1.1電子系統及其功能組成

1.2電子系統設計方法與開發流程

1.3電子系統設計應考慮的主要因素

1.4常用EDA軟件

1.5電子系統設計資料查找1.1電子系統及其功能組成系統是指由兩個及兩個以上各不相同但又相互聯系、相互制約的單元組成的，在給定環境下能夠完成一定功能的綜合體。一個系統有可能包含若干個功能明確的子系統。電子系統是指由電子元器件或部件組成的，能夠產生、傳輸、采集與處理電信號及信息的完整的電子裝置。更通俗地說，能夠完成一個特定功能的完整的電子裝置都可以稱為電子系統。電子系統伴隨電子器件的產生而產生，并隨著電子器件的實現水平，特別是器件的集成化水平、處理速度、專用集成芯片(ASIC)以及計算機輔助設計(CAD)等工具的發展而發展。電子系統方便了日常生活，改善了生活質量，提高了專業人員的工作效率。可以說，電子系統已經滲透到生活與工作的方方面面，無論是普通大眾還是專業人員，離開電子系統幾乎寸步難行!隨著電子技術的發展與萬物互聯時代的來臨，電子系統將向小型化、智能化、綜合化、平臺通用化、網絡一體化的方向發展，并且幾乎無一例外地采用硬件與軟件高度結合的方式。電子系統的應用領域非常廣泛，與日常生活密切相關的電視機、空調、冰箱、半導體收音機、手機等均屬于電子系統或電子產品的范疇。除此之外，具有特定功能的移動通信系統、衛星通信系統、雷達系統、導航系統、電子對抗系統、測控儀器、汽車電子系統、機載綜合航空電子系統等復雜系統更是電子系統的重要組成部分，它們在電子系統家族中的地位舉足輕重。通常一個產品在批量生產與推廣應用之前，一般都要經歷需求分析、功能量化、系統方案設計與論證、系統開發、測試修改與鑒定、試用與產品定型等幾個階段，電子系統也不例外。所謂電子系統設計，是指在功能量化的基礎上，對系統整體與功能單元模塊的實現方案、性能指標、信號格式以及模塊間信號傳輸協議及連接接口進行的設計。其中，在實現方案的設計中包括關鍵元器件的選取，在連接接口設計中包括連接接口的實現方式與信號線的定義等。由于電子系統設計是一個非常復雜的問題，涉及的知識面非常廣，要求設計人員不僅具備廣闊的專業理論知識與豐富的工程項目經驗，而且對層出不窮的現代電子實現技術要有準確認識與實時把握，因此，電子系統的設計往往既是項目開發中的重點，也是項目開發中的難點。為了使設計的方案在項目開發中達到事半功倍的效果，避免浪費時間與增加開發成本，本書主要圍繞設計問題展開專題研究，對方案的工程實現不予討論。盡管不同電子系統功能各異，其實現方案也千差萬別，但從功能組成來看它們都有很多相同或相似的地方。現代電子系統典型功能組成如圖1.1所示。信息源將各種消息轉換為電信號。基帶信號處理單元，顧名思義，用于完成對基帶信號的處理。若系統功能不同以及信道環境有差異，則基帶信號處理單元的組成就會有較大差異。其中，模擬體制的電子系統通常在完成對信號的調理后，即可將信號輸入到信號調制單元，而數字體制的電子系統基帶信號處理單元比模擬體制復雜，且不同數字系統的組成也存在很大差異，一般包括信號調理、模/數轉換、信源編碼、塊交織、信道編碼、偽碼擴頻、擾碼加密等功能模塊。來自基帶信號處理單元的信號在調制單元完成對信號的調制，使載波的幅度、相位、頻率等電參量隨基帶信號的變化規律而發生變化，從而將基帶信號的頻譜搬移到中頻上。混頻單元實現已調制中頻信號與射頻載波的混頻，進一步將有用信號的頻譜搬移到發射的頻率上，以實現信號在傳輸媒質中的有效傳輸。濾波放大單元有兩個功能:一是經帶通濾波，保留混頻輸出信號中的載波與中頻之和的射頻分量，濾除載波與中頻之差的射頻分量，減小無用分量產生的干擾；二是對射頻信號進行功率放大，滿足系統作用距離對輸出功率的要求。濾波之后，信號經射頻電纜或波導傳送到發射天線，完成有效輻射。人機交互與顯示單元用于完成系統操作菜單、系統參數等的選擇與輸入，以便系統按照用戶要求工作，并顯示關鍵參數與關鍵指標等。監測控制與自檢測單元一方面完成系統的開機自檢，檢查系統是否完好，一方面對系統的關鍵指標進行實時檢查，判斷系統性能是否滿足工作要求。一旦出現異常，該單元將產生相應的控制信號，完成對系統工作狀態的控制與切換。頻率合成單元根據人機交互單元輸出的、與系統工作頻率或工作波道對應的控制信號，產生對應射頻頻率的載波，供混頻單元混頻。電源單元將交流市電轉換為直流電，并產生不同大小的直流電壓。天線接收的信號經射頻電纜或波導后輸入到帶通濾波與前置放大單元，以抑制帶外噪聲，并對微弱信號進行低噪聲放大，以提高信噪比。來自天線的信號通常包括有用信號和噪聲兩部分，其中有用信號的帶寬有限，經過一定距離的傳播后衰減成功率極小的微弱信號，而噪聲覆蓋整個頻帶，帶通濾波器僅讓通帶內的頻譜成分通過。這樣，接收的信號與噪聲經帶通濾波器后，有用信號無損地通過帶通濾波器，而噪聲信號僅有一小段頻譜成分通過帶通濾波器，信噪比將得到改善。前置放大器又稱為低噪聲放大器，其作用是在本身產生的噪聲盡量小的條件下對信號進行一定的放大，使輸出信號幅度增大。前置放大器之所以要求是低噪聲，主要是為了保證放大后的信噪比相比于放大前不會出現明顯下降。前置放大器輸出的信號被送到混頻濾波單元，混頻濾波單元將有用信號的頻譜搬移到射頻與載頻的差頻上，以方便在較低的中頻上處理信號，同時濾除混頻產生的不需要的頻率分量。中頻信號在解調單元完成對信號的解調，得到需要的基帶信號，基帶信號在基帶信號處理單元經與發射機中的基帶信號處理單元嚴格對應的模塊處理后，恢復出信號給受信者。另外，由于電磁環境的復雜性以及干擾的存在，接收機的基帶信號處理單元除了完成與發射機對應的功能外，有時在將信號送到受信者之前還需進行干擾抑制處理，將處理后的輸出信號再送給受信者。接收機中的人機交互與顯示單元、監測控制與自檢測單元、頻率合成單元以及電源單元的功能與發射機中的模塊相同。1.2電子系統設計方法與開發流程1.2.1電子系統設計方法在電子系統設計中，采用的方法通常有三種，即自底向上設計法、自頂向下設計法和核心器件設計法。1.自底向上設計法傳統的電子系統設計采用“Bottomup”(自底向上)設計方法，該方法是一種局部到系統的方法，即先考慮底層電路，再由電路拼接成整體。該方法基于以下事實:設計人員在長期的實踐中，在電子電路設計與調試方面積累了相當豐富的經驗，熟悉各種單元電路的功能以及可達到的最佳技術指標。當設計人員需要構建一個電子系統時,自然會根據要實現的系統的各個功能要求，從熟悉的單元電路中選出適用的來設計一個個功能模塊，組成一個個子系統，直至系統所要求的全部功能都實現為止。這種方法與設計人員的經驗與技巧息息相關，其設計步驟如圖1.2所示。自底向上設計法由于電路設計在先，設計人員的思想將受限于選用的現成電路，不便于實現系統化的、清晰易懂的，以及可靠性高、可維護性好的設計。該方法在系統組裝與測試過程中運用較多。2.自頂向下設計法現代電子系統的設計多采用“Topdown”(自頂向下)的設計方法，該方法是一種從系統整體到局部的方法，即將整個系統電路劃分成一個個子系統，然后連接成系統。