задать вопрос консультанту online
Логотип компании ЭЛТЕХ

Комплекс моделирования сигналов и систем

10.08.2017

Материал  опубликован в журнале Компоненты и технологии № 5 2017 года.

Статья написана авторским коллективом:  Наталья Беленкевич, Владимир Василевский, Валерий Ильинков, к. т. н., Кирилл Коваль kirill.koval@eltech.spb.ru, Виктор Цветков, д. т. н.

Введение
К настоящему времени в области систем радиоэлектроники и телекоммуникаций (СРТ) явственно обозначились следующие научно-технические проблемы.

Проблема 1
Проектирование, разработка, производство и эксплуатация СРТ требуют большого количества источников электрических колебаний разных типов, форм, диапазонов частот (времен) и уровней, что дополнительно усугубляется моральным и физическим старением существующего парка генераторов.

Проблема 2
Стремительное развитие СРТ актуализирует проблему измерения и контроля параметров. С учетом разрастающейся номенклатуры СРТ в мире все бóльшее внимание уделяют разработке измерительных комплексов с расширенными функциональными возможностями (в пределе универсальных), которые обеспечивают формирование произвольных измерительных сигналов, измерение параметров качества различных устройств (систем) и пригодны для целей функциональной диагностики.

Проблема 3
Подготовка специалистов в области СРТ требует больших финансовых и интеллектуальных затрат, дополнительно усложняется моральным и физическим старением существующей материально-технической базы. Ослабить негативные проявления этого процесса пытаются все бóльшим применением методов математического моделирования, что, однако, сопровождается ухудшением практических навыков молодых специалистов, которые хуже адаптируются к задачам разработки, производства и эксплуатации современной
аппаратуры. Поэтому для совмещения хорошей теоретической и практической подготовки, кроме математического моделирования, на всем протяжении учебного процесса необходимо широко использовать физическое моделирование. Последнее означает, что студенты радиоэлектронных и телекоммуникационных специальностей должны постоянно работать с электрическими сигналами разных типов, форм и диапазонов частот; свободно владеть методами и средствами измерения их параметров в частотной и временной областях на входе
и выходе реальных функциональных звеньев [1].

Решение проблем
Оптимальным решением отмеченных проблем является применение недорогих программно-аппаратных комплексов (ПАК) математического и физического моделирования сигналов и систем. Эти ПАК должны обеспечивать:

• математическое моделирование сигналов, звеньев и систем в частотной и временной областях и на комплексной плоскости;
• генерирование сигналов и реакций произвольной формы в широком диапазоне частот, времен и уровней;
• реализацию виртуальных (программных) моделей СРТ, что дополнительно позволяет использовать ПАК в качестве многофункциональных (перестраиваемых программным способом) лабораторных макетов по различным изучаемым дисциплинам, а также в качестве тестового оборудования, применяемого самостоятельно или в составе испытательных стендов.

Состав и возможности комплекса моделирования сигналов и систем

В Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники (БГУИР) на кафедре систем телекоммуникаций разработан первый вариант подобного ПАК, который структурно образуют [2–5]. Обобщенная структура комплекса приведена на рис. 1.


Рассматриваемый ПАК обладает достаточно широкими возможностями. В частности, он обеспечивает:
• математическое моделирование электрических сигналов и функциональных звеньев СРТ в частотной, временной областях и на комплексной плоскости;
• генерирование сигналов произвольных форм, задаваемых программно, различных видов цифровой и аналоговой модуляции, псевдослучайных и псевдошумовых сигналов;                         • возможность определения амплитуднофазовых спектров генерируемых (исследуемых) сигналов;
• реализацию в реальном масштабе времени виртуальных моделей функциональных звеньев, устройств и СРТ.
Отдельно следует указать на открытость ПАК, то есть возможность использования других специализированных программ (пакетов программ) для задания форм сигналов и реакций.

