Основные типы задач в радиотехнике

Несмотря на большое разнообразие задач, решаемых в рамках дисциплин, объединяемых понятием «радиотехника», формально их можно свести к пяти основным типам:

· моделированию;

· расчету;

· анализу;

· оптимизации;

· синтезу.

Рассмотрим содержание перечисленных задач.

Моделированиена нижних уровнях представленной выше «пирамиды», включающих полупроводниковые приборы, звенья, каскады сводится к описанию их работы с помощью формулы, уравнения, матрицы, графика или таблицы.

Требования к такой математической модели:

· должна с требуемой точностью отражать физические процессы в исследуемом объекте;

· должна быть пригодной для использования в компьютере.

Пример. Есть усилительный тракт – нелинейная динамическая система. Входной сигнал – многочастотный. Определить спектр на выходе. Необходимо знание амплитудной и фазочастотной характеристик в одночастотном режиме работы. Совокупность этих характеристик в виде степенного ряда или в табличной форме и есть модель объекта.

Расчет. Он заключается в определении параметров или характеристик звена, каскада, группы каскадов или всего устройства с использованием их математических моделей.

Составляется алгоритм, позволяющий найти отклик объекта при его неизменной структуре и фиксированных внутренних параметрах на внешние воздействия.

(Пример: расчет АЧХ и ФЧХ фильтров при их известной структуре и параметрах).

Анализ. Анализ заключается:

· в определении отклика объекта на изменение его внутренних параметров или внешнего воздействия;

· в исследовании переходного процесса и установившегося режима работы;

· в исследовании условий устойчивости;

· в исследовании прохождения сложных сигналов;

· в исследовании помехоустойчивости.

Возможны следующие виды анализа:

· в частотной области с помощью АЧХ и ФЧХ;

· во временной области с помощью переходной или импульсной характеристик (при первой U_вх – единичная функция, вторая U_вх – единичный импульс);

· электрической устойчивости (либо самостоятельно или в рамках двух первых видов анализа);

· допусковый, устанавливающий зависимость выходных параметров схемы от изменения параметров ее элементов (при детерминированном характере допусковый анализ называется чувствительностью, при случайном характере – статистическим);

· температурный – устанавливающий зависимость выходных параметров схемы от изменения температуры окружающей среды.

При первых двух видах (т.е. в частотной и временной областях) анализа электронных схем возможны два метода:

Первый – основан на использовании некоторого обобщенного параметра (например, для линейных схем передаточная функция, полученная в результате преобразования Лапласа).

Такой путь позволяет найти временные и частотные характеристики объекта для линейных схем с помощью операционного метода или интеграла Фурье, а для нелинейных – путем решения дифференциального уравнения или гармонической линеаризации. Роль компьютера сводится к проведению трудоемких рутинных расчетов с помощью универсального математического пакета программ «MathCAD» или иной специализированной программы.

По результатам расчета на экран дисплея выводятся таблицы и графики. Однако по мере возрастания сложности схем реализация такого пути становится весьма затруднительной из-за большой трудоемкости (составление уравнений, схемы и их решения).

Второй путь более продуктивен при сложной схеме (много элементов и соединений). Он основан на использовании матрично-топологических методов анализа электронных схем с помощью теории графов и матричной алгебры.

Наиболее распространены из них методы узловых потенциалов, контурных токов и переменных состояния, положенные в основу универсальных программ анализа электронных схем. Например, «Electronics Workbench» (Электроникс Воркбенч) – позволяет с помощью графического интерфейса воспроизвести на экране дисплея электронную схему и подвергнуть ее всестороннему анализу.

Оптимизация. Она состоит в определении такой оптимальной комбинации значений внутренних параметров устройства, при которой одна или несколько внешних характеристик или параметров объекта имеют наилучшее значение согласно выбранному критерию.

При этом составляется функция цели, в концентрированной форме отражающая конечный смысл решаемой задачи: поиск оптимальной характеристики объекта с учетом определенных ограничений.

Поиск глобального минимума или максимума функции цели, в зависимости от характера решаемой задачи, осуществляется несколькими методами, составляющими предмет нелинейного программирования.

Реализация этого пути, требующая огромного объема вычислений, возможна только с применением компьютера.

Синтез. Состоит в определении структуры проектируемого объекта и значений параметров его элементов, при которых устройства наилучшим образом согласно выбранному критерию отвечает необходимым требованиям (оптимизация – частный случай синтеза).

Оптимизация – это параметрический синтез (перебор подходящих структур объекта).