Проблемы и тенденции в развитии системотехники
Реферат
Проблемы и тенденции в развитии системотехники
Непрерывно увеличивающиеся потребности общества предъявляют новые более сложные требования к радиоэлектронным системам и соответственно к их элементной базе и методам проектирования. Совершенствование элементной базы и методов проектирования радиосистем расширяет их возможности, а следовательно, и области применения. Расширение областей применения радиосистем, в свою очередь, предъявляет к ним новые повышенные требования, т. е. имеет место положительная обратная связь, приводящая к бурному развитию радиоэлектроники. Наиболее яркой иллюстрацией этой общей закономерности является развитие космической радиоэлектроники.
Успех России в этой области стал возможным лишь благодаря достигнутому к тому времени достаточно высокому уровню развития ряда областей науки и техники, и в первую очередь реактивной техники и радиоэлектроники. При этом в первые годы народнохозяйственное значение зарождающейся космической техники было далеко не очевидным. Многим казалось, что вкладываемым в нее огромные средства еще очень не скоро окупятся. Следовательно, основной причиной возникновения космической техники явились не непосредственные потребности человеческого общества, а внутренние закономерности развития науки и техники вообще и радиоэлектроники в частности. Однако дальнейшее развитие космической техники в целом и ее ведущей отрасли - космической радиоэлектроники - привело к тому, что уже сегодня космические аппараты находят весьма широкое применение в народном хозяйстве. Они применяются для телевизионного вещания, связи, навигации, метеорологии, разведки природных ресурсов и других важных целей. Уже в настоящее время человечеству в целом и каждому человеку в отдельности был нанесен весьма ощутимый ущерб, если бы по каким-либо причинам они оказались лишенными возможности использовать ИСЗ (искусственные спутники Земли), а через 10- 20 лет «ликвидация» всех космических аппаратов нанесла бы человечеству не только ощутимый, но и совершенно недопустимый урон.
Действительно, с каждым годом количество извлекаемой и передаваемой информации резко возрастает. При этом большую часть информации можно или целесообразно извлекать, или передавать, используя лишь источники и ретрансляторы радиосигналов, расположенные на ИСЗ. Поэтому ликвидация ИСЗ нанесла бы транспортировке информации такой же огромный ущерб, какой нанесла бы для транспортировки людей и грузов ликвидация одного из основных видов транспорта, например воздушного. Кроме того, возможно, что уже в ближайшие десятилетия космические аппараты окажутся совершенно необходимыми человечеству и для ряда других важнейших целей - глобального контроля за разоружением, получения из космоса энергии и дефицитных материалов и т. д.
Таким образом, уже в настоящее время самые насущные потребности человечества диктуют необходимость быстрейшего развития космической радиоэлектроники и предъявляют новые более жесткие требования к показателям качества радиосистем.
С учетом изложенного можно наметить две группы основных взаимосвязанных тенденций и проблем развития радиоэлекторники:
. Тенденции, связанные с расширением и усложнением задач, решаемых в радиолектронике:
-расширение областей применения и выполняемых функций;
повышение требований к показателям качества;
усложнение радиоэлектронной аппаратуры (РЭА);
увеличение разнообразия РЭА;
2. Тенденции и проблемы, связанные с необходимостью решения указанных в п. 1 задач:
освоение новых диапазонов электромагнитных и акустических волн;
развитие элементной базы;
внедрение цифровых методов обработки информации;
создание комбинированных и комплексированных одно- и многофункциональных систем;
усиление взаимодействия с другими областями науки и техники;
развитие системного подхода к проектированию радиоэлектронных систем (PC);
автоматизация проектирования PC;
За последнее время появились новые и существенно расширились старые области применения радиоэлектроники: локация, управление, телеметрия, астрономия, интроскопия, промышленность, медицина, разведка природных ресурсов. Возникли космические радиосвязь, радиовещание, телевидение и радионавигация. Радиолокация начала широко применяться в мирных целях - для навигации, метеорологии, разведки природных ресурсов, астрономии и других целей.
В связи с расширением областей применения радиосистем и усложнением выполняемых ими функций непрерывно повышаются требования к показателям качества, в первую очередь показателям точности, помехоустойчивости, надежности, пропускной способности, электромагнитной и экологической совместимости, массе, объему и стоимости. Повышение требований к некоторым из показателей качества вызвано также тем, что при общем бурном техническом прогрессе становятся более жесткими существующие ограничения, задаваемые при проектировании радиосистем, и появляются новые ограничения. В первую очередь, это сказывается на повышении требований к электромагнитной и экологической совместимости и стоимости радиосистем.
