Hybride Simulation nachrichtentechnischer Systemepublications.eas.iis.fraunhofer.de/papers/1998/009/slides.pdf · IIS Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen Hybride Simulation

IIS

FraunhoferInstitut

Integrierte Schaltungen

Hybride Simulation nachrichtentechnischer Systeme

P. Schwarz, C. Clauß, K. Einwich, U. Knöchel, K. Matz1)

Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) ErlangenAußenstelle EAS Dresden Zeunerstraße 38, D-01069 Dresden, email: schwarz, clauss, karsten, [email protected]: http://www.eas.iis.fhg.de/

1) jetzt:Robert Bosch GmbH Postfach 300220, D-70442 Stuttgart email: [email protected]

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Motivation

COSSAP

Möglichkeiten hybrider Simulation

• Explizite Darstellung

• Äquidistante numerische Integration

• Einbeziehung eines Lösungstools

Verwendung symbolischer Analyse

Zusammenfassung

Gliederung

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Nachrichtenfluß, Kapazitätsermittlung, NetzplanungStörungen, Wirksamkeit von Fehlerkorrekturmaß-nahmenProtokollverifikation (Verklemmungsfreiheit)

logisch-arithmetische Verarbeitung,Befehlssatz-Verifikation,digitale Signalverarbeitung (Filtercharakteristik)statisches und dynamisches Verhalten

Frequenzgang, Rauschen, dynamisches Verhalten (Strom-/ Spannungsverlauf),Leitungsberechnung, thermische Belastung,Impulsformung, Übersprechen

System

Logik

Elektrik

Beispiele für Modellklassen

BedienungstheorieInformationstheorieSteuerung (Petri-Netze)

Steuer-/ DatenflußAutomatRegister-TransferGatterschaltungSchalterlogik

lineares Netzwerknichtlineares Netzwerk(mit konzentrierten Elemen-ten)Leitung

ModellierungsaspektBerechnungsaufgabe(Simulation, Analyse, Modellierung)

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Algorithmen und Blockschaltbilder für analoge und digitale Signalverarbeitung:Modulatoren/ Demodulatoren, Kodierung, idealeFilter, Übertragungskanäle, DSP-Programme,...

Elemente und detailiert modellierte Blöcke für digitale Signalverarbeitung und Steuerung.Modellierung auf Gatter- und Register-Transfer-Ebene (VHDL)

Elemente und detailliert modellierte Blöcke für ana-loge Signalverarbeitung:Verstärker, verlustbehaftete Leitungen, Transistoren, RLC-Filter, aktive RC-Filter,...

Systemebene

Logikebene -digitale Schaltungen

Elektrikebene - analoge Schaltungen

Modellklassen und Simulatoren - Beispiele

MathCad, Matlab, COSSAP,SPW, TESLA

Leapfrog, VSS,Verilog, LSIM,ViewSim

Saber, ELDO,Spice, QuickSimSpectre

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• Systeme der Nachrichtentechnik bestehen aus analogen und digitalen Komponenten

• digitale Funktionalität überwiegt und nimmt zu

LO

De-mod. Sync. FEC

dec.Demux.

SourceDecod.

Digitale Komponenten

Analoge Komponenten

OutputWand-ler

Struktur von Systemen der Nachrichtentechnik

10%

90%

analog digital

analog digital

30%70%

Transistor Count

Design Time

Quelle: Cadence

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• Verifikation des algorithmischen Designs mit Systemsimulatoren (COSSAP, SPW ...)

• digitale Systemkomponenten sind gut modellierbar,bittrue ist möglich

• analoge Komponenten können nur ungenau abgebildet werden (zeitdiskret)

Abhilfe:

• Kopplung von Systemsimulator und Analogsimulator• Modelle aus dem analogen Schaltungsentwurf können

verwendet werden• Aber: Performance der Gesamtsystemsimulation wird

gemindert• hohe Kosten für Software (Analogsimulator erforderlich)

System Simulator

System Simulator

Analog Simulator

Simulation nachrichtentechnischer Systeme

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IIS

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Lösungsvariante:

Einbindung analoger Simulationsverfahren in einen Systemsimulator

• analoge Verhaltenssimulation von Teilkomponenten

• kein separater Analogsimulator erforderlich

Anwendungsgebiet:

Gesamtsystemsimulation von Systemen mit hohem Digital- und geringem Analoganteil

Analog Solver

System Simulator

Simulation hybrider Systeme durch Toolintegration

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Motivation

COSSAP






Zusammenfassung

Gliederung

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• umfangreiche ModellbibliothekenSchwerpunkt: digitale Signalverarbeitung in Telekommunikationssystemen (z.B. für GSM, DECT,...)