詳細來說，設計人員首先根據用戶需求對系統功能與技術指標進行量化，然后將系統劃分為若干個相對獨立、功能各異的功能模塊，并對各個模塊的功能、指標以及連接關系進行描述，同時驗證各個模塊組合后的功能與指標是否能夠達到系統的整體要求，最后再根據需要將模塊進一步分解成下層子模塊或者最底層的電路級要求，進行最底層的電路設計。這種設計方法具有逐步細化、逐步驗證、逐步求精的特點，每一步分解都對方案的可行性進行驗證，避免了底層電路變化而更改整個系統構成的問題，有利于提高設計工作的效率。自頂向下設計方法一般可以將整個設計劃分為系統級設計、子系統級設計、部件級設計以及元器件級設計4個層次。該方法的設計步驟如圖1.3所示。在設計中采用自頂向下設計法時，要注意以下問題:(1)在設計的每一個層次中，必須保證所完成的設計能實現所要求的功能與技術指標，并且技術指標要留有一定裕量。(2)要重視設計過程中問題的及時反饋與處理。解決問題采用“本層解決，下層向上層反饋”的原則，不可以將問題傳向下層。若本層無法解決，則將問題反饋到上層解決。(3)功能與技術指標的實現采用子系統、模塊化設計的方式完成。要保證每個子系統、部件都有明確的功能與確定的技術指標。輸入與輸出信號關系應明確、直觀、清晰。應做到在對子系統、部件進行修改與調整甚至替換時，不會對總體設計產生影響。(4)現代電子系統均采用軟硬件協同實現，在設計中，要充分利用微處理器以及可編程邏輯器件的靈活可編程功能，盡量避免全硬件化的實現方法。由于自頂向下設計法具有由表及里、從全局到局部、逐步求精的優點，所以在目前的電子系統設計中該設計方法已經成為一種流行的設計方法。3.核心器件設計法專用集成電路與可編程數字邏輯器件的出現對電子系統的設計方法產生了巨大影響，大量現代電子系統的設計也往往圍繞這類核心器件展開，我們將這種圍繞核心器件而展開的電子系統設計方法稱為核心器件設計法。在這種設計法中，由于核心器件功能強大，對外圍電路與外部信號都有具體的限定條件，往往需要編程才能正常工作，而且一旦在電子系統中采用這類器件，整個系統的結構都必須符合這類器件的要求，因此，此種設計法具有圍繞核心器件展開的特點。這種設計法在功能單元電路的設計中使用得非常普遍。1.2.2電子系統開發流程一個電子系統在批量生產與推廣應用之前，一般都要經歷需求分析、功能量化、系統方案設計與論證、系統開發、測試修改與鑒定、試用與產品定型等幾個階段，這些階段構成了電子系統的開發流程。下面對電子系統開發流程的各個環節分別進行闡述。1.需求分析當某個人、某個企業或開發團隊產生了想研制具有某種功能的電子系統或電子產品的想法時，在立項與開發之前，首先要做的事情就是進行市場需求分析，充分了解市場現狀,研判此電子系統研制的必要性。依據項目是軍用還是民用，市場調研的側重點要有所區別。市場需求分析是非常重要的環節，決定著該項目是否進一步開展，在市場需求分析中要做到內容全面、數據可靠。2.功能量化功能量化就是將用戶用通俗語言表達的、比較籠統或者含混不清的需求轉換為用專業術語表達的詳細的功能需求。功能量化越細致，方案設計就會越準確。功能量化是必不可少的環節，在實際操作中，通常將功能量化為幾點具體的要求。對于縱向項目來說，必須清楚地表達系統實現的功能，一方面方便上級業務部門進行準確的評判，另一方面可使課題組成員對項目有清楚的把握；對于橫向委托研制項目來說，由于委托方不一定是專業人員，因此功能量化過程更加重要，需要用戶與研制人員反復溝通與修改才能得到一個完整的系統量化功能，同時也為項目的驗收提供依據。3.系統方案設計與論證系統方案設計與論證在電子系統的設計與開發流程中處于核心地位。系統方案設計包括整體實現方案與整體指標設計、功能單元模塊實現方案與單元指標設計、信號格式設計、模塊間信號傳輸協議與連接接口設計以及關鍵元器件的選取等內容，量化后的系統功能與關鍵指標是系統方案設計的依據。在系統方案設計中，一般先由總設計師、分項目設計師以及研制人員共同完成系統方案的初步設計，即按照系統功能與關鍵指標把系統劃分成若干功能模塊，形成整體實現框圖，并規劃出各功能模塊要完成的任務，確定各功能模塊的結構與輸入輸出關系；然后召開專家論證會，對初步方案進行修改與完善，形成最終的系統方案。在系統方案設計中要注意合理分配軟、硬件資源，盡量利用軟件來實現硬件也可以完成的功能。合理的系統方案能使開發者少走彎路，縮短開發周期，降低開發成本。需要說明的是，系統方案設計的成敗與選取的關鍵器件密切相關。在一個項目開發中可能需要使用多個關鍵器件，對這些關鍵器件的性能指標要進行重點分析，準確研判對電子系統整體指標的影響，確保滿足系統要求。切忌在開發過程中隨意改變關鍵器件，否則會既浪費開發人員的精力，影響開發進度，又增加開發成本，并且還會使研發人員對設計師產生不信任感。4.系統開發系統開發是電子系統設計與開發流程中的重要階段，也往往是花費時間最長的階段。在該階段需完成的任務包括各個功能模塊的硬件電路設計、制板與調試，軟件流程設計、編程與調試，信號處理算法的設計、仿真驗證與實現，系統聯調與功能測試等。在功能模塊硬件電路設計中，要做好關鍵器件資源的合理規劃，以保證用戶功能的順利實現。在軟件設計中，要注意哪些功能在主程序中實現，哪些功能在中斷中實現，哪些中斷優先級高，哪些中斷優先級低，并依據項目要求對隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)的存儲量進行合理設計，以免資源浪費。另外，地址分配要進行統一規劃，不同對象的地址一定不能重疊，以免出現無法預料的結果。在程序編寫過程中要注意以下幾點:(1)要始終貫徹模塊化編程的思想，以增加程序的可讀性，減小調試難度。(2)做到程序框圖邏輯性完整、無漏洞、容錯性好。(3)盡量減小中斷服務程序的長度，以減小對其他中斷響應的影響，通常的做法是在中斷服務程序中設置中斷標志，在主程序對中斷標志進行判斷，并進行相應的處理。(4)養成對程序進行注釋的習慣，以便于以后對程序進行修改。在信號處理算法的設計中，要對解決問題可能有效的算法做到心中有數，在初步遴選算法的基礎上，通過仿真來檢驗算法的有效性，并從中優選出用于工程實現的信號處理算法，應避免不加評估就直接將算法用于工程實現的情況發生。系統聯調是建立在各個功能模塊獨立調試運行達到要求的基礎上的，在系統聯調過程中，不可避免會出現這樣那樣的問題，有的問題容易解決，有的問題則很難找到原因。聯調中經驗是非常重要的，但全憑經驗解決問題也是不可取的，解決問題的最佳方法是經驗與專業知識相結合。5.測試修改與鑒定系統開發完成后，開發者要對設計與開發的電子系統進行性能測試，項目鑒定時也要進行專門的性能測試，并要提供測試報告。性能測試包括系統功能測試與指標參數測試兩個方面，并以此為依據評判研制的系統是否達到要求。雖然功能測試與指標測試二者缺一不可，但指標測試是測試環節的核心，它直接決定了該項目的實用性。測試中出現的主要問題是指標參數達不到要求或者指標在臨界值附近，產品在市場應用時反映的問題也往往是指標達不到要求所致。因此，在指標測試中，要嚴把質量關，測試設備需經過專業機構的校準。當指標達不到要求時，要反復對系統進行調試與修改，直到滿足要求為止。