Компьютерное моделирование автогенераторов в пакете ADVANCED DESIGN SYSTEM

Современные подходы к разработке интегральных схем подразумевают обязательное использование средств автоматизации проектирования. Данная работа ориентирована на применение САПР ADS при моделировании автогенераторов, используемых в системах связи. Представлены результаты моделирования генератора LC-типа. 

Введение

Актуальность применения компьютерного моделирования различных электронных устройств определяется сложностью, трудоёмкостью исследования в лабораторных условиях спектральных, частотных характеристик сигналов. САПР Advanced Design System  (ADS) фирмы Agilent Technologies является признанным мировым лидером среди САПР телекоммуникационных систем и устройств [1]. Она позволяет автоматизировать большинство проектных операций при моделировании как отдельных блоков, так и всей системы в целом. Данная работа посвящена схемотехническому моделированию генераторов колебаний LC типа на биполярном транзисторе в системе ADS. Такие генераторы в автономном режиме способны генерировать хаотические колебания, а они являются важнейшей частью системы передачи информации на основе динамического хаоса [2]. Явление динамического хаоса широко используется в современной радиоэлектронике для эффективной передачи сигналов, защиты информации и т.д. Он обладает рядом свойств, которые могут быть полезны при передаче и обработке информации. Например, хаотические  сигналы обладают большой информационной емкостью и позволяют использовать различные методы ввода информационного сигнала в хаотический. Также есть возможность управлять хаотическими режимами путём малых изменений параметров   системы,   увеличить   скорость   модуляции   по   отношению  к модуляции регулярных сигналов за счет чувствительности хаотической системы к внешним возмущениям.

Для обеспечения эффективной работы системы связи генератор на основе динамического хаоса должен обладать определенными характеристиками. Например, генерируемый сигнал должен иметь равномерный спектр мощности в нужной полосе частот. Поэтому основной задачей данной работы явилось исследование спектральных характеристик сигналов.

Использование динамического хаоса в системах передачи информации

Динамический или детерминированный хаос, представляет собой непериодические колебания в нелинейных детерминированных системах, показывающих высокую чувствительность к начальным условиям [2].Также динамический хаос обладает многими свойствами случайных процессов– сплошной спектр мощности (это свойство может быть использовано для различения хаотической динамики от многопериодического движения), экспоненциальный спад корреляционной функции, непредсказуемость на больших интервалах.

Причины, определяющие привлекательность хаоса для передачи информации таковы:

  1. Возможность получения сложных колебаний посредством простых моделей и, соответственно, устройств.
  2. Возможность реализации большого количества моделей хаотической динамики в одном устройстве (основана на высокой чувствительности к начальным условиям).
  3. Возможность управления хаотическими режимами посредством малых управляющих воздействий.
  4. Высокая информационная емкость.
  5. Большое число возможных методов модуляции. Для регулярного сигнала - три вида модуляции (амплитуда, частота, фаза), а для хаотического – модуляция параметров, нелинейное подмешивание информационного сигнала к хаотическому, коррекция траекторий хаотической системы малыми возмущениями, использование тонкой структуры аттрактора.
  6. Возможность увеличения скорости модуляции по сравнению со скоростью модуляции регулярных сигналов.
  7. Возможность самосинхронизации передатчика и приемника.
  8. Возможность разработки и использования нетрадиционных методов мультиплексирования.
  9. Возможность повышения степени конфиденциальности связи.

Также имеются некоторые методы обеспечения секретности связи: хаотическая маскировка; переключение хаотических режимов; нелинейное подмешивание; использование фазовой автоподстройки частоты; инверсные схемы и др.     

Как было сказано выше, хаотические сигналы обладают большой информационной емкостью и позволяют использовать различные методы ввода информационного сигнала в хаотический; повысить уровень конфиденциальности при передаче сообщений. Также в системах связи на хаотических сигналах можно реализовать нетрадиционные методы мультиплексирования и демультиплексирования.

Принципиальная схема автогенератора LC типа LC генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соединенных либо параллельно, либо последовательно, параметры контура определяют частоту колебаний.

