Введение к работе
Актуальность
Наиболее заметным явлением развития современной радиотехники является постоянно расширяющееся использование устройств цифровой электроники. Цифровая электроника заняла ведущее положение в традиционных областях радиотехники - системах радиосвязи, радиовещания, телевидения, радионавигации и радиолокации. Наблюдается постоянное совершенствование технологии производства цифровых интегральных микросхем (ИМС) в направлении повышения их интеграции и расширения номенклатуры.
Одной из причин успешного развития цифровой электроники является наличие хорошо проработанной теории проектирования цифровых логических систем, использующей фундаментальный математический аппарат булевой алгебры. На базе этой теории любая цифровая логическая система может быть представлена в виде набора соединенных соответствующим образом типовых элементарных ячеек, каждая из которых выполняет определенную логическую операцию.
Иная ситуация сложилась в области анализа и проектирования устройств аналоговой электроники (устройства отображения информации, системы автоматического управления, аналоговые фильтры). В этой области наблюдаются попытки перехода на уровень выпуска системных микросхем, однако отсутствие единого общепризнанного математического аппарата решения задач анализа и синтеза сдерживают развитие данного направления.
Выход из создавшегося положения наметился в работах Мишина Г.Т., где за естественнонаучную базу аналоговой микроэлектроники принята математическая теория систем дифференциальных уравнений в обобщенной форме. На основании анализа систем дифференциальных уравнений, был сформирован элементный базис аналоговой микроэлектроники, который состоит всего из пяти элементарных звеньев: интегрирующего, дифференцирующего, сложения / вычитания, масштабирования (умножения / деления), разделения/соединения.
Необходимым шагом перехода на новую элементную базу является замена модели радиоэлектронного устройства в виде схемы электрической принципиальной на равноценную модель в виде схемы структурной функциональной, которая должна состоять только из элементарных звеньев предлагаемой элементной базы.
Выполнение последнего требования обозначает возможность проектирования любой линейной динамической системы только из элементарных звеньев (композиция) и разделение любой линейной динамической системы только на элементарные звенья (декомпозиция).
Другим важным шагом перехода на предлагаемую элементную базу является обоснование процедуры синтеза электронного устройства как последовательности процедур:
синтеза структурной схемы устройства по заданным целям;
последующей процедуры синтеза структурно функциональной схемы;
и собственно сборки синтезируемого устройства.
Всё это, вместе взятое, определяет новый подход к анализу и синтезу электронных устройств на элементарных звеньях.
На основе вновь введенной элементной базы возможно сформировать как МАБИС (матричные аналоговые большие интегральные схемы), так и ПАИС (программируемые аналоговые интегральные схемы). Такая возможность обусловлена малочисленностью элементов в базе и позволяет спроектировать уникальный чип для данной МАБИС, или единый перепрограммируемый элемент для ПАИС.
Однако, те большие возможности, которые открываются введением предлагаемой элементной базы, требуют обширной предварительной работы, связанной с исследованием особенностей проектирования различных типов аналоговых устройств. Настоящая работа посвящена разработке алгоритма и процедуры синтеза таких, широко применяющихся устройств, как фильтры. Актуальность и научная новизна данной работы полностью обусловлены новизной элементной базы, на основе которой проектируются исследуемые объекты.
В настоящее время не существует достаточно универсального метода синтеза аналоговых фильтров, который удовлетворял бы современным требованиям. Одни методы слишком громоздки в вычислениях, другие недостаточно точны, а некоторые методы, кроме того, не позволяют проектировать аналоговые фильтры высоких порядков. Это подтверждает актуальность проводимой работы, суть которой заключается в создании метода синтеза аналоговых фильтров для радиотехнических систем связи, основанного на использовании предлагаемой элементной базы аналоговой микроэлектроники, отвечающего всем основным требованиям проектировщиков. Переход к предлагаемому элементному базису дает возможность использования достижений теории интегрального и дифференциального исчислений для решения задач анализа и синтеза аналоговых фильтров.
Цель и основные задачи работы
Целью настоящей работы является создание метода синтеза радиоэлектронных аналоговых фильтров, спроектированных на элементарных звеньях аналоговой микроэлектроники, данные звенья состоят из интегратора, дифференциатора, сумматора (сложитель, вычитатель), звена масштабирования (умножитель, делитель) и звена коммутации (соединитель, разъединитель). Данный метод разрабатывался для применения при проектировании аналоговых фильтров, используемых как в обычных, так и в адаптивных фильтрах, используемых в системах связи.