放松對指標的嚴格要求將給售后服務與維修人員帶來無盡的煩惱，應堅持問題不出廠的原則，切忌讓系統帶著問題去試用。對于重要的電子系統來說，研制樣機完成后一般會由研制單位申請、業務部門組織行業專家召開成果鑒定會，以對產品的功能、性能指標以及創新性進行鑒定，對存在的不足提出改進意見。研制樣機在鑒定前要進行產品試用，并由試用單位出具試用情況證明。在召開鑒定會時，會成立測試組、資料組以及鑒定委員會，由測試組對樣機進行全面測試，并提供測試報告；由資料組對鑒定材料進行核查。鑒定材料一般包括研制總結報告、技術說明書、使用說明書、樣機試用單位證明、測試報告等。鑒定會由業務部門組織，鑒定委員會主席主持，會議一般包括項目負責人研制情況匯報、委員會參觀樣機、測試組情況說明、資料組情況說明、委員會討論與質詢等幾個環節，最后形成鑒定結論。只有通過了鑒定會的研制樣機才能轉入下一個階段。6.試用與產品定型在試用與產品定型階段，首先根據鑒定會的意見對研制系統存在的不足進行修改完善；其次，由于研制的樣機重點是考慮功能與性能指標的實現，因此為了滿足市場需求，要對結構、可靠性等方面按需進行調整，在研制樣機的基礎上生產型號樣機并試用；再次，在所有問題得到解決和樣機成熟的條件下，召開產品定型會，確定產品的具體型號；最后，將型號樣機轉交生產部門進行批量生產，正式投入市場。1.3電子系統設計應考慮的主要因素1.注重網絡資源的充分利用互聯網技術已深入到日常生活與工作中，可以說各行各業已經離不開互聯網，對于電子系統的設計與開發也是如此。在電子系統設計與開發中，互聯網將在以下兩方面發揮重要作用:(1)資料的查找。無論是工作原理、常用實現技術、元器件等傳統資料，還是最新實現方法與技術資料，都能在網上一覽無余，并且相比于其他方法，利用互聯網查閱資料更快捷、更高效、更詳細。因此，要充分利用互聯網查閱資料。(2)疑難問題的咨詢解答。在設計與開發中不可避免地會碰到這樣那樣的問題，對于新器件、新技術的使用更是如此，而身邊又一時無法找到合適的人員請教。在這種情況下，利用網上的專題論壇解決問題也許是最佳途徑。它不僅解決了傳統方法受時間、地域、相互之間不熟悉等因素影響的問題，而且幾乎能解決工程實踐中遇到的所有問題。2.注重開發與設計工具的合理利用傳統電子系統設計方法通常采用的是方案設計與實驗驗證相結合的方法，即在完成系統方案設計的基礎上，采用實驗的方法驗證關鍵技術與難點技術的可行性以及技術指標能否滿足要求。這種方法周期長、成本高，對設計與開發進度會造成一定影響。隨著電子實現技術的飛速發展，與其相適應的仿真技術與仿真手段得到了極大豐富，仿真功能也變得越來越強大，實驗將不再是唯一的驗證方法，合理利用仿真工具驗證關鍵技術與難點技術的可行性將變為現實。并且由于這種驗證方法具有周期短、成本低的優點，在電子系統方案設計中，采用仿真技術驗證方案的可行性將變為一種普遍采用的且行之有效的方法。由此可見，掌握并合理利用開發與設計工具是電子系統開發過程中必不可少的方法和手段。3.注重算法有效性驗證與關鍵技術的預先研究在電子系統方案設計中，都會用到一些需要預先研究的關鍵技術或者信號處理算法，而且考慮到設計人員與開發團隊的知識與經驗積累不同，即使是設計同一個電子系統，不同團隊需要預先研究的內容也不一樣。在電子系統開發之前，必須對沒有把握的關鍵技術與信號處理算法進行預先研究，將疑難問題預先解決，千萬不能存在僥幸心理，更不能想當然辦事，應以疑難問題事先解決為原則。4.注重應用開發評估板的有效利用隨著電子技術的不斷發展與制造工藝的不斷提高，新電子器件層出不窮，其處理速度以及功能的綜合化方面較以往的產品有了大幅度提高，給電子系統設計帶來了諸多方便。以前需要多個集成芯片才能完成的功能，現在采用單個芯片就可以輕松實現，且性能較以往更好，以前受器件處理速度限制無法實現的某些設計方案現在也變成了可能。正是由于新器件有這樣那樣的優勢，一經投入市場便得到電子系統設計者的青睞。為了縮短設計者對新器件的開發周期以及擴大新器件的市場占有量，大量元器件生產廠家在推出新產品的同時，也配套推出了這些器件典型工程應用的開發評估板以及開發工具。作為電子系統的設計與開發人員，應充分利用元器件生產廠家提供的這些資源為項目服務，能利用開發評估板完成的功能盡量用開發評估板完成。在項目中直接利用開發評估板有以下幾個方面的優點:(1)開發評估板的電路原理圖與印制電路板圖經過廠家的優化，電路成熟，性能可靠,開發者不用調試硬件，可以將精力集中在硬件資源的利用與軟件編程上，提高了開發效率。(2)開發評估板硬件資源豐富，一般都能滿足開發者的需要。(3)與開發評估板配套的軟件，特別是例程在開發中可直接運用，能有效節省開發時間。(4)配備的光盤資料或者廠家網站上有非常詳細的器件數據手冊(Datasheet)與各種各樣的應用筆記(Appliednote)供開發者參考，資料豐富。5.重視電磁兼容問題電磁兼容有兩層含義:一是指電子系統在其工作的電磁環境下能否正常工作；二是指電子系統本身形成的電磁信號對其周圍的影響程度。電磁兼容問題幾乎是每個電子系統設計者與開發者都會碰到的問題。在設計電子系統時，既要考慮如何減小自身產生的電磁干擾信號和外部存在的電磁信號對本系統的不利影響，又要考慮如何將本系統產生的電磁干擾信號抑制在允許的范圍內。電子系統的電磁兼容涉及諸多因素，它通常與工作頻率、電路布線以及結構設計有關。如果處理不當，不只是影響設備的電磁兼容性，甚至會影響到電子系統的性能指標以及實現的功能，所以應引起高度重視。傳統的觀點認為電磁兼容只需要在射頻部分考慮，這是一種片面的認識。由于器件運行速度越來越快，因此在現代電子系統設計中，在基帶信號處理單元中也需要考慮這個問題。電磁兼容問題在后面章節還要單獨進行討論。1.4常用EDA軟件EDA是電子設計自動化(ElectronicDesignAutomation)的縮寫，EDA技術是以計算機為工具，設計者在EDA軟件平臺上，用規定的語言編寫程序，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優化、布局、布線和仿真，另外也包括對特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術的出現，極大地方便與縮短了電子系統開發周期，提高了電路設計的效率和可操作性，減輕了設計者的勞動強度。EDA技術一經出現，便得到了迅速發展,目前在機械、電子、通信、航空航天、化工、礦產、生物、醫學、軍事等各個領域均得到了廣泛應用。電子系統設計師利用EDA工具可以從概念、算法、協議等開始設計電子系統，并可以將電子產品從電路設計、性能分析到設計出IC版圖或PCB版圖的整個過程在計算機上自動處理完成。電子設計EDA軟件包括電路設計與仿真工具、PCB設計軟件、FPGA/CPLD開發軟件、嵌入式系統開發軟件、DSP開發軟件以及射頻設計仿真軟件等。1.MATLABMATLAB是目前應用最為廣泛的一款軟件，也是電子系統設計者必須學會的一個軟件。