• Datenstromgetriebene Simulation, zeitdiskret

• keine Zeitachse, Zeit ist nur durch Wertabfolge und Abtastrate eines Signals festgelegt

• Modelle werden nacheinander abgearbeitet, Aufruf-reihenfolge wird durch einen Scheduler bestimmt.

• C- und Fortran-Schnittstelle zur Einbindung anwender-spezifischer Modelle

COSSAP - Schematic(Beispiel)

BUTF

DMPNR

VCO

SIN_GEN_TBL1

COSSAP (Synopsys) Simulations- und Entwicklungsumgebung

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„diskreter Datensatz“:(Werte-Folge)

„kontinuierlicher Datensatz“:(Zeit-Werte-Folge)

COSSAP: beliebige Formate

zeit1 wert1 zeit2 wert2 zeit3 wert3 .. wert1 wert2 wert3 ...t

f

t

fKonverterblöcke

CONT2DIS

und

DIS2CONT

Datenströme

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UserdefinedModellanalog

UserdefinedModelldiskret

COSSAPModelldiskret

COSSAPModelldiskret

C-Prozedur

void corr_i()int in,out;for(i=0;i<n;i++)........

C-Prozedur

?

in out

Ausgangspunkt

• in COSSAP existieren auschließlich zeitdiskrete Modelle

• C-Schnittstelle existiert,zum Einbinden zeit-diskreter anwender-spezifischer Modelle

Frage

• Wie ist die Einbindung analoger Modellemöglich?

Aufgabe: Einbindung analoger Modelle in COSSAP

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Motivation

COSSAP






Zusammenfassung

Gliederung

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a) Überführung des analogen Teiles in eine explizite Darstellung

b) Numerische Integration der analogen Aufgabe mit der von COSSAP vorgegebenen äquidistanten Schrittweite

c) Lösung der analogen Aufgabe durch Einbeziehung einesAlgebro-Differentialgleichungslösers

[d) Kopplung zu Analogsimulator]

Lösungsmöglichkeiten

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Aufstellung Netzwerkgleichungen

Auflösung nach den Block-Ausgangsgrößen out

Überführung in C-Beschreibung des COSSAP-Blockes(oder auch Realisierung der Funktion g durch mehrere COSSAP-Blöcke)

Netzwerk

C-Prozedur

f in out x x t, , ,,( ) 0=

out g in t,( )=

a) Explizite DarstellungPrinzip

16

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COSSAP-Blöcke

-+

-+

Strom-sensor

SUB

Strom-sensor

SUB SUB

12kΩ12kΩ

S1

600---------Ω=

S1

600---------Ω=

Itip Iring+100

------------------------------- Itip

100----------

Iring

100--------------

Itip

Iring

BGND VHIT

TIP

RING

VHINT

SUB

Controlvhintfrevfhtipfhringf

C1C2

revfhringf

htipf

vhintf

V2W

KITITITR

CONTROL

KIT

KVUTR V2W

KV2WOFFV2W

C1C2

UTR=KV2W*V2W + OFFV2W

IT = KIT * ITR

a) Explizite DarstellungBeispiel SLIC

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• bei linearen resistiven Netzen stets anwendbar

• nichtlineare resistive Netzen nicht immer auflösbar

• dynamische Netze in der Regel nicht auflösbar

• Aufstellung Netzwerkgleichungen per Hand oder mit symbolischen Verfahren

• Auflösung per Hand oder mit symbolischen Verfahren

• Einbindung in COSSAP einfach

• in der Abarbeitung sehr schnell

a) Explizite DarstellungEinschätzung

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Netzwerk

C-Prozedur

f in out x x t, , ,,( ) 0=

f ini outi xi

xi xi 1––h

---------------------- ti, , ,, 0=

outi g1 ini xi 1– ti, ,( )=xi g2 ini xi 1– ti, ,( )=

Aufstellung der Netzwerkgleichungen

äquidistante Integration mit Euler-Rückwärts-Formel( , )

