Развитие прикладных систем автоматизированного проектирования телекоммуникационных систем и устройств

-

Автоматизированное проектирование систем и устройств

В. Л. Карякин, Д. В. Карякин

Развитие прикладных систем автоматизированного

проектирования телекоммуникационных систем и устройств

Системы автоматизированного проектирования (САПР) интенсивно развиваются на основе широкого использования информационных технологий как в России, так и за рубежом.

Прикладные радиотехнические САПР являются сложными и дорогостоящими системами, в разработке которых участвуют специалисты различных компаний, научно-исследовательских предприятий и высших учебных заведений. Это —технологи, математики, программисты, радиофизики, конструкторы, специалисты по информатике, схемотехнике и электродинамике. разработчики элементной базы, измерительной аппаратуры, радиотехнических, телекоммуникационных систем и устройств, а также многие другие.

Эффективность САПР определяется степенью формализации постановки задачи, адекватностью перехода от физической модели к математическому описанию элементов техники, а также выбором и разработкой методов, алгоритмов и программ выполнения проектных процедур. Значительные результаты за рубежом достигнуты в области разработки нелинейных моделей биполярных и полевых транзисторов и создания инструментальных САПР для решения прикладных задач [1-3].

Акгуальностьсоздания прикладных САПР определяется возможностями выбора в настоящее время высокоэффективной инструментальной среды проектирования, что значительно сокращает временные и финансовые затраты на разработку систем.

Одна из важных причин ограниченного применения существующих зарубежных систем проектирования — трудности, связанные с разработкой на их основе прикладных САПР. В частности, сложность разработки алгоритмов и программ взаимодействия прикладных

отечественных САПР с программными комплексами ядер инструментальных платформ зарубежных систем. В згой связи представляет интерес инструментальная среда AWR Microwave Office (AWR MWO), которая написана на объектно-ориентированном языке С++, что позволяет адаптировать ее для решения прикладных задач. В частности, в "Лаборатории автоматизированного проектирования инфокоммуннкационных систем и устройств" Поволжского государственного университета информатики и телекоммуникаций разработана и успешно развивается прикладная САПР телекоммуникационных радиопередающих систем и устройств "Telecom-MWO" [1, 4] с использованием инструментальной среды AWR MWO.

Основой программного обеспечения САПР "Telecom-MWO" является пакет программ инструментальной среды AWR MWO. Алгоритм разработки прикладной САПР, по существу, включает разработку, тестирование инструментальной среды проектирования специалистами компании AWR совместно с разработчиками элементной базы и компаниями изготовителями телекоммуникационного оборудования.

Поэтапный алгоритм разработки программного обеспечения. Поэтапный алгоритм разработки программного обеспечения системы "Telecom-MWO", созданной с использованием инструментальной среды AWR MWO, следующий.

А1. Формирование технических условий на разработку инструментальной среды проектирования AWR MWO.

А2. Разработка элементной базы телекоммуникационных устройств среды проектирования AWR MWO компаниями-производителями транзисторов, конденсаторов, индуктивностей. резисторов и т.д.

Научно-технические ведомости СПбГПУ 1' 2009. Информатика. Телекоммуникации. Управление

АЗ. Разработка математических моделей элементной базы среды проектирования АМ'Я в научно-исследовательских лабораториях компании

А4. Тестирование результатов разработки математических моделей совместно с компаниями-производителями. Если результаты тестирования неудовлетворительные — переход к АЗ.

А5. Разработка компанией AWR программного пакета А\\Т1 М\УО инструментальной среды проектирования телекоммуникационных устройств различного назначения.

А6. Экспериментальное тестирование компанией А\УЯ совместно с компаниями-производителями телекоммуникационных устройств программного пакета МШО. Если результаты тестирования неудовлетворительные — переход к А5.

А7. Экспериментальное тестирование программного пакета АШИ. совместно

с аналогичными программными продуктами, разрабатываемыми другими компаниями. Если результаты тестирования неудовлетворительные — переход к А5.

А8. Проведение НИР. ОКР по разработке прикладных САПР компаниями-производи-телями телекоммуникационных устройств.

научно-исследовательскими предприятиями и лабораториями вузов с использованием инструментальной среды проектирования А\\'Я МШО.