MATLAB是matrix和laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠(矩陣實驗室)，是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，與Mathematica、Maple軟件并稱為三大數學軟件,在數學類科技應用軟件中，在數值計算方面首屈一指。該軟件將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及數值計算等眾多科學領域提供了一種全面的解決方案。其應用領域包括數據分析、無線通信、深度學習、圖像處理與計算機視覺、信號處理、金融與風險管理、機器人、控制系統等。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，用MATLAB解算問題比用C語言完成相同的功能簡捷。利用MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等。其優勢特點包括:高效的數值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數學運算分析中解脫出來；完備的圖形處理功能，實現了計算結果和編程的可視化；友好的用戶界面及接近數學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握；功能豐富的應用工具箱，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。MATLAB開發環境界面友好，用戶使用方便。MATLAB開發環境由MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調試器、路徑搜索和供用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器組成。MATLAB提供了完整的聯機查詢、幫助系統，極大地方便了用戶的使用。簡單的編程環境提供了比較完備的調試系統，程序不必經過編譯就可以直接運行，而且能夠及時報告出現的錯誤及進行出錯原因分析。MATLAB的語法特征與C++語言極為相似，而且更加簡單，更加符合設計人員對數學表達式的書寫格式，且具有移植性好和拓展性極強的特點。MATLAB語言包含控制語句、函數、數據結構、輸入和輸出語句等。用戶既可以在命令窗口中將輸入語句與執行命令同步，也可以與編寫好的應用程序(M文件)一起運行。MATLAB具有強大的數據處理與圖形處理功能。MATLAB擁有600多個工程中要用到的數學運算函數，方便用戶的各種計算。函數中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而且經過了各種優化和容錯處理。MATLAB的這些函數集包括從最簡單、最基本的函數到諸如矩陣、特征向量、快速傅立葉變換等復雜函數。函數所能解決的問題大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程組的求解、符號運算、傅立葉變換和數據的統計分析、工程中的優化問題、稀疏矩陣運算、復數的各種運算、三角函數和其他初等數學運算、多維數組操作以及建模動態仿真等。MATLAB具有強大的數據可視化功能，可用于科學計算和工程繪圖，且可以將向量和矩陣用圖形表現，以及可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖像處理、動畫和表達式作圖。另外，新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面(GUI)的制作上做了很大改善，以滿足用戶特殊要求。MATLAB擁有具有數百個內部函數的主工具箱和三十幾種常用工具包，為用戶編程提供了極大的方便。常用工具箱可分為功能性工具箱和學科工具箱。功能性工具箱用來擴充MATLAB的符號計算，以及可視化建模仿真、文字處理及實時控制等功能。學科工具箱由特定領域的專家開發，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法，而不需要自己編寫代碼。特別是，除內部函數外，所有MATLAB主工具箱文件和各種工具箱都可讀、可修改，極大地方便了用戶的二次開發。MATLAB語言與其他編程環境接口方便,可移植性強。MATLAB語言可以利用MATLAB編譯器和C/C++語言數學庫與圖形庫，將自己的MATLAB語言程序自動轉換為獨立于MATLAB語言運行的C語言和C++語言代碼，而且允許用戶編寫可以和MATLAB語言進行交互的C語言或C++語言程序。2.MultisimMultisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的、以Windows為基礎的一個專門用于電子電路仿真與設計的EDA工具軟件，具有豐富的仿真分析能力，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入兩種輸入方式。通過Multisim可以完成從理論到原理圖和從原理圖到電路圖的設計與仿真的完整的綜合設計流程，為實際電路設計提供高效的功能性驗證，縮短電子電路的開發周期。Multisim仿真的內容非常豐富，可進行包括器件建模與仿真、電路構建與仿真、系統組成與仿真，以及儀表儀器原理與制造仿真等在內的仿真工作。在器件建模與仿真中，可以建模及仿真的器件有模擬器件、數字器件以及現場可編程門陣列器件。在電路的構建及仿真中，可實現對單元電路、功能電路、單片機硬件電路的構建及相應軟件調試的仿真。在系統的組成及仿真中，利用包括大部分編碼器、調制器、濾波器、信號源以及信道等在內的200多個通用通信和數學模塊的Commsim通信系統軟件，可實現系統級的仿真，并可以通過選擇時域、頻域、XY圖、對數坐標、比特誤碼率、眼圖和功率譜等多種方式來觀察仿真結果。在儀表儀器的原理及制造仿真中，可以任意制造出屬于自己的虛擬儀器儀表，并在計算機仿真環境和實際環境中使用。利用Multisim，不僅可以創建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業標準SPICE模擬器模仿電路行為，對設計的電路進行快速、輕松、高效的設計和驗證，而且可以提供直流工作點分析、交流分析、瞬態分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真度分析、傳輸函數分析等強大的電路分析功能。除此之外,Multisim還提供有獨特的射頻(RF)模塊與微處理器(MCU)模塊，并兼容第三方工具源代碼，包含設置斷點、單步運行、查看和編輯內部RAM、特殊功能寄存器等高級調試功能。Multisim不僅為用戶提供所需的虛擬儀器儀表，實現對電路的觀測，而且可以完成對其他EDA軟件需要的文件格式的輸出。另外，Multisim為用戶提供有豐富的元器件，并以開放的形式管理這些元器件，使得用戶能夠根據需要添加所需的元器件。