Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма

УДК: 658.512.22.011.56 : 621.372.51.029.64 С.Ю. Дорофеев, Л.И. Бабак

Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма

Описываются принципы организации универсальной программной системы, обеспечивающей структурно-параметрический синтез различных типов радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма. Представлена частичная реализация данной системы на базе программы Оепевуп, предназначенной для синтеза согласующих цепей. Приводятся примеры решения задачи Фано с использованием как сосредоточенных, так и распределённых элементов.

В настоящее время существует большое количество разнообразных методов для автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств (РЭУ). Перспективным, в частности, является структурно-параметрический синтез РЭУ на основе генетических алгоритмов (ГА). ГА имитируют эволюционные процессы в природе на основе механизмов генетического наследования и естественного отбора.

На кафедре КСУП ТУСУРа в течение нескольких лет разрабатываются программы, позволяющие успешно синтезировать пассивные и активные цепи с использованием ГА. В частности, программа ОепеБуп [1] обеспечивает синтез согласующих цепей (СЦ), а программа ОепеАтр предназначена для синтеза усилителей. Однако каждая из этих программ нацелена на синтез одного конкретного класса устройств, и, несмотря на похожую функциональность, программы практически не содержат общих модулей. В результате трудоемкость разработки, модификации и тестирования программ значительно возрастает.

Цель данной работы — проектирование принципов организации универсальной программной системы, способной осуществить структурно-параметрический синтез широкого класса РЭУ методом ГА, а также её частичная реализация для обеспечения синтеза СЦ с использованием как сосредоточенных, так и распределённых элементов.

Для того чтобы осуществить синтез РЭУ практически произвольных структур, нами предлагается шаблонная архитектура, которая подразумевает иерархическую структуру топологических шаблонов [2]. Рассмотрим её суть на примере шаблона двухкаскадного усилителя (рис. 1). Он состоит из пяти подшаблонов: входная (1), выходная (5) и межкаскадная СЦ (3), которые могут являться шаблонами типа «каскадная цепь». Кроме них, на рис. 1 представлены два шаблона типа «усилительный каскад» (2 и 4).

Шаблон «каскадная цепь» состоит из последовательно соединённых четырёхполюсных звеньев (рис. 2).

О— Звено 1 Звено 2 —в о— ЗвеноЫ

г —0 О—

1

Рис. 2. Шаблон типа «каскадная цепь»

Каждое из звеньев может содержать одну из топологий соединения двухполюсных или четырёхполюсных элементов, изображённых на рис. 3.

41

Рис. 3. Шаблоны звеньев каскадной цепи

В свою очередь, двух- или четырёхполюсный элемент состоит из самых элементарных шаблонов-элементов, для которых будет проводиться уже параметрический синтез, например, резисторов, конденсаторов, индуктивностей, линий передачи и т.п.

Каждый шаблон вплоть до элементов может настраиваться отдельно (через диалоги пользователем или автоматизирование, с помощью скриптовых языков): есть возможность закрепить определённые топологии, выбрать количество и типы возможных подшаблонов (топологий или элементов), установить номиналы элементов или их диапазоны (в делом и для каждого звена в отдельности) и т.п. Таким образом, можно гибко контролировать структуру и значения элементов синтезируемого устройства.

Общая организация программной системы, предназначенной для синтеза РЭУ на основе ГА и построенной на основе шаблонной архитектуры, показана на рис. 4.

Символ

I

Оптимизатор

Менеджер символов

Конвертер характеристик.

'_________^

Шаблон с кодеком

,11. )Х I I

а,

Управляющий модуль

Менеджер шаблонов

Рис. 4. Общая схема взаимодействия модулей программной системы

Поясним приведённую схему на примере следующей последовательности взаимодействия компонентов системы и пользователя.