А9. Разработка прикладной САПР "Те1е-сот-МШО" с использованием инструментальной среды проектирования А\У11 М\\Ю в "Лаборатории автоматизированного проектирования инфокоммуникационных систем и устройств" Поволжского государственного университета информатики и телекоммуникаций.

Из приведенного алгоритма следует, что разработка прикладных САПР осуществляется на заключительных этапах, позволяющих с наименьшими затратами адаптировать зарубежные технологии для решения научных, инженерных задач создания отечественных телекоммуникационных устройств и систем, не уступающих по своим качественным показателям зарубежным аналогам.

Струю ура программного комплекса САПР "Те1есот-1У1>\/0,\ Обобщенная структурная схема системы автоматизированного проектирования "Те1есот-М\\Ю" опубликована в [2]. САПР содержит как организационные, так и программно-технические компоненты.

Рис. К Структура программного комплекса САПР "Те1есот-М\\<,0"

Организационные компоненты: техническое задание на проект; инженеры-разработчики, ведущие расчеты (пользователи или операторы САПР). Программно-технические компоненты: инструментальная среда AWR Microwave Office;

управляющая программа; библиотека алгоритмов и программ проектирования:

база данных с результатами проектирования (проекты).

Для реализации программно-технических и организационных компонент САПР и их взаимодействия разработан программный комплекс, структура которого (рис. 1) состоит из следующих подсистем: вычислительной;

взаимодействия с вычислительными процессами:

взаимодействия с пользователями. Рассмотрим подробнее структуру программного комплекса САПР и алгоритм его взаимодействия с инструментальной платформой AWR Microwave Office.

Вычислительная подсистема образует один или несколько (/V) вычислительных узлов, каждый из которых может выполнять одну задачу за один промежуток времени, причем управление задачами осуществляется в автоматическом режиме, чтобы максимально эффективно использовать процессорное время и минимизировать простои.

Вычислительный узел включает: пакет приложений AWR Microwave Office; модуль управления AWR МWO через API-интерфейс приложения:

модуль обработки событий: сервер вычислительной подсистемы. Управление программным комплексом ядра AWR Microwave Office осуществляется посредством API-интерфейса через объекты СОМ. Через объекты СОМ выполняются задачи, начиная с загрузки заданного проекта в приложение MWO, анализа и оптимизации. и заканчивая сложными изменениями в проектах и получением результатов. В процессе работы приложения возникают различные события, которые позволяют своевременно определять как успешное выполнение процессов, так и различные сбои выполнения операций и ошибки. События можно разделить на две категории: систем-

ные и приложения. Системные определяют корректный запуск и работу AWR MWO. а события-приложения определяют процесс выполнения вычислительных задач внутри системы AWR MWO. Обеспечение передачи определенных задач в AWR MWO и получение состояний процессов выполняется сервером вычислительной подсистемы, — связующим звеном с центральной управляющей системой САПР.

Количество вычислительных узлов САПР определяет количество процессов, которое может выполняться одновременно. Производительность зависит от аппаратных ресурсов серверов, работающих в составе вычислительных узлов.

Задачу объединения вычислительных узлов в единый кластер решает подсистема взаимодействия с вычислительными процессами. В зависимости от состояния каждого из узлов определяется набор задач, которые устанавливаются для решения.

Подсистема взаимодействия с вычислительными процессами, состоит из модуля управления вычислительными узлами и модуля управления задачами САПР.

Модуль управления вычислительными узлами обеспечивает координацию работы вычислительной подсистемы, построенной по клиент-серверной технологии. Роль клиентов выполнят вычислительные узлы, которые в автоматическом режиме обеспечивают связь с сервером САПР.

Модуль управления задачами САПР содержит базу данных готовых алгоритмов и программ для проектирования и расчета узлов телекоммуникационных устройств на основе AWR Microwave Office. Общая структура базы данных является иерархической и содержит определенное дерево простейших операций М WO с входными н выходными параметрами. Также для каждого алгоритма-программы задается первоначальный массив переменных, с которым осуществляется прямое взаимодействие в процессе выполнения операций MWO. т.е. выбираются исходные данные для расчетов и записываются результаты выполнения вычислений. База данных алгоритмов и программ представлена в формате XML и сохраняется на стороне центрального сервера САПР.