3.AltiumDesignerAltiumDesigner是Altium公司推出的一體化的電子產品開發系統，是電子系統原理圖和PCB設計的首選。設計人員利用該軟件，不僅能夠完成電路原理圖(Schematic)的繪制、印刷電路板(PCB)文件的制作以及電路的仿真(Simulation)等設計工作，而且還能實現FPGA的開發、嵌入式的開發以及3DPCB的設計，可以有效地幫助用戶提高設計效率和可靠性。AltiumDesigner除了全面繼承包括Protel99SE、ProtelDXP在內的先前一系列版本的功能和優點外，還進行了許多改進，增加了很多高端功能。AltiumDesigner軟件通過把包括原理圖設計、電路仿真、PCB繪制與編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析以及設計輸出在內的PCB設計、FPGA設計以及嵌入式設計完美融合，為設計者提供了全新的設計解決方案，使設計者可以輕松進行設計。由此可見,AltiumDesigner不僅功能強大，而且對于電子設計與開發人員來說，是進行PCB設計的首選EDA軟件；要進行PCB設計必須學會并自如運用AltiumDesigner系統。4.FPGA/CPLD開發軟件1)QuartusⅡQuartusⅡ是Altera公司的綜合性PLD/FPGA可編程邏輯開發軟件，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL(AlteraHDL)等多種設計輸入形式，內嵌綜合器以及仿真器，可以完成從設計輸入到硬件配置的完整PLD設計流程，是可編程數字邏輯器件設計開發的理想平臺。由于其強大的設計能力和直觀易用的接口，受到了數字系統設計者的歡迎。QuartusⅡ可以在WindowsXP、Linux以及Unix操作系統上使用。使用QuartusⅡ，用戶除了可以使用腳本完成設計流程外，還可以使用其完善的用戶圖形界面設計方式。QuartusⅡ具有運行速度快、界面統一、功能集中、易學易用等特點。QuartusⅡ支持Altera的IP核，包含LPM/MegaFunction宏功能模塊庫，使用戶可以充分利用成熟的模塊簡化設計的復雜性并加快設計速度。對第三方EDA工具的良好支持也使用戶可以在設計流程的各個階段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，QuartusⅡ通過和DSPBuilder工具與Matlab/Simulink相結合，可以方便地實現各種DSP應用系統；支持Altera的SOPC開發；QuartusⅡ集系統級設計、嵌入式軟件開發、可編程邏輯設計于一體，是一種綜合性的開發平臺。QuartusⅡ提供了完全集成且與電路結構無關的開發包環境，具有數字邏輯設計的全部特性。這些特性包括:(1)可利用原理圖、結構框圖、VerilogHDL、AHDL和VHDL完成電路描述，并將其保存為設計實體文件。(2)支持芯片(電路)平面布局連線編輯。(3)利用LogicLock增量設計方法，用戶可建立并優化系統，也可添加對原始系統性能影響較小或無影響的后續模塊。(4)具有功能強大的邏輯綜合工具。(5)具有完備的電路功能仿真與時序邏輯仿真工具。(6)支持定時/時序分析與關鍵路徑延時分析。(7)可使用SignalTapⅡ邏輯分析工具進行嵌入式的邏輯分析。(8)支持軟件源文件的添加和創建，并將它們鏈接起來生成編程文件。(9)使用組合編譯方式可一次完成整體設計流程。(10)可自動定位以及編譯錯誤。(11)具有高效的器件編程與驗證工具。(12)可讀入標準的EDIF網表文件、VHDL網表文件和Verilog網表文件。(13)能生成第三方EDA軟件使用的VHDL網表文件和Verilog網表文件。2)QuartusprimeQuartusprime是一款由英特爾公司設計開發的FPGA開發工具，提供系統級SOPC設計環境:可以設計開發英特爾FPGA、SoC、CPLD等，從設計輸入、綜合優化到驗證與仿真等。同時支持采用英特爾Stratix10、英特爾Arria10和英特爾Cyclone10GX器件家族的高級特性。Quartusprime的性能特點包括:支持英特爾Stratix10TX、MX、SX和GX器件；具有更短的英特爾Stratix10設計編譯時間，加快了FPGA開發速度；峰值虛擬內存的設計使內存需求顯著減少，所有英特爾Stratix10設計都可在不到64GB的內存空間中編譯；并行分析支持提供了在運行編譯的同時，對設計結果進行分析的功能；部分重新配置(PR)功能可對FPGA的一部分設計進行動態重新配置，同時其余的FPGA設計繼續正常進行。3)ISEXilinx(賽靈思)是全球領先的可編程邏輯完整解決方案的供應商。他們主要研發、制造并銷售應用范圍廣泛的高級集成電路、軟件設計工具以及定義系統級功能的IP核，長期以來一直推動著FPGA技術的發展。XilinxFPGA主要分為兩大類:一類側重低成本應用，容量中等，性能可以滿足一般的邏輯設計要求；另一類側重于高性能應用，容量大，性能可滿足各類高端應用。FoundationSeriesISE具有界面友好、操作簡單的特點，再加上Xilinx的FPGA芯片占有很大的市場，使其成為非常通用的FPGA工具軟件。ISE作為高效的EDA設計工具集合，與第三方軟件揚長補短，使軟件功能越來越強大，為用戶提供了更加豐富的Xilinx平臺。ISE的主要功能包括設計輸入、綜合、仿真、實現和下載，涵蓋了FPGA開發的全過程。從功能上講，其工作流程無需借助任何第三方EDA軟件。5.嵌入式系統開發軟件1)ARM開發軟件(1)ARMRealViewDeveloperSuite。RealViewDeveloperSuite工具是ARM公司推出的ARM集成開發工具，支持所有ARM系列核，并與眾多第三方實時操作系統及工具商合作簡化開發流程。開發工具包含完全優化的ISOC/C++編譯器、C++標準模板庫、強大的宏編譯器、支持代碼和復雜數據存儲器布局的連接器等組件，除此之外，還有基于命令行的符號調試器、指令集仿真器、生成無格式的二進制文件的工具、Intel32位和Motorola32位ROM映像代碼的指令集模擬工具、庫創建工具等可選GUI調試器。(2)IAREWARM。EmbeddedWorkbenchforARM是IARSystems公司為ARM微處理器開發的集成開發環境(簡稱IAREWARM)。比較其他的ARM開發環境，IAREWARM具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點。IAREWARM中包含一個全軟件的模擬器(Simulator)，用戶不需要任何硬件支持就可以模擬各種ARM內核、外部設備甚至中斷的軟件運行環境。IAREWARM主要由高度優化的IARARMC/C++Compiler、IARARMAssembler以及一個通用的IARXLINKLinker組成。(3)KeilARMMDKARM。