На рисунке 1 приведена принципиальная схема рассматриваемого генератора. Данный генератор на основе индуктивной трёх точки (или схема Хартли) является электронным LC - генератором, в котором положительная обратная связь берётся через отвод от части катушки индуктивности параллельного LKCK колебательного контура [3]. Колебательный контур служит нагрузкой. VT транзистор соединен по схеме с общим эмиттером. Сопротивления RБ1 и RБ2 обеспечивают выбор рабочей точки транзистора по постоянному току.

 Принципиальная схема автогенератора LC типа

Рисунок 1 – Принципиальная схема автогенератора LC типа 

Сборка схемы генератора в системе ADS

Ранее нами была рассмотрена модель генератора с биполярным транзистором ch_nec фирмы NEC [4]. Здесь мы в качестве усилителя взяли BJT PNP биполярный транзистор, соединенный по схеме с общим эмиттером (рисунок 2). Параллельный колебательный контур L1C3 является нагрузкой транзистора.

 Схема автогенератора, собранная в среде ADS

Рисунок 2 – Схема автогенератора, собранная в среде ADS 

Катушка индуктивности L1 рассматривается как обратная связь с помощью которой подается сигнал к базе транзистора. Резисторы R1 и R2 есть делитель напряжения. Резистор R3 является температурной стабилизацией транзистора.

В таблице 1 приведены значения элементов схемы

Таблица 1 - Характеристики элементов

  Характеристики элементов

Результаты моделирования

На рисунке 3 приведен график зависимости выходного напряжения vout от входного VE, показывающий характер колебаний, при напряжении на эмиттере 1В. Данный режим характеризуется отсутствием колебаний.

Колебания можно получить при напряжении выше 1В. Хаотические колебания получены были при напряжении 1,68 В. Ниже на рисунках 4 и 5 приведены фрагмент временной реализации в системе и спектр мощности.

 Зависимость напряжения на коллекторе от напряжения на эмиттере

Рисунок 3 – Зависимость напряжения на коллекторе от напряжения на эмиттере

 Временная реализация

Рисунок 4 – Временная реализация

 Спектр мощности

Рисунок 5 – Спектр мощности

Спектр мощности получается достаточно равномерным, т.е. без сильных всплесков. Данный режим нам и требовалось получить.

 

Заключение

Для успешной разработки генераторов хаоса с заданным спектром необходимо понять, как происходит формирование спектра мощности сигнала в генераторе, какими параметрами системы определяется форма спектра и какие условия должны выполняться, для того, чтобы сигнал на выходе генератора имел спектр мощности максимально приближенный к желаемой форме. Исследования, проведённые в ADS показали возможность разработки генераторов колебаний с желаемым спектром мощности.

Работы выполнена по гранту КН МОН РК № 1509/ГФ3.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

  1. [1] EM Simulation Advanced Design System 2011. – Santa  Clara, USA, 2011. – 162 p.; http: //www.home.agilent.com/en/pc-1297113/advanced-design- system-ads?cc=US&lc=eng
  2. [2] Бельский Ю.Л., Дмитриев А.С. Передача информации с помощью детерминированного хаоса // Радиотехника и электроника. – 1993. - №  38(7).– Р.1310-1315.
  3. [3] Губанов Д., Дмитриев А., Панас А., Старков С., Стешенко В. Генераторы хаоса в интегральном исполнении // Chipnews. Новости о микросхемах. – 1999. – № 8. – С.9-14.
  4. [4] Иманбаева А.К., Каирмагамбетова А.К., Алманова Н.Б., Тресова А.Ж. Компьютерное моделирование генератора СВЧ в системе ADS // ΙΙΙ Международная научная конференция «Современные проблемы физики конденсированного состояния, нанотехнологий и наноматериалов» (Сарсембиновские чтения). – Алматы, 2014. - C.138-139.
Фамилия автора: А.К. Иманбаева, А.А. Темирбаев, Р.Н. Сыздыкова, А.К. Каирмагамбетова
Год: 2015
Город: Алматы
Яндекс.Метрика