Система математического моделирования сигналов и систем

Ядром ПАК является системой математического моделирования (рис. 1). По указанным ниже причинам она реализована в виде многофункциональной программы математического моделирования сигналов и систем (МПММСС).
Системы радиоэлектроники и телекоммуникаций, как и все информационные системы являются сложными, вероятностными и адаптивными. Дополнительно они имеют следующие существенные особенности [3, 5]: обладают многими показателями качества; являются быстродействующими, в них присутствуют преобразования относительно низкочастотных  информационных сигналов и переносящих их высокочастотных радиосигналов; характеризуются многообразием и сложностью моделей воздействий (сигналов), моделей (не)
линейных функциональных звеньев и, как следствие, сложностью формирования математической модели СРТ в целом; математическое моделирование СРТ требует большого
объема вычислений, что необходимо учитывать при выборе (построении) моделей звеньев, сигналов и метода моделирования.
Отмеченные особенности серьезно усложняют процедуру математического моделирования, предполагают хорошее знание не только физических процессов в моделируемой системе, но и математики, теории цепей и сигналов, программирования, других дисциплин, что возможно в редких случаях. Учитывая это, актуальной представляется разработка так называемых МПММСС, пригодных для моделирования различных СРТ, не требующих от пользователя глубоких знаний по совокупности дисциплин, то есть предназначенных для широкого круга специалистов в области радиоэлектроники и телекоммуникаций.
Последующий анализ показывает, что подобная МПММСС должна иметь развитый диалоговый режим работы и обязательно содержать в своем составе следующие модули [3, 5]:
• стационарную и оперативную библиотеки моделей сигналов;
• стационарную библиотеку моделей линейных и стационарную библиотеку моделей нелинейных звеньев;
• оперативную библиотеку моделей звеньев;
• модули формирования моделей модулированных и эквивалентных сигналов;
• модули преобразования моделей линейных звеньев и расчета их основных частотно-временных характеристик;
• модули расчета реакций в частотной и временной областях (рис. 2).


Такая структура моделирующей программы позволяет до минимума сократить объем черновой подготовительной работы, обычно весьма существенный при моделировании СРТ, а саму процедуру моделирования многократно упростить и свести в основном к выполнению четырех последовательных этапов:
• формирование моделей функциональных звеньев;
• формирование моделей сигналов;
• формирование модели системы в целом;
• расчет и анализ реакций и функции потерь.
Каждый из упомянутых этапов обеспечивается с помощью соответствующих модулей МПММСС. Общение пользователя с программой осуществляется через программу-оболочку, имеющую выход на все модули.
Подробный анализ особенностей моделирования СРТ дополнительно показывает, что МПММСС, как минимум, должна содержать следующие обязательные процедуры [3, 5]:
• формирование, (де)нормирование, транспонирование, перемножение, расчет частотных и временных характеристик моделей звеньев;                                                                                              • формирование составных композитных и компонентных сигналов и их изображений; расчет реакций функциональных звеньев на произвольное (не)периодическое воздействие.


Система генерирования сигналов и реакций

Одной из составных частей рассматриваемого испытательного комплекса является генератор сигналов произвольной формы.
Современные генераторы сигналов реализованы на микросхемах цифровой обработки сигналов и, как правило, содержат в основе цифровой сигнальный процессор и синтезатор частоты прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesis). Программируемый источник тактового сигнала управляет памятью, в которой хранятся значения одного или нескольких циклов периода сигнала (синусоидального или произвольной формы). По мере увеличения значения указателя адреса ячейки памяти, из определенной ячейки считывается значение сигнала и передается в цифро-аналоговый преобразователь.
В нашем случае в качестве источника сигнала сложной формы используется генератор Г6-45/1 [2]. Это совместная разработка Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники и ОАО «Амкодор-Белвар». Внешний вид генератора приведен на рис. 3, 4.