KeiluVision調試器可以幫助用戶準確地調試ARM器件的片內外圍設備(I2C、CAN、UART、SPI、中斷、I/O口、A/D轉換器、D/A轉換器和PWM模塊等功能)。ULINKUSB-JTAG轉換器將PC的USB端口與用戶的目標硬件相連(通過JTAG或OCD)，使用戶可在目標硬件上調試代碼。通過使用集成開發環境/調試器和ULINKUSB-JTAG轉換器，用戶可以很方便地編輯、下載和在實際的目標硬件上測試嵌入的程序。2)單片機開發軟件(1)KeilC51。KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，通過集成開發環境(uVisionIDE)將C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和仿真調試器等組合在一起，提供完整的單片機開發方案，是單片機開發使用最多的一款開發軟件。KeilC51開發工具uVisionIDE能從設備數據庫選擇要使用的微控制器，并完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程。首先，由IDE本身或其他編輯器編輯C語言源文件或匯編源文件；然后，分別由C51及A51編譯器編譯生成目標文件(.OBJ)，并與庫文件一起經L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS)，再由OH51將絕對目標文件轉換成標準的Hex文件；最后，通過仿真器對目標板進行調試，或者通過下載線直接將程序寫入目標板的存儲器中，以實現脫機運行。KeiluVision調試器能夠準確地模擬8051設備的片上外圍設備。此外，使用模擬器可以在沒有目標設備的情況下編寫和測試應用程序。當在目標硬件上測試軟件應用時，可以通過ULINKUSB-JTAG適配器將程序下載到目標系統中。(2)IAR。IAR軟件是目前支持單片機種類最多的一款軟件，幾乎支持所有的主流單片機。針對某一款具體的單片機，IAR都有一個單獨的安裝包。對于所有的單片機來說，使用IAR進行開發，流程基本類似，很容易掌握。6.DSP開發軟件1)CCSCCS(CodeComposerStudio)開發環境是最有影響力的DSP生產廠家TI公司開發的一個完整的DSP集成開發環境。所有TI公司的DSP都可以在該環境下開發，但不同的系統有不同版本的CCS開發環境。CCS開發環境可實現全空間透明仿真，不占用用戶任何資源。其軟件包含了用于優化的C/C++編譯器、源碼編輯器、項目構建環境、調試器、描述器以及多種其他功能等。在CCS集成開發環境下可完成應用開發流程的每個步驟。CCS開發環境支持匯編語言和C語言兩種。TI公司的每個DSP系列都有對應的一套匯編指令，采用匯編語言編程，效率更高；采用C語言編程比匯編語言容易，可移植性更強。只要實時性能滿足要求，通常采用C語言編程。對于實時性要求非常高的應用場合，則可采用匯編語言編程或混合編程。CCS開發環境下的DSP開發過程如下:(1)打開CCS，新建工程，并完成包括DSP芯片型號選擇在內的所有設置與配置。(2)新建文件，并采用C語言或匯編語言編寫用戶程序。(3)采用C編譯器(CCompiler)將用戶程序轉換成與DSP型號對應的匯編語言代碼。(4)使用匯編器(Assemble)將匯編語言代碼轉換為可重新定位的COFF目標文件。(5)使用鏈接器(Linker)將可重新定位的COFF文件轉換為單個可執行的COFF目標模塊。由用戶編寫的鏈接器偽指令將目標文件段結合在一起，指定段或符號放置的地址或存儲器區域。通過CCS開發環境設置，可實現步驟(3)~(5)的自動執行。(6)通過仿真器(XDS)對程序進行調試。(7)將調試好的程序下載到DSP目標板，然后脫機運行。如果EPROM編程器與COFF文件不兼容，可采用轉換工具將其轉換為所需要的格式。2)VisualDSP++VisualDSP++是另一家有影響力的DSP生產廠家ADI公司針對ADI公司DSP器件開發的軟件開發平臺，支持ADI公司BF60x之外的所有系列DSP處理器，包括Blackfin系列和ADSP21XX系列定點處理器、SHARC系列和TigerSHARC系列浮點處理器的各種型號處理器。VisualDSP++采用直觀的、易于使用的用戶界面，通過圖形窗口的方式與用戶進行信息交換。VisualDSP++集成了集成開發環境(IDE)和調試器(Debugger)兩大部分，簡稱為集成開發與調試環境(IDDE)，為用戶提供了更強大的程序開發和調試功能。VisualDSP++具有靈活的管理體系，為處理器應用程序和項目的開發提供了一整套工具。VisualDSP++開發工具包中集成了開發DSP程序所需要的各種工具組件，包括集成開發和調試環境(IDDE)、帶有實時運行庫的C/C++語言最優化編譯器、匯編程序、鏈接器、預處理器和檔案庫、程序加載器、分割器、模擬器、EZ-KITLite評估系統、仿真器等。對于開發人員來說，除了模擬器與EZ-KITLite評估系統以外，其他組件是DSP開發的基本組件。7.射頻仿真軟件由于微波系統的設計越來越復雜，電路指標要求越來越高，電路功能越來越多和電路尺寸越做越小，而設計周期卻越來越短，使得傳統的設計方法已不能滿足系統設計的需要，因此使用微波EDA軟件進行微波元器件與微波系統的設計已成為微波電路設計的必然趨勢。常用的微波EDA仿真軟件主要有ADS、Sonnet電磁仿真軟件、IE3D和Microwaveoffice等仿真軟件，下面將簡單進行介紹。1)ADS仿真軟件ADS(AdvancedDesignSystem)仿真軟件是美國安捷倫公司開發的大型綜合設計軟件，該軟件為系統和電路工程師提供從離散射頻/微波模塊到集成MMIC的各種形式的射頻設計。該軟件可以在微機上運行，該軟件還提供了一種新的濾波器設計向導，可分析和綜合射頻/微波電路濾波器,并可提供對平面電路進行場分析和優化的功能。該軟件可根據給定的頻率范圍、材料特性、參數數量和用戶需要自動產生無源器件。該軟件涵蓋了小至元器件，大到系統級的設計和分析。尤其是其強大的仿真設計手段可在時域或頻域內實現對數字或模擬、線性或非線性電路的綜合仿真分析與優化，并可對設計結果進行成品率分析與優化，從而大大提高復雜電路的設計效率，使之成為設計人員的有效工具。2)Sonnet仿真軟件Sonnet是一種基于矩量法的電磁仿真軟件，主要用于微波、毫米波頻段的電路設計以及電磁兼容/電磁干擾設計。SonnetTM用于平面高頻電磁場分析，頻率從1MHz到幾千GHz。Sonnet的主要應用有:微帶匹配網絡、微帶電路、微帶濾波器、帶狀線電路、帶狀線濾波器、過孔、偶合線分析、PCB板電路分析、PCB板干擾分析、橋式螺線電感器、平面高溫超導電路分析、毫米波集成電路(MMIC)設計和分析、混合匹配的電路分析、HDI和LTCC轉換、單層或多層傳輸線的精確分析、多層的平面電路分析、單層或多層的平面天線分析、平面天線陣分析、平面偶合孔的分析等。3)IE3D仿真軟件IE3D也是一個基于矩量法的電磁場仿真工具，主要用于分析多層介質環境下的三維金屬結構的電流分布。