Auflösung nach den Block-Ausgangsgrößen out

Überführung in C-Beschreibung des COSSAP-Blockes(oder auch Realisierung der Funktionen g durch mehrere COSSAP-Blöcke)

h ti ti 1––= xi xi xi 1––( ) h⁄=

b) Äquidistante numerische IntegrationPrinzip

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Überführung des linearen dynamischen Netzes in ein Zustandsgleichungssystem durch Analog Insydesergibt die Matrizen A, B, C, und D

Allgemeiner COSSAP-Block für lineare dynamische Systeme übernimmt Matrizen

Durchgängiger rechnergestützter Weg:Analog Insydes erzeugt C-Quelltext für COSSAP-Block

b) Äquidistante numerische IntegrationBlock für lineare dynamische Netzwerke

Netzwerk

C-Quelltext

x A x B in⋅+⋅=out C x D in⋅+⋅=

xi xi 1––h

---------------------- A xi B ini⋅+⋅=

outi C xi D ini⋅+⋅=

xi A1h--- E⋅–

1–B– ini

1h--- xi 1–⋅–⋅

⋅=

outi C xi D ini⋅+⋅=

20

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Analog Insydes / Macsyma

[[v_tr,[Tip,Ring],vtr]

[r_b1,[Tip,1],rb]

[c_b1,[1,0],cb]

[r_b2,[1,A],rb]

[r_1,[A,2],r1]

[c_2,[2,3],c2]

[r_2,[2,3],r2]

[v_in,[3,B],vin]

[rb_3,[B,4],rb]

[c_b2,[4,0],cb]

[rb_4,[4,Ring],rb]]

r1

c2r2

vin

rb rb

cb

cb

rb rb

vtr/itr

Tip

Ring

1 A

2

3

B4

0

0

iab

vab

2rb r1 r2+ +2c2r2rb c2r1r2+----------------------------------------------– 1

2cbrb cbr1+----------------------------------- 12cbrb cbr1+-----------------------------------–

12c2rb c2r2+---------------------------------- 4rb r2+

4cb rb2 2cbr1rb+ +------------------------------------------------------– 4rb r2+

4cbrb2 2cbr2r+--------------------------------------------

12c2rb c2r2+----------------------------------– 4rb r2+

4cb rb2 2cbr1rb+ +------------------------------------------------------ 4rb r2+

4cbrb2 2cbr1+------------------------------------------–

=

B

r22r2rb r1r2+---------------------------------– 0

2rb

4rb2 2r1rb+---------------------------------- 2rb r2+

4rb2 2r1rb+----------------------------------

2rb

4rb2 2r1rb+----------------------------------– 2rb r1+

4rb2 2r1rb+----------------------------------–

=

12c2rb c2r1+----------------------------------– 1

2cbrb cbr1+----------------------------------- 12cbrb cbr1+-----------------------------------–

2rb

2c2rb c2r1+---------------------------------- r12cbrb cbr1+----------------------------------- r1

2cbrb cbr1+-----------------------------------–

0 12cbrb---------------- 1

2cbrb----------------–

=

D

12rb r1+---------------------– 0

r12rb r1+---------------------– 0

0 12rb---------–

=

x· 1

x· 2

x· 3

A

x1

x2

x3

Bvin

vtr+=

iab

itr

vab

C

x1

x2

x3

D vin

vtr+=

iab itr vab

vin vtr

COSSAP - Block

b) Äquidistante numerische IntegrationBeispiel Ersatzschaltung für Telefon

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(Kurvendarstellung nicht im FrameMaker vorhanden)

b) Äquidistante numerische IntegrationVergleich mit Analogsimulation (Saber)am Beispiel der Telefonersatzschaltung

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mehrere Blöcke:• Modellierung mit a) (SLIC)• Modellierung mit b) (Telefon und Analogfilter) • COSSAP-Modelle (DSP-Algorithmen)• Kopplung zu Leapfrog (Controler)

Simulation eines Gebührenimpulses• Controler erhält Befehl zur Impulssendung• Controler beeinflußt restliche Blöcke• Impuls hat Sinusverlauf (16kHz) mit Hüllkurve zur Vermei-

dung von störenden Geräuschen• bis t=0.1s ca. 800000 Berechnungszeitpunkte in 15 Minuten

(Sparc Ultra)

SLICOFI(Subscriber Line Interface Codec Filter)

b) Äquidistante numerische Integrationkomplexes Beispiel

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Prinzipschaltbild SLICOFI-System