Генератор Г6-45/1 включает блок управления и индикации, компоненты памяти, схему синтеза сигнала, схему тактирования на основе ФАПЧ и ГУН, блок ввода/вывода и схему питания.
Особенность генератора Г6-45/1 заключается в том, что он имеет так называемый открытый формат и обладает весьма важным для потребителя положительным свойством — возможностью генерирования сигналов и реакций различных типов и форм, модулированных сигналов, произвольно задаваемых конкретным пользователем.

Блок формирования сигнала генератора, реализованный на FPGA фирмы Xilinx и высокоскоростном ЦАП серии AD973x [6–7] от Analog Devices Inc., позволяет создавать различные сигналы с высокими параметрами линейности и малыми фазовыми шумами.
Генератор обладает интуитивно понятным интерфейсом, причем управление возможно с помощью как клавиатуры, так и специализированной программы, установленной на  подключенном к устройству компьютере.
Модель Г6-45/1 обладает следующими техническими характеристиками:
• диапазон частот генерируемых сигналов:  10 ˉ² -  10⁸ Гц;
• типы и формы генерируемых в автономном режиме сигналов: модулированные, телевизионные и функциональные сигналы 32 форм;
• типы и формы генерируемых в неавтономном режиме сигналов: возможность генерирования сигналов различных типов и форм, задаваемых пользователем;
• относительная нестабильность частоты генерируемых сигналов: не более 3* 10ˉ⁶  ;
• количество поддиапазонов частот генерируемых сигналов: 10,где- кадное разбиение на поддиапазоны;
• дискретность (шаг) установки рабочей частоты: 10–5f U, где f U — верхняя граничная частота соответствующего поддиапазона;
• максимальная амплитуда напряжения выходного сигнала при сопротивлении нагрузки 50 Ом: не менее 0,995 В;
• регулировка напряжения на выходе: с шагом 4 мВ, соответствующим 256 уровням квантования;
• мощность, потребляемая генератором от сети питания при номинальном напряжении: не более 25 В·А.

 Использование ПАК в составе многофункциональных автоматизированных комплексов контроля  и измерения параметров СРТ


Как показано во введении (проблема 2), в мире все большее внимание уделяют разработке многофункциональных автоматизированных комплексов контроля и измерения параметров СРТ, которые обеспечивают формирование произвольных измерительных сигналов, измерение параметров качества различных устройств (систем) и пригодны для целей функциональной диагностики.
В БГУИР разработана концепция построения многофункциональных автоматизированных комплексов контроля и измерения параметров СРТ. В соответствии с ней комплекс структурно образуют восемь систем:
1) система математического моделирования СРТ;
2) библиотека виртуальных систем;
3) система генерирования сигналов и реакций;
4) система измерения квазистатических параметров;
5) система измерения частотно-динамических параметров;
6) система измерения время-динамических параметров;
7) ПЭВМ;
8) система подготовки формального описания исследуемых СРТ.
При этом все измерительные воздействия, необходимые для работы измерительных систем, формируются системой генерирования на основе программируемого генератора Г6-45/1 и ПЭВМ с участием системы моделирования. Системы частотно- и время-динамических параметров измеряют базовые динамические характеристики СРТ. Соответственно, ПАК моделирования сигналов и систем образует собой пять из восьми систем комплекса контроля и измерения параметров.
Измерительный комплекс подобной структуры обладает набором положительных свойств, важнейшим из которых является его очень высокая производительность — большое количество измеряемых параметров в единицу времени. Это особенно актуально применительно к массовому производству сложных систем и устройств в интегральном исполнении, где суммарное время контроля и измерения всех (нескольких десятков) параметров не превышает нескольких секунд.