它利用積分的方式求解Maxwell方程組，以解決電磁波的不連續性效應、耦合效應以及輻射效應問題。IE3D在微波/毫米波集成電路(MMIC)、RF印制板電路、微帶天線、線天線和其他形式的RF天線、HTS電路及濾波器、IC的內部連接和高速數字電路封裝等方面的設計是一個非常有用的工具。4)Microwaveoffice仿真軟件MicrowaveOffices仿真軟件主要用于射頻和微波電路的設計。由全球高頻電子自動化設計軟件供應商AWR公司推出，是一種面向對象的數據庫，包括從設計概念到實現實際結構所需的所有工具，且這些工具集成在一個獨立的、便于操作的環境中。MicrowaveOffice軟件包括線性和非線性線路模擬器、EM分析工具、版圖對示意圖的檢查、統計設計能力和嵌入式(DRC)數據記錄控制器的參數單元數據庫等所有必要的技術。MicrowaveOffice軟件通過一個統一的數據模型和包括所有設計域的設計環境，可縮小高頻設計過程與已存在的設計方法在理論上的差距，也可增強系統規范與電路性能。在設計過程中，由于考慮了整個高頻非理想系統、電路、布線、封裝以及電路板實現的影響，因此采用該軟件設計的產品其研制周期大大縮短。MicrowaveOffice軟件具有強大的時域與頻域分析能力和電磁分析能力，且與Sonnet軟件互用性好，該軟件已成為毫米波集成電路設計開發的標準。1.5電子系統設計資料查找1.5.1整體方案設計資料查找在電子系統整體方案設計階段，一般要弄清楚四個方面的問題:(1)整個系統的工作原理。(2)到目前為止有哪些已采用過的算法與整體方案。(3)在算法實現與整體設計中要采用哪些主要的技術手段。(4)當前同類電子系統的技術水平或性能價格比評價。通過這四個方面的研究，達到對電子系統總體上初步了解的目的，并可對電子系統的可行性有一個初步判斷。圍繞這四個方面的內容，其資料查找可采用以下方法進行。1.由教科書查找電子系統原理性資料如果設計者面對的電子系統設計課題不是原創性的新系統，而是在已有類似產品的前提下的仿造、改造或新型號設計，即電子系統的工作原理已公開，應首先查找與該電子系統有關的專業教科書。專業教科書的特點是其內容和深度都是經本專業專家集體審定的，內容比較全面。但一般教科書在講述電子系統時，只注重原理介紹，往往不涉及技術細節，并且不同時期的教科書側重點有所區別，為了全面弄清楚電子系統的工作原理，多查找幾本相關的書籍也是很有必要的。2.從設備專著和期刊中深入了解設備的原理在中文科技書籍中，有對某一種設備、系統進行全面深入闡述的，也有對其中的某一部分進行專題闡述的，它們統稱為專著。針對專用電子設備的專著，通過中國圖書館圖書分類法可以很方便地找到它們在圖書館中的索引號。通常這類專著的書名往往會有電子設備的名稱，利用檢索工具可以很方便地找到所需要的書籍。從科技期刊中也能查找到電子設備原理、組成、相關算法等方面的資料。科技期刊中的一些學術論文較快地反映了某一電子設備或系統的研制信息，包括原理、算法、整體方框圖以及技術指標等內容。科技期刊上的文章反映的是國際與國內最近研究成果，具有先進性。有的文章是對國內外某一設備的性能或發展的綜合性評述，有助于設計人員了解某一設備的科技發展情況。3.通過查找國家標準或國際標準明確對電子設備的規范性要求國家標準或國際標準的制定有利于產品質量的控制，可保證設備的通用性和零配件的互換性，也有利于設備的推廣。標準有強制性與建議性之分，同時標準也在不斷更改與完善。有時新標準制定時不但要反映出技術的新進展，還要兼容以往老標準。一些電子設備的標準對設備的整體結構、數據格式、數據的電參數等都有明確要求。甚至有些標準不但對系統設計提出了要求，還相應地建立了系統測試標準，對系統測試方法、使用的儀表及性能都有明確規定。4.通過查找市場現有設備技術說明了解當前技術水平和性價比情況在電子系統整體方案設計階段，首先要搞清楚技術指標的可行性，而判斷可行性的一種快捷方法就是查找目前市場上同類設備的技術指標與價格。產品說明書中有其技術指標。通常大型正規生產廠家都制定有廠內標準，且廠內標準一般高于國家標準與國際標準，以保證出廠產品的質量。產品說明書上標出的技術指標不應低于國家標準。通過了解技術指標，可以了解、比較現在上市設備的技術水平，為電子系統的可行性提供判斷依據。1.5.2單元電路方案設計資料查找電子系統的整體方案確定后，各類電信號的采集、存儲、運算、處理、傳輸和控制需要通過設計各種電子電路來實現。這一階段的設計工作稱為單元電路方案設計。設計單元電路之前需要查閱相關資料。在查閱單元電路資料時，可根據不同的查閱目的從教科書、專著、科技期刊、電路手冊、專利、元器件手冊以及以前研制項目的資料等方面去查找。1.原理性電路資料查找單元電路設計的第一步就是選擇合適的電路類型與結構，而選擇電路類型與結構的基礎就是對各種電路工作原理的了解。專業教材大都會全面介紹各種典型電路的工作原理，從這些教材中了解電路工作原理，并選擇合適的電路是最基本的方法。2.實用性電路資料查找有許多專著性的書籍在電路的理論性與實用性兩方面都進行了詳細闡述，包括原理概述、設計公式、參數選取、應用細節以及典型實用電路等內容。3.基于集成器件手冊對應用電路與參數的查找生產集成電路的廠家在給出集成器件功能與參數的同時，幾乎都給出了該器件一些典型的應用電路與外圍電路器件的參數值。器件手冊上的參考電路有助于該器件在電路設計中的應用，手冊給出的外圍器件參數對設計者通常具有重要的參考價值。4.從科技期刊與專利中查找科技期刊中不但有某一設備的構成原理、整機方案，而且有些論文還會給出具體電路，或者盡管有些論文未給出具體電路，但會給出設計電路的思路，因此，科技期刊也是單元電路設計參考資料的重要來源。另外，專利也是查找單元電路資料的重要來源。1.5.3元器件資料查找查找元器件資料的目的主要有以下幾個方面:(1)查詢某類元器件的工作原理。(2)查找該器件的典型應用電路。(3)根據電路功能和參數需求查找合適的元器件型號。(4)根據已知元器件型號查找元器件的功能與參數。(5)已知元器件型號與參數查找替代的元器件。元器件資料的查找可通過互聯網、元器件手冊以及廠商提供的數據光盤等幾種途徑來實現。1.元器件基本工作原理的查找對于應用電子技術解決實踐需求的設計者來說，是以使用元器件為目的的。有關電子元器件原理的資料可通過實踐與實驗類教材和以應用為目的的專業書籍，以及生產廠家提供的數據手冊(Datasheet)來查找。2.替代元器件資料的查找元器件是有生命周期的，一般要經歷新產品試用期、推廣期、衰退期，直到停產。停產后的元器件難以買到，此外，由于貨源關系，也可能導致買不到原來型號的器件，再就是有了更新、更好且與原來型號兼容的新器件。在這種情況下，往往要通過查閱資料來尋找替代的元器件。元器件的替代一方面可通過在專門的替代手冊中尋找，另一方面在已知原有器件的功能與參數的條件下，也可從一般手冊中尋找。在尋找替代元器件時要注意以下兩點:(1)管腳的兼容性。在尋找替代元器件時首先要考慮替代元器件的管腳是否與原元器件的管腳一致，不一致將會給元器件的安裝帶來麻煩。(2)參數的區別。有些器件管腳和功能是兼容的，但器件的電路參數存在差別，在替代前要分析參數指標是否滿足要求。最后需要特別強調的是，互聯網對于電子系統設計與開發具有重要的作用，無論是整體方案設計資料的查找，還是單元電路方案設計資料的查找以及元器件資料的查找，都可以將互聯網作為首選渠道。2.1電子系統基本結構