SLIC analog

filter

A/D

D/A

Codec/filter(DSP)

Control

COSSAP-analog COSSAP

Leapfrog

a

b

PCM-

Interface(analognetwork)

Configuration/Status

IIS

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SLIC analog

filter

A/D

D/A

Codec/filter(DSP)

Control

COSSAP-analog

Leapfrog

a

b

PCM-

Interface(analognetwork)

Configuration/Status

Explizite Darstellung (a)

Äquidistante numerische Integration (b)

COSSAP

ausgegebene Spannung uab

b) Äquidistante numerische Integrationkomplexes Beispiel SLICOFI

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16kHz Teletaximpuls (Simulationszeit 15 min, AC-Abtastrate: 8192kHz)

(V

)

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

t(s)0.0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

M

ttxno

lmsel0

lmsel1

elm_dpr1

nmmva

rlm0

rlm1

m0

m1

m2

ton

swint

(V) : t(s)

uab

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• bei linearen dynamischen Netzen stets möglich

• nichtlineare dynamische Netze nicht immer auflösbar

• Aufstellung Netzwerkgleichungen per Hand oder mit symbo-lischen Verfahren

• lokaler Diskretisierungsfehler kann nur a priori durch Wahl der COSSAP-Schrittweite beeinflußt werden

• Auflösung per Hand oder mit symbolischen Verfahren

• Einbindung in COSSAP einfach

• in der Abarbeitung sehr schnell

b) Äquidistante numerische IntegrationEinschätzung

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Netzwerk

C-Prozedur

ADG-Löser (DASSL)

f

f in out x x t, , ,,( ) 0=

Aufstellung Netzwerkgleichungen

Beschreibung der Netzwerkgleichungen in einer für DASSL zugänglichen Form unter Beachtung der für COSSAP typischen Eingabeform

ADG-Löser integriert Netzwerkgleichungen jeweils für einenCOSSAP-Zeitschritt hBestimmung von out

c) Einbeziehung eines Algebro-Differentialgleichungs-LösersPrinzip

RES

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• DAE-Solver (Fortran, public-domain, offen)• f(x, x, t)=0, x(t0)=x0• BDF (automat. Ordnungs-/Schrittw.steuerung)• Fortran/C: „Rahmen“, RES, (JAC)

Problem: intervallweise Simulation mehrerer Blöckea) DASSL pro Blockb) DASSL, blockeigener Arbeitsspeicher

(Zwischenwerte)

Ziel: intervallweise fortgesetzte Lösung von DAE‘s

Rahmen() ... DDASSL(.)

DDASSL(.)BEGIN...RES(.)

RES_(.)..

JAC(.)...END

...

JAC_(.)..

DASSL

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• genau eine DASSL-Instanz für mehrere Analogblöcke• pro Block interner Arbeitsspeicher• für Analogmodell Funktionen init (Initialisierung) und

res(Auswertung der ADG) in C anzugeben, jac (Jacobimatrix) wahlweise möglich

• lineare Interpolation der Eingänge bei Bearbeitung von Zwischenschritten im COSSAP-Zeitintervall

• Einführung von Zeit-Wert-Datenströmen insbesondere für die Verkopplung von Analogblöcken

• Filterung der Ausgangsdatenmenge• DASSL in FORTRAN, COSSAP in C geschrieben

Dokumentation, Anwenderhandbuch, Nutzungserfahrungen für (kleinere) Testbeispiele vorhanden

Details

Dokumentation

c) Einbeziehung eines Algebro-Differentialgleichungs-LösersImplementierung

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ctdriver ... integr(...); ...

integr(...) ... DASSL ..., integr_jac_); ...

DASSL(RES,...,JAC)BEGIN...RES(...)...JAC(...)...END

COSSAP

COSSAP-Modell DASSL - Modell

md = m_init(), m_res(), m_jac(), m_expl()m_init(...) ...m_res(...) ...m_expl(...) ...m_jac(...) ...

void m(...)...ctdriver(..., md, ...)