Использование ПАК в учебном процессе подготовки специалистов


Как показывает опыт кафедры систем телекоммуникаций БГУИР, весьма перспективно использование ПАК моделирования сигналов и систем в учебном процессе подготовки специалистов. При этом важно отметить, что принципиально возможны следующие основные варианты построения лабораторных работ на основе ПАК [3–5]:
1. Использование системы математического моделирования, системы генерирования сигналов и реакций, библиотеки виртуальных систем, системы измерения (осциллографа, анализатора спектра и частотомера) и ПЭВМ (рис. 1). В этом варианте:
– реализуется виртуальная панель исследуемой лабораторной установки;
– студент работает с виртуальным лабораторным макетом;
– программа обеспечивает необходимые переключения в контрольных точках и формирование соответствующих сигналов в реальном масштабе времени;
– параметры сигналов в контрольных точках измеряются с помощью системы измерения.
2. Использование ПЭВМ и системы генерирования сигналов и реакций и стандартных пакетов математического, структурно- и схемотехнического моделирования. В этом варианте:
– применяется стандартный пакет программ, например MathCAD;
– по результатам математического моделирования формируется файл отсчетных значений исследуемого сигнала;
– синтезируется исследуемый сигнал в реальном масштабе времени (с помощью системы генерирования сигналов и реакций);
– параметры сигналов в контрольных точках измеряются с помощью системы измерения.
На кафедре СТК накоплен значительный опыт создания и применения в учебном процессе комплексов лабораторных работ (по дисциплине «Моделирование систем телекоммуникаций»), построенных на базе ПАК по упомянутым двум вариантам (первые два года использовался комплекс, реализованный по второму варианту, по-
следующие пять лет — по первому варианту). Сегодня продолжаются интенсивные исследования по дальнейшему развитию теории и практики применения обучающих ПАК. Полученные результаты позволяют сформулировать следующие основные выводы [4, 5]:
1. Реализация лабораторных работ на базе ПАК моделирования сигналов и систем переводит обучение на новый технологический уровень, повышает мотивацию студентов, их теоретическую и практическую подготовку.
2. На базе ПАК сравнительно просто реализовать виртуальные модели сложных и разнообразных по свойствам систем и устройств. Это делает возможным и весьма целесообразным применение ПАК для создания фронтальных циклов лабораторных работ по совокупности дисциплин радиоэлектронных, телекоммуникационных и компьютерных специальностей (для студентов первой ступени); для постановки сложных физических экспериментов в научных исследованиях; в учебном процессе студентов второй ступени (магистрантов) для усиления их теоретической и практической подготовки.
3. Используя готовые библиотеки и специализированное программное обеспечение, с помощью генератора Г6–45/1 можно реализовывать большое число стандартных и сложных сигналов. Совместимость программного обеспечения ПАК со стандартными пакетами моделирования позволяет создавать сигналы с индивидуальными требованиями пользователя.


Литература
1. Ильинков В. А., Беленкевич Н. И. Обучающие программно-аппаратные комплексы как эффективное средство интенсификации учебного процесса. Высшее техническое образование: проблемы и пути развития. Материалы VI международной научно-методической конференции, 28–29 ноября 2012 г., Минск. Минск, БГУИР, 2012.
2. Ильинков В. А., Беленкевич Н. И. Метод и система генерирования сигналов различной формы в широком диапазоне частот // Электросвязь. 2013. № 9.
3. Ильинков В. А., Беленкевич Н. И. Многофункциональная программа математического моделирования сигналов и систем. Высшее техническое образование: проблемы и пути развития. Материалы VI международной научно-методической конференции, 28–29 ноября 2012 г., Минск. Минск, БГУИР, 2012.
4. Ильинков В. А., Беленкевич Н. И. Дальнейшее развитие теории и практики применения обучающих программно-аппаратных комплексов. Высшее техническое образование: проблемы и пути развития. Материалы VII международной научно-методической конференции, 20–21 ноября 2014 г., Минск. Минск, БГУИР, 2014.
5. Ильинков В. А., Беленкевич Н. И. Комплексы моделирования сигналов и систем в учебном процессе подготовки специалистов. Высшее техническое образование: проблемы и пути развития. Материалы VIII международной научно-методической конференции, 17–18 ноября 2016 г., Минск. В 2 частях. Ч. 1. Минск, БГУИР, 2016.
6. AD9731. www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9731.pdf
7. AD9734/AD9735/AD9736. www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9734_9735_9736.pdf