (по заранее определенному критерию) проектному решению. Например, широко используется оптимизация параметров электронных схем с целью наилучшего приближения частотных характеристик к заданным. Процедура оптимизации заключается в многократном анализе при целевом изменении параметров схемы до получения удовлетворительного приближения к заданным характеристикам.
В процессе проектирования необходимо не просто создать аппаратуру, которая будет обеспечивать заданное функционирование, но и оптимизировать ее по широкому спектру функциональных, конструкторско-технологических, эксплуатационных и экономических показателей. На отдельных этапах для частных задач оптимизацию можно осуществить на основе разработанных формальных математических методов. Однако применительно к комплексным РЭС задача оптимизации не всегда поддается формализации. В этом случае рассматриваются несколько вариантов решения поставленной задачи, подсказанных, как правило, предшествующим опытом, интуицией, и выбирается лучший из них. Такой подход называется эвристическим многовариантным анализом или дискретным выбором варианта построения системы. Однако в связи со все возрастающей сложностью РЭС и с повышением требований к нему необходимые расчеты оказываются все более трудоемкими, а количество вариантов, целесообразных для рассмотрения, катастрофически возрастает, кроме того, эта процедура практически неформализуема (диссертация Б. А. Березовского не в счет). Такая ситуация получила название «тирания альтернатив».
Часто на этапе проектирования трудно предвидеть некоторые требования, определяемые особенностями эксплуатации изделия. В результате этого создание нового РЭС затягивалось раньше на долгие годы. Представляемые к испытаниям опытные образцы часто оказывались не удовлетворяю¬щими заданным требованиям, а доводка аппаратуры происхо¬дила в процессе испытаний, что делало такое проектирование дороже во много раз.
Подобное положение не было виной разработчиков. Это было результатом возникшего принципиального несоответствия традиционного подхода к проектированию и сложности современных РЭС.
Такое противоречие и вызвало интенсивное развитие новой технологии проектирования РЭС, базирующейся на системном подходе и совершенствовании процессов проектирования с применением математических ме¬тодов и средств вычислительной техники. Замена макетирования и натурного моделирования математическим моделированием с использованием эффективных методов многовариантного проектирования и оптимизации повысила качество управления проектированием. В настоящее время тенденции к автоматизации всего процесса проектирования РЭС привели к появлению систем автоматического проектирования (САПР), решающих задачи функционального моделирования, моделирования работы отдельных схем и т. д. Эти САПР позволяют моделировать работу аппаратуры и обладают средствами анализа процессов, происходящих в модели. К числу таких САПР, например, относится система SystemView фирмы «Elanix», MatLab – «Simulink», LabView и др.
Трансформация макетирования и натурного моделирования в математическое моделирование с возможностью представления объекта его экспериментальными характеристиками привело к появлению на рабочих местах проектировщиков специализированных САПР виртуальных инструментов. Эти САПР обладают средствами для создания виртуальных устройств различного назначения: осциллографов, анализаторов спектра, а также средствами обработки данных, полученных как в режиме реального времени от физического объекта, так и в виде файлов данных. LabView является именно такой САПР.
Виртуальный инструмент можно использовать при анализе и верификации модели созданной САПР функционального проектирования. Поэтому комбинирование САПР функционального моделирования и САПР виртуальных инструментов позволяет не только создать модель, но и детально исследовать ее поведение.