Prozeduren und Speicherobjekte

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#include <stdio.h>#include <math.h>#include "blockdef.h"#include "ctdriver.h"

#define C1 par[0]#define R1 par[1]#define Ra par[2]#define Nr par[3]#define ue in[0]#define ua out[0]#define duadt outdt[0]#define s state[0]

const double md = 1;const double Ut = 25.27e-3;const double Is = 1.e-12;

#ifdef __STDCvoid glr_init (STDC_BLOCK_INITARGS)#elsevoid glr_init BLOCK_INITARGS#endif *nequ = 2; ua = 0.0; s = 0.0;

#ifdef __STDC

void glr_res (STDC_BLOCK_RESARGS)#elsevoid glr_res BLOCK_RESARGS#endif null[0] = C1*duadt + ua/Ra - Is*(exp((s-ua)/md/Ut) - 1); null[1] = (s-ue)/R1 + Is*(exp((s-ua)/md/Ut) - 1);

blockstruct glrm = glr_init, glr_res, NULL, NULL;

#ifdef USE_PROTOSvoid glr(long *iparam, float *rparam)#elsevoid glr(iparam, rparam)long *iparam;float *rparam;#endif #include "numparinit.h" ctdriver(iparam, rparam, glrm, numpar);

Netzwerkgleichungen:

0 = C1 ua + ua/Ra - Is (exp((s - ua)/(md Ut)) - 1)

0 = (s - ue)/R1 + Is (exp((s - ua)/(md Ut)) - 1)

ue uasR1

C1

Ra

S

Modellierungsbeispiel: Gleichrichternetzwerk

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Audio

Data

Data

preemphasis

FM

FM

QPSKLP-filter

LP-filter

BP-filter

BP-filter

+ FM

BP-filter

noise channel

QPSK demodulation

FM-demodulator

LP-filterBiterror-

Audio - WEGENER-PANDA-I

BP-filter

Video preemphasis

LP-filter

calcu-lation analog

Gleichzeitige Übertragung von analogen Bild- und Tonsignalen unddigitaler Rundfunkprogramme über einen Satellitentransponder.

Ziel der Systemsimulation:Ermittlung des Einflusses der analogen Signale auf die Fehlerrate der digitalen Kanäle

Übertragungsstrecke ASTRA-Digital-Rundfunk (ADR)

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+

-

VCO

VCC

DEM

FM +-

VCO

• Netzwerkgleichungenaufstellen

• Einbindung von SPICE-Transistormodellen

Analoges Modell des FM-Demodulators

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Eingangssignal:

Sinussignal fS=1MHz,frequenzmoduliert auf einen Träger fT=479.5MHz(Sat-ZF)

SIN VCO FMD DUMP

Simulationsergebnis FM-Demodulator

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Ausgangssignal des FM-Demodulators

Signalgemisch aus • analogem Fernsehen• analogen Tonträgern• digitalem Rundfunk

(ADR)

Fernsehen Ton analog digital f

Frequenzspektum eines Satelliten-transponders (nicht maßstäblich)

Übertragungsstrecke ASTRA-Digital-Rundfunk (ADR)Ergebnis der Gesamtsystemsimulation

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Scatterdiagramm eines ADR-Digitalkanalsam Ausgang derQPSK-Demodulation

Übertragungsstrecke ASTRA-Digital-Rundfunk (ADR)Ergebnis der Gesamtsystemsimulation

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• für beliebige nichtlineare, dynamische Netzwerke möglich, sofern der Löser die entstehenden Gleichungen bearbeiten kann (Dimension, Index, Unstetigkeiten...)

• Aufstellung Netzwerkgleichungen per Hand oder symbolisch

• da ADG nur numerisch ausgewertet werden, sind Prozedur-aufrufe zur Beschreibung komplizierten Verhaltens möglich.

• Aufbau der Gleichungen noch nicht automatisiert, Einlesen von SPICE-Listen (Transistoren) nicht realisiert

• hoher, einmaliger Aufwand zur Einbeziehung von DASSL

• relativ einfache Beschreibung der Gleichungen

• langsam, da interne Zwischenschritte eingefügt werden

c) Einbeziehung eines Algebro-DifferentialgleichungslösersEinschätzung

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Motivation

COSSAP






Zusammenfassung

Gliederung

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“Verwendung von Symbolen anstelle von Zahlen”

• algebraische Verfahren (Matrizen)• graphentheoretische Verfahren

• Bestimmung von Netzwerkfunktionen in symbolischer Form Verständnis Modellierung Approximation• generierte Formeln zur Verwendung in iterativen Prozessen

• CPU-Zeit, Speicherverbrauch• Behandlung von Nichtlinearitäten• Approximationen oft nur in kleinen Bereichen gültig

F.W. Fernandez, H. Floberg, G. Gielen, M.M. Hassoun, L. Huelsman, P.-M. Lin, S. Manetti, W. Sansen, R. Sommer ...