Расширение областей применения радиоэлектронных систем (PC), усложнение выполняемых ими функций и повышение предъявляемых к ним требований приводит к появлению все более сложных, в том числе комбинированных и комплексированных многофункциональных PC, содержащих десятки - сотни и более радиолиний, тысячи - десятки тысяч и более БИС, миллионы - десятки миллионов и более активных и пассивных элементов. По мере развития радиоэлектроники такая тенденция сохранится и усилится: будут создаваться PC, приближающиеся по сложности к живым организмам, к человеку. Это объясняется наличием глобальной тенденции научно-технической революции - стремлением переложить на машины не только физическую, но и значительную часть умственной деятельности.
Наряду с появлением более сложных PC сохраняется необходимость производства все возрастающего числа более простых PC, выполняющих сравнительно несложные функции. Это приводит к увеличению разнообразия PC по всем их параметрам, в том числе повеем показателям качества. Большое разнообразие уже существующих PC можно иллюстрировать следующими цифрами:
Число активных и пассивных элементов в одной PC - от нескольких десятков до 106 и более.
Число ежегодно выпускаемых в стране PC одного типа - от 1 до 106 и более.
Стоимость одной PC - от нескольких рублей до 106 руб. и более.
Масса - от нескольких граммов до 106 г и более.
Рабочая частота - от единиц герц до 1013 Гц и более.
Пропускная способность - от нескольких бит в секунду до 109 бит/с и более.
Средняя мощность радиопередающего устройства - от 10-3 до 106 Вт и более.
Минимальная принимаемая средняя мощность сигнала - от 10-22 до единиц ватт и более.
Как видно, по основным показателям PC уже в настоящее время различаются более чем в 106 раз, а по некоторым - в 1022 раз и более. (Чтобы представить степень этого различия достаточно вспомнить, что размер атома отличается от диаметра земного шара «всего» в 1017 раз.) И, как уже отмечалось, тенденция такова, что с каждым годом разнообразие PC все возрастает.
Рассматриваемые в данном подразделе тенденции и проблемы, с одной стороны, связаны с необходимостью решения новых более сложных задач в области радиоэлектроники, а с другой - вызваны внутренними закономерностями развития радиоэлектроники.
Первой из таких тенденций и проблем является освоение новых диапазонов электромагнитных и акустических волн. Несмотря на достигнутый большой прогресс, многие участки огромного диапазона электромагнитных волн освоены еще далеко не полностью. Это относится в первую очередь к диапазонам миллиметровых и децимиллиметровых волн и большей части диапазона оптического излучения. Отставание в освоений этих диапазонов вызвано, во-первых, сильным затуханием волн указанных диапазонов при их распространении в открытой атмосфере и, во-вторых, отсутствием соответствующей элементной базы.
В настоящее время в связи с бурным развитием космической радиоэлектроники возросло значение космических радиолиний, в которых вся или большая часть среды распространения лишена атмосферы. Стала возможной канализация электромагнитной энергии с помощью волноводов и световодов. Начали успешно применяться комбинированные PC, в которых различные участки трассы распространения энергии преодолеваются с помощью радиосредств, работающих в различных диапазонах волн. Все это привело к тому, что сильное затухание электромагнитных волн в атмосфере уже не является непреодолимым препятствием к их использованию в PC.
К тому же указанным диапазонам радиоволн свойственны отмеченные выше большие преимущества. Поэтому в последние годы интерес к освоению миллиметрового, децимиллиметрового и оптического диапазонов волн резко возрос и тенденция ускоренного их освоения будет сохраняться.
Широкому применению в информационных целях рентгеновского и гамма-излучений значительно препятствует, кроме прочих факторов, их опасное влияние на человека и живые организмы. Однако для некоторых космических применений это обстоятельство не является существенным. Поэтому естественным следствием ускоренного развития космической радиоэлектроники является интенсивное освоение всех участков диапазона электромагнитных волн, включая рентгеновский и гамма-диапазоны.
Очень важной является тенденция ускоренного освоения различных диапазонов акустических волн, вызванная в первую очередь ростом потребности человечества в средствах извлечения и передачи информации в самых разнообразных средах. Известно, что электромагнитные волны во многих средах (например, в жидкостях, металлах и живых организмах) практически не распространяются, а акустические колебания распространяются достаточно хорошо. Поэтому развитие акустоэлектронных систем имеет важнейшее значение, в первую очередь для освоения мирового океана, для медицины и интроскопии.
Основной недостаток акустоэлектронных систем (относительно малая скорость распространения акустических волн) для одних применений не столь существен, а для других преодолевается созданием комбинированных систем - радиоакустоэлектронных. Поэтому тенденция ускоренного освоения всех диапазонов акустических волн сохранится и в будущем.