В связи с тем, что элементарные звенья имеют не сложную структурно-принципиальную схему, в реальном производстве они могут быть реализованы на операционных усилителях по технологии МОП структур или технологии биполярных структур.
Основными задачами, решение которых необходимо для достижения поставленной цели, являются:
Создание теоретической базы синтеза аналоговых фильтров на предлагаемой элементной базе;
Разработка алгоритмов синтеза моделей фильтров для систем связи;
Разработка и изготовление стенда для проведения экспериментов по практической реализации аналоговых фильтров на базе ПЛИС;
Синтез опытных образцов аналоговых фильтров в системе САПР Altera MAX+PLUSII;
Изготовление образцов аналоговых фильтров на основе ПЛИС ALTERA FPF10K20TC144 для дальнейшего их использования их в опытных системах связи;
Проведение эксперимента, с целью проверки и подтверждения основных положений разработанной теории аналоговых фильтров на новой элементной базе;
Обработка результатов эксперимента и обоснование выводов о практическом значении данного метода для микроэлектроники;
Внедрение в производство и получение заключения о научной и практической эффективности данной работы.
Методы исследования
Для решения поставленных выше задач в качестве методов исследования использовались:
основные положения теории систем дифференциальных уравнений;
метод структурных матриц;
основные положения теории САУ;
численные методы решения систем линейных дифференциальных уравнений;
машинные методы анализа, синтеза, моделирования и верификации электронных схем;
методы программирования на языке описания логических устройств VHDL;
анализ и статистическая обработка полученных экспериментальных результатов.
Научная новизна
При решении задач, поставленных в диссертационной работе, получены следующие новые научные результаты:
создана теоретическая база синтеза аналоговых фильтров на предлагаемой элементной базе;
разработан алгоритм синтеза математической модели фильтров по априорно заданным параметрам;
разработан алгоритм синтеза структуры фильтра по заданной математической модели;
обоснована необходимость использования при разработке математических моделей элементарных звеньев языка описания и программирования логических схем VHDL;
разработаны программные описания моделей элементарных звеньев микроэлектроники на языке VHDL;
доказана возможность изготовления опытных образцов фильтров в среде системы САПР Altera MAX+PLUS II на основе ПЛИС аналогичных фильтрам, полученным в среде традиционной элементной базы;
подтверждены основные утверждения теории аналоговых фильтров на новой элементной базе об их аналогичности соответствующим фильтрам традиционной базы;
подтверждена гипотеза перспективности предложенного метода синтеза фильтров по отношению к существующим процедурам проектирования фильтров.
Практическое использование новых научных результатов, полученных в работе, позволит расширить номенклатуру и улучшить качественные показатели фильтров, встраиваемых в МАБИС и ПАИС.
Личный вклад. Все основные теоретические и практические исследования, расчеты, выводы и рекомендации, изложенные в диссертации, получены автором лично.
Практическая ценность работы состоит в том, что предложенный подход и разработанная методика синтеза аналоговых фильтров, состоящая из двух вполне самостоятельных, но взаимосвязанных процедур позволяют в сжатые сроки, эффективно, гибко и с приемлемой точностью реализовать разработку конструкции аналоговых фильтров, рассчитанных на реализацию в новой элементной базе применительно к МАБИС и ПАИС.
Реализация и внедрение результатов работы. Предложенные в диссертационной работе методика синтеза аналоговых фильтров, программное, аппаратное и методическое обеспечение используются в промышленности на ФГУП «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов» (г. Пенза), в учебном процессе и при выполнении научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики (РТУиС МИЭМ). Материалы теоретических и экспериментальных исследований используются при изучении курса «Проектирование логических систем» на кафедре РТУиС МИЭМ.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (г. Москва, МИЭМ, 2007 г., 2008 г., 2009 г.), а также на научно-исследовательских семинарах кафедры «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» МИЭМ с 2006 по 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных работ (из них 1 статья в журнале включенный в список ВАК) и одно учебное пособие.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка использованной литературы.