Analog Insydes, ISAAC, ASAP, SYNAP, SAPEC, SSPICE, SANTAFE, ...

bedeutet

Methoden

Hauptanwendungen

Grenzen

Forscher

Tools

Symbolische Netzwerkanalyse

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H s( )sR1R2C2 R2+

s2R0R1R2C1C2 s R0C1 R1C2+( )R2 C1 C2+( )R0R1+( ) R0 R1 R2+ + + +

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=

H s( )s 0,9⋅ 0,25+

s2 0,09⋅ s+ 5,725⋅ 13,25+

------------------------------------------------------------------=

H s( )s 3C2⋅ 0,25+

s2 3R0⋅ C1C2 s R0C1 12C2+( ) 0,25⋅ 12 C1 C2+( )R0+( ) R0 12,25+ + +

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------=

vollsymbolisch

semisymbolisch

numerisch

Grundansätze symbolischer Analyse

in

R0

C2R1

R2C1

out

H s( )L out t( ) L in t( )

----------------------------=

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Netzwerk-analyse

(Gleichungen,Übertragungs-

Approximation

Optimierung

Dimensionierungvon Schalt-

kommerziellesComputer-Algebra-

system(Mathematica,

Macsyma,Maple)

Matlab

externesymbolische Gleichungs-

C, Fortran,

TEX

LISP

löser

funktion)

elementen

Institut für Techno- und Wirt-schaftsmathematik e.V.(ITWM, Kaiserslautern)

Symbolische Analyse von• kleinen analogen Schal-

tungen• kleinen regelungstechni-

schen Blockschaltbildern

Analog Insydes (“Intelligent symbolic design system”)

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1R0------ 1

R0------– 0 1–

1R0------– C1s C2s

1R0------ 1

R1------+ + + C– 2s

1R1------– 0

0 C– 2s1

R1------– C2s

1R1------ 1

R2------+ + 0

1– 0 0 0

V1V2V3Iv

000w

, ,

Befehl: MNA(N);

Analog Insydes Grundablauf

V

R0

C2R1

R2C1

12

3

N:[[V,[0,1],w],[R0,[1,2],R0],[R1,[2,3],R1],[R2,[3,0],R2],[C1,[2,0],C1],[C2,[3,2],C2]]

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Aufstellen von Netzwerkgleichungen (MNA, MLA, STA)

Symbolische Berechnung von Mehrtorparametern

Symbolische Berechnung von Übertragungsfunktionen

Automatische Vereinfachung von Netzwerkfunktionen

Bode- und Nyquist-Diagramm, Pol-Nullstellen-Plan

Herleitung von symbolischen Dimensionierungsformeln

Bestimmung von Klemmenverhalten

Aufstellung von Gleichungen für nichtlineare Elemente

Analog Insydes Analysemöglichkeiten

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• elementeorientiert• Angabe von Optionen und Steueranweisungen

• Widerstand, Induktivität, Kapazität (R, L, C)• unabhängige und gesteuerte Quellen (I, V, VCVS, VCCS,

CCVS, CCCS)• ideale Elemente (NUL, FIX, NOR, OC, SC)• Operationsverstärker (OP)• Grundelemente der Regelungstheorie (HP, HD, HI)• konfigurierbare Übertragungsfunktion (HG)

• lokal oder global gültig• hierarchisch mit beliebiger Schachtelungstiefe

beliebige nichtlineare Charakteristiken möglich

Struktur

Grundelemente

Teilschaltungen

Verhaltensmodellierung

Analog Insydes Funktionalität der Netzliste

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INPUT_PORT(1) float *INS; /*entspricht VIN*/INPUT_PORT(2) float *VTR;

OUTPUT_PORT(1) float *OUTS; /*entspricht IAB*/OUTPUT_PORT(2) float *ITR;OUTPUT_PORT(3) float *VAB;

BLOCKFACTOR long BlockFactor;

PARAMETER(1) float CB;PARAMETER(2) float RB;PARAMETER(3) float R1;PARAMETER(4) float R2;PARAMETER(5) float C2;PARAMETER(6) float H;