Рассмотрим, например, один из важнейших показателей качества - пропускную способность радиосистемы. Для ее повышения требуется расширить полосу пропускания частот f системы и, как следствие, увеличить центральную (рабочую) частоту f0 спектра радиосигнала. Необходимость повышения частоты f0 требует использования диапазонов миллиметровых и децимиллиметровых волн и даже оптического или более коротковолнового излучения. Для увеличения полосы f необходимо соответствующее увеличение широкополосносности (быстродействия) всех или почти всех элементов радиолиний, т. е. активных и пассивных элементов, интегральных микросхем и функциональных компонентов. Поэтому одной из важнейших тенденций и проблем электронной техники является увеличение широкополосности (быстродействия) электронных элементов, приборов и изделий. Именно недостаточная широкополосность ограничивает пока области применения многих опто- и акустоэлектронных приборов, в частности таких перспективных, как оптические модуляторы и демодуляторы, приборы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), ПЗС и др. Некоторые электронные приборы (например, основанные на эффекте Джозефсона) обладают очень большим быстродействием, но их широкому применению пока препятствуют недостаточно хорошие значения других важных показателей качества (надежности, стоимости).
Наиболее глобальной тенденцией и проблемой в развитии электронной техники (маломощной) является сочетание все большей интеграции функций, выполняемых данным электронным прибором или изделием, со все большей его микроминиатюризацией. Такое сочетание позволяет улучшить одновременно несколько важных показателей качества (включая надежность, массу, габариты, стоимость и потребляемую мощность) без существенного ухудшения остальных.
Сочетание интеграции функций с микроминиатюризацией достигается в последние годы двумя путями: интегрированием большого числа идентичных элементов, каждый из которых выполняет элементарные функции, и интегрированием, большого числа функций, выполняемых одним микрокомпонентом. Первое направление реализуется в основном на базе применения цифровых, аналоговых и аналого-цифровых интегральных микросхем, а второе - на базе функциональных компонентов. Наряду с этим находят применение и комбинированные электронные изделия, сочетающие цифровые и аналоговые элементы, микросхемы и функциональные компоненты. По-видимому, в дальнейшем эта тенденция будет сохраняться и даже усиливаться.
Развитие элементной базы идет двумя основными путями: совершенствованием приборов, действующих на «старых» физических принципах, путем совершенствования технологии производства данного электронного прибора (изделия) и схемотехнических принципов, положенных в основу его действия, и созданием приборов с использованием новых (для электронной техники или даже для физики) физических явлений. В последние годы отмечались большие успехи в обоих указанных направлениях - значительно улучшились показатели всех известных видов приборов и появился ряд приборов, основанных на использовании новых физических явлений. Несомненно, что эта тенденция сохранится и в дальнейшем.
Следующая тенденция развития радиоэлектроники состоит во все большем внедрении в радиосистемы цифровых методов обработки информации. В системах извлечения информации вся обработка информации сосредоточена в радиоприемном устройстве и решает в общем случае следующие задачи: разделение сообщений, соответствующих различным каналам; разрешение полезных сигналов от смежных мешающих сигналов; селекция воспроизводимых сообщений из смеси их с помехами; совместная обработка информации, поступившей от различных радиоэлектронных средств (например, сопоставление информации, получаемой от радиолокационной и тепловой головок самонаведения); преобразование информации к виду, необходимому для нормальной работы выходного устройства (например, приведение к базовой системе координат, дифференцирование или интегрирование, преобразование из аналогового вида в цифровой, экстраполяция и т. д.). В системах передачи информации обработка информации может; производиться также в радиопередающем устройстве с целью запоминания информации, ее сжатия, введения необходимой избыточности и преобразования темпа поступления в радиоканал (для согласования с пропускной способностью этого канала). В многоканальных системах должно, кроме того, производиться уплотнение каналов.
Из изложенного следует, что в системах как передачи, так и извлечения информации на устройства обработки возлагаются весьма сложные и ответственные задачи, которые по мере развития радиоэлектроники все более усложняются. Особенно сложны они в системах радиоуправления, так как при этом часто необходимы сопоставления и совместная обработка информации, поступающей не только от совокупности большого числа радиолиний и радиоканалов, но и от ряда других (т. е. нерадиоэлектронных) источников информации (например, от инерциальных и гироскопических датчиков, астроинерциальных приборов и т. п.).
При этом в устройства обработки информации все больше внедряется цифровая техника. Это обусловлено следующими основными преимуществами цифровой обработки по сравнению с аналоговой:
возможностью получения значительно большей точности и надежности обработки;
возможностью накопления информации за очень большие промежутки времени;
возможностью проведения сложных преобразований с помощью стандартных элементов и узлов электронно-вычислительных устройств;
удобством сопряжения с потребителем информации, если таковыми является универсальная или специализированная цифровая ЭВМ;
возможностью гибкой оперативной перестройки алгоритмов преобразования информации;
удобством микроминиатюризации логических элементов;
высокой степенью совпадения характеристик реализованных устройств с расчетными характеристиками;
большими возможностями автоматизации проектирования устройств обработки информации.