На основе базы данных алгоритмов разработаны подробные пошаговые инструкции

Научно-технические ведомости СПбГПУ 1 ' 2009. ^Информатика. Телекоммуникации. Управление

для пользователей, которые содержат необходимый набор исходных данных для каждого алгоритма, варианты проведения проектирования. расчетов и вычислений, а также шаблоны выходных результатов программ. Пользовательские инструкции являются составной частью рабочего интерфейса САПР, обеспечение которого осуществляет подсистема взаимодействия с пользователями.

Подсистема взаимодействия с пользователями. состоит из следующих модулей:

общего интерфейса приложения САПР: управления пользователями; пользовательских инструкций для базы данных алгоритмов и программ:

базы данных проектов пользователей. Интерфейс приложения САПР. Общий интерфейс приложения САПР построен на основе технологий web и требует со стороны пользователя стандартного современного интернет-браузера (тестирование системы проводилось в браузерах Mozilla Firefox, Microsoft Internet Explorer. Opera). Пользовательский интерфейс обеспечивает интерактивное управление и контроль процесса проектирования. Пользователь информируется о состоянии вычислительных узлов и событиях, происходящих на каждом этапе проектирования. Каждый шаг проектирования сохраняется в специализированной пользовательской базе данных проектов, среди которых — исходные данные, результаты выполнения программ проектирования узлов, действия пользователя и события со стороны вычислительной подсистемы. В структуре базы данных располагаются проект пользователя и все задачи, которые выполнялись в рамках проекта.

Алгоритм работы пользователя. Общий алгоритм работы пользователя состоит из следующих шагов:

определение первоначального набора исходных данных для проектирования, среди которых проектируемый узел телекоммуникационного устройства и набор определенных параметров данного устройства или узла;

выбор алгоритма и программы, по которым будут производиться вычисления;

ввод исходных параметров для выбранной программы по шаблону и инструкциям САПР;

выполнение алгоритма вычислений системой САПР;

контроль за ходом выполнения задач САПР

и коррекция со стороны пользователя в случаях возникновения ошибок в процессе:

вывод результатов выполнения программы-алгоритма пользователю;

анализ полученных результатов пользователем и формирование решения о необходимости выполнения дальнейших процедур проектирования;

формирование отчетов проектирования. Результаты исследований. В настоящее время система "Те1есот-М\\Ю" предназначена для решения задач исследования и проектирования элементов радиопередающих устройств: генераторов с внешим возбуждением (ГВВ). систем сложения мощности, автогенераторов, систем фазовой синхронизации, синтезаторов частот, модуляторов, но благодаря ее развитию круг решаемых задач будет существенно расширен.

Применение САПР "Те1есот-М\\Ю" при исследовании и проектировании генераторов с внешним возбуждением телекоммуникационных радиопередающих устройств позволило:

дать методику построения статических характеристик транзистора и динамических характеристик ГВВ;

разработать методику влияния параметров схемы ГВВ на режимы его работы;

разработать методику оценки оптимального сопротивления нагрузки и сопротивления источника возбуждения ГВВ;

разработать методику оптимизации цепей согласования и оценки их энергетической эффективности;

на основании разработанных методик, реализованных в виде алгоритмов, дать методику проектирования оптимальных ГВВ.

При исследовании влияния параметров схемы ГВВ на режимы его работы с использованием новых информационных технологий [5-7] разработаны методики исследования нагрузочных характеристик, а также влияния питающих напряжений, мощности возбуждения, напряжения смещения, цепей питания на режимы работы генераторов с внешним возбуждением.

В качестве примеров исследования на рис. 2, 3 приведены семейство нагрузочных характеристик и временные диаграммы выходного тока ГВВ на частоте 2,4 ГГц.

Использование информационных технологий при исследовании и проектировании автогенераторов позволило:

дать методику построения динамических, спектральных характеристик автогенераторов;

разработать алгоритмы оценки работоспособности автогенераторов;

разработать методику оценки области устойчивой работы автогенератора:

разработать методику анализа работы кварцевого резонатора:

исследовать влияние глубины обратной связи автогенератора на его динамические и спектральные характеристики;

разработать алгоритм оптимизации и методику проектирования автогенераторов.