1. Пользователь использует мастер-задачи или создаёт собственную задачу на встроенном скриптовом языке. Задача описывает требования к характеристикам и обобщенную структурную схему проектируемого РЭУ. Пользователь имеет возможность настроить все подшаблоны вплоть до элементов, таким образом, накладывая все требуемые ограничения на проектируемое устройство.

2. Пользователь настраивает ГА (количество особей, параметры алгоритма и т.п.), а также целевую функцию (ЦФ) с целью оптимизации процесса поиска.

3. Запускается процесс синтеза. Управляющий модуль запрашивает у шаблона верхнего уровня длину бинарной строки (необходимой для кодирования структуры и параметров шаблона) и специфические для работы ГА настройки. Бинарное представление шаблона составляется из бинарного представления всех его подшаблонов, а также его собственных параметров. Таким образом, каждый шаблон зависит только от своих подшаблонов и может гибко управлять ими, например, убирая повторяющие топологии (два последовательных

резистора и т.п.) после того, как он сам и все его подшаблоны придут в детерминированное состояние (декодируются).

4) ГА генерирует исходную популяцию, запрашивает оценку каждой закодированной особи, подавая их на вход модулю ЦФ. Модуль ЦФ передаёт особь в шаблон верхнего уровня (то есть устройства в целом), запрашивая характеристику, по которой будет производиться оценка. Шаблон верхнего уровня разбивает битовую строку на части (см. п. 3) и отдаёт эти части своим подшаблонам, которые таким же образом рекурсивно декодируют строку далее. В результате декодирования шаблон приводится в детерминированное состояние, когда все подшаблоны определены вплоть до номиналов элементов. Теперь шаблон способен рассчитать запрашиваемую характеристику и вернуть её модулю ЦФ. Для того чтобы можно было получать необходимые характеристики из промежуточных (например, коэффициент передачи из Б-матрицы), используется модуль «Конвертер характеристик». Таким образом, происходит оценка особи.

5) ГА сортирует особи по значению оценочной функции, учитывая специфическую информацию, отбрасывает нежизнеспособные особи.

6) Если пользователь не нажал кнопку «Стоп», управляющий модуль делает следующий шаг популяции.

7) Пользователь может оптимизировать сгенерированную схему с помощью компонента «Оптимизатор». Оптимизатор может осуществлять доступ извне к каждому шаблону схемы и варьировать значения номиналов.

Компонент «Графический символ» отвечает за отображение шаблона на графическом изображении синтезированной схемы. Пользователь может назначить произвольный символ для любого шаблона (схемы, элемента) согласно ГОСТу своей страны. Компоненты «Менеджер символов» и «Менеджер шаблонов» осуществляют управляющие функции применительно к библиотеке символов и шаблонов соответственно.

Основное преимущество описанной организации программной системы синтеза РЭУ на шаблонной архитектуре — это ее универсальность — теперь возможно генерировать почти любое устройство, у которого можно, так или иначе, выделить обобщенную структуру и параметры. Шаблонная архитектура представления РЭУ обеспечивает практически неограниченные возможности для адаптации программной системы и позволяет быстро и легко реализовать синтез практически любых объектов без создания новых программ, а лишь описывая специфичные шаблоны.

Данные принципы были частично реализованы в программе синтеза Оепевуп [3], предназначенной для синтеза СЦ.

СЦ используются в различных полупроводниковых устройствах ВЧ- и СВЧ-диапазона. Основное назначение СЦ состоит в улучшении передачи мощности сигнала от генератора к нагрузке в заданном диапазоне частот. СЦ могут выполняться на базе как сосредоточенных, так и распределённых элементов. Применение последних позволяет значительно упростить изготовление СВЧ-устройств в интегральном исполнении.