#define STATES 3#define INPUTS 2#define OUTPUTS 3

STATE float Afl[2*(STATES*STATES + INPUTS*STATES + OUTPUTS*STATES + OUTPUTS*INPUTS + STATES)];

void init_zl_ac()

: /*declarations*/

/*Zustandsraummatrizen erzeugt mit Macsyma aus Netzliste*/

A[0]=(double)(-(2.0*RB+R1+R2)/(2.0*C2*R2*RB+C2*R1*R2)); A[1]=(double)( 1.0/(2.0*CB*RB+CB*R1)); : : B[0]=(double)(-R2/(2.0*R2*RB+R1*R2)); B[1]=(double)(0.0); : C[0]=(double)(-1.0/(2.0*C2*RB+C2*R1));

: D[0]=(double)(-1.0/(2.0*RB+R1));

:

if(statespace_init(A,A,H,STATES)!=0) ExitWithError(1);

/*Zustandsvektor initialisieren (entspricht Energiegroessen z.B Ladung)*/

for(i=0;i<STATES;i++) S[i]=0.0;

void zl_ac()

: /*declarations*/

statespace(INS,OUTS,A,B,C,D,S,H,INPUTS,OUTPUTS,STATES,BlockFactor,&scratch);

Generated COSSAP - Generic-C model

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Offene Probleme

kontinuierlich / analog diskret / digital

– gemischte Systeme (unterschiedliche Größenordnungen, Zeitkonstanten, Steif-heit)

– sehr große Systeme– konsistente Anfangswerte– DAE‘s mit höherem Index– Kompromiß Genauigkeit-Rechenzeit– Wahl Abbruchschranken– Stabilitätsuntersuchungen– Verhalten an Unstetigkeitsstellen– Modellierung (geringe Modellfehler, simu-

latorgerecht, schnelle Modelle)

– Signalkonvertierung / Interpolation, Extrapolation

– Lösungsreihenfolge– Zuordnung diskrete-

analoge Zeit

– bidirektionale Verbindungen auf hohem Abstraktionsniveau

– verzögerungslose Rückführungen

– Anfangszustand

– Deadlocks, Verklemmungsfreiheit

beeinflussen Stabilität, Genauigkeit und Rechenzeit

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Notwendigkeit hybrider Simulation wegen Komplexität nachrichtentechnischer Systeme

Drei Möglichkeiten zur hybriden Simulation mit COSSAP

Explizite Darstellung

Äquidistante Integration

Einbeziehung von DASSL

• bei linearen resistiven Netzen ohne zusätzlichen Aufwand möglich

• bei linearen dynamischen Systemen von Hand kaum möglich, durch symbolische Analyse unterstützt

bei linearen dynamischen Netzen und einigen nichtlinearen Sy-stemen: durchgängige Lösung mit Analog Insydes vorhanden

bei beliebigen Netzen möglich• Aufstellung der Gleichungen zum Teil durch Analog Insydes

unterstützt• implementierte Lösung vorhanden• weiterer Ausbau bei Bedarf möglich• anspruchsvolle technische Probleme erfolgreich bearbeitet

Zusammenfassung

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Damit ist der Vortrag beendet.Es folgen einige durchaus nützliche Folien, die im Vortrag nicht verwendet wurden.

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X· z 1–

tn 1+ tn–-------------------------X=

X tn 1+( ) X tn( )–tn 1+ tn–

------------------------------------------- A X tn 1+( ) B U tn 1+( )⋅+⋅=

AE

tn 1+ tn–-------------------------– X tn 1+( )⋅ B U tn 1+( )

X tn( )

tn 1+ tn–-------------------------–⋅–=

A‘

A' X tn 1+( )⋅ B U tn 1+( )X tn( )

tn 1+ tn–-------------------------–⋅–=

Y C X tn 1+( ) D U tn 1+( )⋅+⋅=

tn 1+( ) A' 1–B U tn 1+( )

X tn( )

tn 1+ tn–-------------------------–⋅–⋅=

State-space system with constant time steps integrated with Backward Euler

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I

V

V I or

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Modeling of simple networks in COSSAP

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Hybride Simulation nachrichtentechnischer Systemepublications.eas.iis.fraunhofer.de/papers/1998/009/slides.pdf · IIS Fraunhofer Institut Integrierte Schaltungen Hybride Simulation