Рис. 2. Семейство нагрузочных характеристик ГВВ

800 еоо

400

I

200

U [В]

Рис. 3. Временные зависимости выходного тока ГВВ

В качестве примеров на рис. 4-9 приведены результаты исследований влияния глубины обратной связи автогенератора на его динамические и спектральные характеристики, вида колебательной системы автогенератора на его динамические характеристики и характер временных зависимостей выходного тока и напряжения.

Рис. 4. Динамические характеристики автогенера тора при изменении глубины обратной связи 20

10 о -10 _ -20

-40

-so -60

-70

'(ГГц]

Рис. 5. Спектральные характеристики автогенератора при изменении глубины обратной связи

Рис. 6. Динамическая характеристика LC-автогенератора

Рис. 7. Динамическая характеристика кварцевого автогенератора

4

Научно-технические ведомости СПбГПУ 1' 2009. Информатика. Телекоммуникации. Управление

3 74 ns I

5 81 V I /~N 3 74 ne I \ 175 mA J

в

7 6 9

4 5

Э

3 2 1 0

Рис. 8. Временные зависимости выходного тока и напряжения в LC-автогенераторе

4 ns 105 mA

t[xc]

Рис. 9. Временные зависимости выходного тока и напряжения в кварцевом автогенераторе

Анализ приведенного алгоритма показывает, что разработка инструментальной среды проектирования AWR Microwave Office осуществляется с использованием самых современных технологий производства элементной базы и результатов разработки нелинейных математических моделей транзисторов в науч-но-исследовательских лабораториях компании AWR совместно с компаниями производителями.

Разработка прикладной САПР "Telecom-MWO" с использованием инструментальной среды проектирования AWR Microwave Office на заключительных этапах алгоритма позволяет с наименьшими затратами адаптировать зарубежные технологии для решения научных, инженерных задач создания отечественных телекоммуникационных устройств и систем, не уступающих по своим качественным показателям зарубежным аналогам.

В настоящее время САПР "Telecom-MWO" позволяет исследовать и проектировать ряд элементов и систем телекоммуникационных радиопередающих устройств: генераторов с внешим возбуждением, систем сложения мощности, автогенераторов, систем фазовой синхронизации, синтезаторов частот, модуляторов. САПР постоянно совершенствуется, расширяет круг прикладных задач исследования и проектирования в области телекоммуникационных систем и устройств.

Приведенные примеры на рис. 2-9 показывают наглядность результатов исследования с использованием САПР "Telecom-MWO" наиболее важных элементов телекоммуникационных радиопередающих устройств.

Предложенные методики проектирования телекоммуникационных передающих устройств в САПР "Telecom-MWO". представленые в виде алгоритмов и программ, зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Федерального агентства по образованию.

Результаты разработки и внедрения САПР "Telecom-MWO" имеют существенное значение для отрасли телекоммуникаций, заключающееся в повышении качества и надежности разрабатываемых устройств, сокращении сроков проектирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Система автоматизированного проектирования телекоммуникационных устройств "Telecom-MWO" с использованием инструментальной среды AWR Microwave Office / Карякин В.В.. Каря-кин Д.В. М.: Федеральное агентство по образованию. 2007. (Отраслевой фонд алгоритмов и программ. № г/р 9010).

2. Карякин В.В. Информационные технологии моделирования биполярных транзисторов в САПР "Telecom-MWO"// Инфокоммуникационные технологии. Т. 6. № 3. М.. 2008. С. 86-93.

3. Карякин Д.В. Технологии создания САПР "Те1есот-М WO". развития производства и компьютерного моделирования полевых транзисторов // Инфокоммуникационные технологии. Т. 6. № 3. 2008. С. 94-99.

4. Карякин В.В., Карякин Д.В. Система автоматизированного проектирования телекоммуникационных устройств "Те1есот-М WO" // Сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. "Тслеком-2007". Ростов-на-Дону: СКФ МТУСИ. 2007. С. 28-33.

5. Карякин В.В., Карякин Д.В. Автоматизация