В прследнее время при синтезе СЦ начали использовать генетические алгоритмы (ГА). Однако в известных работах [1] представлен синтез СЦ только на сосредоточенных элементах. Сформулируем задачу следующим образом: необходимо синтезировать четырехполюс-ную цепь, реализующую с заданным допуском требуемую частотную характеристику передачи мощности С((й) от генератора Zs(j<a) в нагрузку ZL(j(¡i)в полосе частот [о)£, (%]. Импедансы генератора Zs(j(й) и нагрузки ZL(j(a) заданы в численном виде на ряде фиксированных частот соА (к = 1,т) рабочего диапазона, они могут быть комплексными и частотно-зависимыми. Требования к коэффициенту передачи цепи представляются в виде ограничений, определяющих диапазон возможных значений коэффициента передачи б(со) на частотах (оА:

<Г(а>(*;) < < С+(со,„), к = \,т.

После внедрения шаблонной архитектуры в программу Оепевуп необходимо проверить, насколько эффективно выполняется существовавшая ранее функциональность — синтез СЦ на сосредоточенных элементах, кроме того, проверить возможность и эффективность синтеза распределённых и сосредоточенно-распределённых СЦ.

Прежде всего, нужно определиться с необходимыми для структурно-параметрического синтеза топологическими шаблонами. СЦ может быть представлена в виде шаблона «каскадная цепь», представляющего последовательное соединение четырёхполюсных звеньев (рис. 5).

Рис. 5. Представление СЦ в виде каскадного соединения звеньев

Ограничимся лестничными структурами СЦ, в этом случае каждое звено может содержать шаблон следующего вида: последовательно и параллельно включенный двухполюсник — для сосредоточенных элементов; последовательно включенный, короткозамкнутый и холостоходный четырёхполюсник — для распределённых. Каждый указанный шаблон будет содержать в себе уже конкретный элемент: резистор, конденсатор, индуктивность, отрезок линии передачи (ЛП), кроме того, он может включать последовательный или параллельный колебательные контуры.

При структурно-параметрическом синтезе цепей методом ГА необходимо каким-то образом оценивать сгенерированные особи (каждая из особей при декодировании описывает синтезированную схему). В качестве целевой функции используется минимум значения коэффициента передачи б цепи в полосе согласования. Коэффициент б можно вычислить с использованием матрицы передачи цепи (А-матрицы). Матрица передачи всей цепи равна произведению матриц передачи звеньев: А = • А2 . Рассмотренный алгоритм был

уже реализован в программе Оепевуп для сосредоточенных цепей [1] и вполне подходит для оценки распределённых цепей.

В качестве примера рассмотрим проектирование реактивной цепи для согласования трехэлементной ДЬС-нагруз-ки с резистивным сопротивлением генератора в полосе частот А/ = 0...1 ГГц (тестовая задача Фано, рис. 6).

Результаты синтеза СЦ с использованием различных методов приведены в таблице. Здесь приняты следующие обозначения: | Гтах | — максимальное значение модуля коэффициента отражения в полосе согласования; <Зт1п = =1 - | Гтах |2 — минимальное значение коэффициента передачи по мощности СЦ в полосе согласования; А в = (<?шах - @тт)/@тт — неравномерность частотной характеристики передачи мощности, где <7тах — максимальная величина коэффициента передачи в полосе согласования; п — число реактивных элементов цепи.