Более широкое применение цифровой техники требует, в первую очередь, совершенствования преобразователей аналог-цифра и цифра-аналог. Следует также иметь в виду, что спектр сообщений в результате их преобразования из аналоговой формы в цифровую существенно расширяется, что требует использования менее инерционных устройств обработки. Математический анализ и синтез систем управления, содержащих цифровые устройства, нередко оказывается более сложным. Кроме того, нужно учитывать, что начавшееся в последние годы интенсивное развитие функциональной микроэлектроники может существенно повысить эффективность аналоговых и аналого-цифровых, методов обработки информации. Поэтому в радиосистемах будущего найдут применение все виды обработки информации: цифровая, аналоговая и аналого-цифровая.
По мере развития радиоэлектроники возникает все больше задач, которые могут быть успешно решены лишь путем создания комбинированных и комплексированных однофункциональных и многофункциональных (совмещенных) систем. Количество применяемых вариантов комбинирования, комплексирования и совмещения функций различных радиоэлектронных средств между собой и с техническими средствами других видов возрастает настолько быстро, что уже в настоящее время их затруднительно даже просто перечислить. Поскольку развитие науки и техники приводит к появлению все более сложных задач, указанная тенденция сохранится и в будущем.
Усложнение радиосистем и улучшение показателей их качества требует системного подхода к их проектированию - учета большого числа взаимосвязанных факторов и создания не только допустимых, но и оптимальных систем. Отсюда вытекают необходимость автоматизации проектирования радиосистем на всех уровнях, начиная от конструкторско-технологического и кончая системотехническим, а также повышение требований к квалификации радиоинженеров, создающих и эксплуатирующих радиоэлектронные устройства и системы.
Современный радиоинженер должен обладать глубокими знаниями в области математики, физики и в своей узкой профессиональной области, быть эрудированным в радиоэлектронике в наиболее широком ее понимании. Он должен умело сочетать теоретические методы исследования с экспериментальными, работу на ЭВМ с личным творчеством; уметь взаимодействовать не только с ЭВМ, но и со своими коллегами по собственной и смежным специальностям. Если раньше любой творческий радиоинженер должен был сочетать качества ученого и инженера, то теперь он должен сочетать качества ученого, инженера и организатора. Не удивительно поэтому, что если в начале XX в. наибольший вклад в развитие технических систем вносили талантливые ученые-инженеры А. С. Попов, К. Э. Циолковский и др., то во второй половине этого века наибольший вклад внесли выдающиеся ученые-инженеры-организаторы: И. В. Курчатов (атомная энергетика), С. П. Королев (ракетно-космическая техника), В. А. Котельников, А. И. Берг, А. Л. Минц (радиоэлектроника) и др.
Радиоинженер должен уметь быстро и целенаправленно пополнять свои знания. Разработка и создание эффективной системы пополнения знаний радиоинженеров является одной из самых главных и сложных проблем, выдвигаемых развитием радиоэлектроники. Большинство элементов этой системы в настоящее время уже имеется: печатная, телевизионная и другая информация, курсы и факультеты повышения квалификации и переквалификации, конференции, семинары, лекции и т. д. Однако система еще далека от оптимальной как по содержанию элементов, так и по принципу организации.
радиоэлектроника преобразователь элементный
1.Аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ Б.П.Кудряшов и др. - М.: Радио и связь, 2011. - 160с.: ил.
.Панин Н.П. Переменные аттенюаторы и их применение. - М.: Энергия, 2007. - 40с.: ил.
.Игнатов А.Н. Микроэлектронные устройства связи и радиовещания. - Томск: Радио и связь, Томское отделение, 2010. - 400с.: ил.
.Основы радиоэлектроники: Учебное пособие/ Ю.И. Волощенко и др.; Под ред. Г.Д. Петрухина. - М.: Изд-во МАИ, 2003. - 416с.: ил.
.Игумнов Д.В., Костюнина Г.П. Полупроводниковые устройства непрерывного действия. - М.: Радио и связь, 2010. - 256с.: ил.
. Жаркой А.Г. Расчет нелинейных искажений гармонических сигналов в транзисторных усилителях: Методические указания для студентов специальностей 200700, 201600. - Томск, ТИАСУР, 2007. - 54с.: ил.
.Проектирование усилительных устройств: Учеб. пособие/ Ефимов В.В. и др.; под ред. Н.В. Терпугова. - М.: Высш. шк., 1982. - 190с.: ил.
.Гехер К. Теория чувствительности и допусков электронных цепей: Пер. с англ. - М.: Сов. радио, 1973. - 200с.: ил.