Результаты синтеза СЦ для задачи Фано

Номер цепи Рисунок Методика расчета /-1 "min DG 1 Г 1 1 х Imax п

1 7, а Классический метод Фано-Юлы 0,8261 0,0588 0,417 4

2 7,6 Метод «реальной частоты» 0,8487 0,0381 0,389 3

3 7,в GeneSyn 0,8539 0,059 0,382 3

4 7,г GeneSyn 0,8835 0,025 0,3415 3

5 7,д GeneSyn 0,8304 0,108 0,412 3

6 7,е GeneSyn 0,8304 0,089 0,412 3

7 Визуальное проектирование в Locus 0,8132 0,077 0,432 3

8 GeneSyn, заданное волновое сопротивление ЛП 0,8268 0,0787 0,416 3

Цепь 1 была получена на основе классического метода Фано-Юлы с использованием чебышевского равноволнового приближения, цепь 2 — методом «реальной частоты». Цепи 3-6 синтезированы на основе ГА с помощью шаблонной реализации программы GeneSyn. Решения 3 и 4 (причём оба одновременно) синтезированы на основе сосредоточенных элементов в программе GeneSyn за 15 с (тестирование проводится на компьютере с процессором Intel Core Duo 1,6 GHz). Решение 5 использует только распределённые элементы (время генерации — 20 с), решение 6 — и распределённые, и сосредоточенные (30 с). При этом варьировались как волновые сопротивления (20 Ом < ZB < 135 Ом), так и электрические длины (0 < 9 < 180°) ЛП.

Цепи 7 и 8 имеют ту же структуру что и цепь 6. Цепь 7 получена в результате применения визуальной методики проектирования в программе Locus [4], а цепь 8 — с помощью программы GeneSyn при заданном волновом сопротивлении (125 Ом), чтобы обеспечить синтез в одинаковых условиях.

17,22 нГн ^ 16,85 нГн 18,303 нГн

>—!

18.303 нГн

Рис. 7. СЦ, синтезированные с помощью различных методов

Таким образом, все найденные решения оказались лучше известных решений, а время синтеза составляет несколько десятков секунд, при этом внедрение шаблонной архитектуры не увеличило время синтеза.

В результате проведенной работы были разработаны принципы построения программной системы, обеспечивающей структурно-параметрический синтез различных типов радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма. Эти принципы были реализованы в новой версии программы ОепеЭуп, обеспечивающей синтез СЦ методом ГА на основе шаблонной архитектуры. Опыт ее применения показывает эффективность синтеза СЦ в сосредоточенном, распределённом и сосредоточенно-распределённом базисах.

В дальнейшем планируется расширить элементную базу и реализовать синтез других видов радиоэлектронных устройств.

Работа была поддержана грантами международной организации ШТАв-СКЕв №06-1000024-9199, Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ №06-07-96916), фондом им. Бортника (в рамках программы У.М.Н.И.К.).

Литература

1. Бабак Л. И. Программа синтеза согласующих цепей на основе генетического алгоритма / Л.И. Бабак, В.А. Вьюшков // Материалы конф. КрыМиКо 2006 «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Украина, Севастополь). - 2006. - С. 209-210.

2. Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма / С.Ю. Дорофеев, Л.И. Бабак, Ф.И. Шеерман, М.А. Песков // Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития. Ч. 2 : докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Томск : В-Спектр, 2007. - С. 121-124.

3. Дорофеев С.Ю. Реализация программы синтеза согласующих цепей с использованием генетического алгоритма и шаблонной архитектуры / С.Ю. Дорофеев, Л.И. Бабак // Электронные средства и системы управления. Опыт инновационного развития. Ч. 2 : докл. Меж-дунар. науч.-практ. конф. - Томск : В-Спектр, 2007. - С. 124-127.

4. Babak.L.I. Interactive «visual» design of matching and compensation networks for microwave active circuits./ L.I. Babak, M.V. Cherkashin // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig. (Phoenix, AZ). - 2001. - С. 1.

Дорофеев Сергей Юрьевич

Аспирант каф. компьютерных систем в производстве и проектировании ТУСУРа

Тел.: 8 903 950 23 71

Эл. почта: Dorofeev.Sergey@gmail.com

Бабак Леонид Иванович

Канд. техн. наук, доцент каф. компьютерных систем в управлении и проектировании ТУСУРа

Тел.: (3822) 41 32 29

Эл. почта: babak@post.tomica.ru

S.Y. Dorofeev, L.I. Babak

Universal program system based on genetic algorithm organization, that provides for structural-parametrical synthesis of different devices

In this article basic principles for building computer-aided design tool that provides structural-parametrical synthesis of different devices based on genetic algorithm are described. These principles were particularly implemented in GeneSyn program that realizes automatic synthesis of matching networks. As example the solution of classical Fano task based on lumped and distributed elements is presented.