2.2電子系統主要性能指標

2.3發射機組成與性能指標

2.4接收機組成與性能指標

2.5分貝及其應用2.1電子系統基本結構2.1.1傳統實現結構對于通信系統來說,按照傳遞信息的媒質不同,可以分為有線通信系統與無線通信系統;按照傳輸的是模擬信號還是數字信號,可以分為模擬通信系統與數字通信系統。由于數字通信體制具有抗干擾能力強、傳輸差錯可以控制、易于加密且保密性強、便于采用數字信號處理技術對信息進行處理以及可以傳遞各種消息等優點,現有系統大多采用數字通信體制。模擬信號也通過模/數轉換變成數字信號,采用數字通信系統傳輸。另外,由于無線通信系統相對于有線通信系統具有受地理條件影響小、安裝架設方便、機動性強、成本低的優點,在現代通信中大多采用無線數字通信體制,例如4G與5G移動通信系統就是典型的例子。無線數字通信系統傳統實現結構如圖2.1所示。信息源的作用是將待傳送的消息轉換成電信號,該電信號輸入到發射基帶信號處理單元,發射基帶信號處理單元對基帶信號進行相應的處理。在數字通信系統中,通常將調制前與解調后的信號稱為基帶信號。依據工作環境與實現功能的不同,不同系統的發射基帶信號處理單元的組成也不同。對于數字通信系統來說,該單元最基本的功能就是將模擬信號轉換成數字信號。該變換屬于信源編碼的范疇,也是信源編碼的任務之一。除此之外,信源編碼的主要任務還包括減少冗余信息,提高數字信號傳輸的有效性。可將模/數(A/D)轉換模塊看成是最簡單的信源編碼裝置。為了滿足模/數轉換器對模擬電信號的幅度要求,通常會將信號調理模塊放在轉換器之前。需要說明的是,信源編碼要完成模/數轉換與提高數字信號傳輸有效性兩大任務,僅采用模/數轉換器是無法實現的。目前主要采用信號波形與特征提取相結合的方式來表達模擬信號的有用信息,并完成信源編碼,以實現信源編碼的兩大任務。對于傳輸信道不穩定的數字通信系統來說(如移動通信系統),突發干擾會導致某一時間段傳輸誤碼率高的問題,為了減小這方面的影響,在發射基帶信號處理單元需要有塊交織單元。對于有保密要求的系統來說,需要有加密單元。為了減小信道干擾的影響,需要有信道編碼單元。通過以上簡單分析可以看出,發射基帶信號處理單元根據具體系統的需要可由信號調理、信源編碼、塊交織、加密以及信道編碼中的一部分或幾部分組成。信號調理與模/數轉換為發射基帶信號處理單元最簡單、最基本的組成部分。由發射基帶信號處理單元輸出的信號為幅值離散的電平序列,即數字信號。由于幅值離散的電平序列具有較低的頻譜分量,一般不能直接作為無線傳輸的信號,必須將該信號轉換成其頻帶適合信道傳輸的信號,該功能由信號調制單元實現。信號調制單元將要傳輸的信息寄托在頻率較高的電信號的某一參量上,這個攜帶有傳輸信息的信號稱為已調制信號。對于二進制傳輸系統來說,根據攜帶傳輸信息的電參量不同,已調制信號分為振幅鍵控(ASK)信號、頻移鍵控(FSK)信號以及相移鍵控(PSK)信號,其傳輸信息分別包含在已調制信號的振幅、頻率以及相位之中。如果調制器直接將要傳輸的信息調制到適合無線傳輸的射頻載波的電參量上,則將調制器的輸出進行射頻放大與功率放大后,由發射天線發射即可。對于上面的例子來說,當接收端接收的是頻率為f1的信號時,將得到數字信息“1”,而當接收的是頻率為f2的信號時,將得到數字信息“0”。在實際工程實現中,幾乎不采用這種直接調制的方案,取而代之的是圖2.1所示的超外差結構,即采用多次混頻的方式,將輸入信號上變頻到射頻載波上。其主要原因是:一個通信系統通常可以在多個波道上工作,當改變工作波道時,采用直接調制的方案,信號調制器以及后續單元電路都需要改變,以適應不同的工作頻率,這在工程上顯然是無法接受的。在同樣的情況下當采用的是超外差結構時,通過改變第一本地振蕩器的頻率控制字即可實現波道的改變,硬件不需要作任何調整。也就是說,采用超外差結構給工程實現提供了方便。采用多次混頻的另一原因是,采用多次帶通濾波濾除混頻后不需要的頻譜分量比采用一次帶通濾波在工程上更容易實現。信號調制器輸出的已調制信號與第二本地振蕩器輸出的頻率為fL2的本振信號進行第一次上混頻,輸出頻率為fI的中頻調制信號,已調制信號的頻譜被搬移到以fI為中心的頻帶上。由于混頻器輸出的中頻信號的中心頻率fI比輸入信號的中心頻率高,所以稱為上混頻。該中頻頻率與系統工作波道無關。也就是說,無論系統工作在哪一個波道,第一次上混頻后輸出的中頻頻率為常數,以簡化工程實現。在混頻器的輸出信號中,由于中心頻率分別為本振與輸入信號中心頻率之和與之差(簡稱和頻與差頻),這兩個頻帶上均包含相同的有用信號頻譜,因此發射機在混頻后需要采用帶通濾波器濾除不需要的頻譜分量,以保留以和頻為中頻的已調制信號。經濾波后的信號為了滿足第二次混頻對信號幅度的要求,需進行放大處理。與第一次混頻的工作原理相同,放大后的中心頻率為fI的中頻調制信號與第一本地振蕩器輸出的頻率為fL1的本振信號進行第二次上混頻,并通過帶通濾波與放大處理,輸出中心頻率為和頻fC的已調制射頻信號。這樣,經過兩次混頻,信號頻譜就從不適合無線傳輸的低頻頻段搬移到適合無線傳輸的射頻頻段上。需要說明的是,當系統工作波道不同時,輸出射頻信號的中心頻率也會發生相應變化。為了滿足系統所有工作波道的要求,第二次混頻后的帶通濾波器的帶寬需覆蓋系統所有射頻范圍。要保證系統在整個工作區域內正常工作,僅僅對信號進行幅度放大是無法實現的,必須對信號進行功率放大。經功率放大器進行功率放大后達到設計功率要求的射頻信號再經雙工器以及射頻電纜或波導饋送到發射天線,最后由全向天線或方向天線以電磁波的形式向空中輻射。到此為止,就實現了信號的發射與傳輸。電磁波在空間的傳播隨著距離的增加會逐漸衰減,這樣接收機的接收天線感應的信號功率會隨著發射機與接收機的距離不同而發生變化。當兩者的距離較近時,接收信號的功率就大,反之就小。在設計接收機時,必須保證接收的信號功率在某一范圍內變化時接收機都能正常接收信號。衡量該特性的指標為系統工作的動態范圍、接收機靈敏度等參數。接收天線感應的信號經射頻電纜或波導、雙工器后,送到帶通濾波器,濾除帶外加性噪聲,以提高信噪比。由于接收信號很弱,要求射頻電纜或波導、雙工器以及帶通濾波器的損耗要盡量小,因此在某些場合會將包括前置放大器以及主放大器在內的部件都安裝在靠近天線的位置,以減小射頻電纜或波導對天線感應信號的衰減。帶通濾波器輸出的信號經前置放大器與主放大器放大后送到第一混頻器,進行第一次下混頻,然后輸出中頻調制信號。前置放大器要求為低噪聲放大器(LNA),這是由于放大器在放大微弱信號時,自身的噪聲對信號會產生較大干擾,為減小自身噪聲對放大器輸出信噪比的不利影響,要求放大器產生的噪聲應盡量低。如果前置放大器不是低噪聲放大器的話,可能會出現自身產生噪聲的幅度大于經放大后的信號幅度的情況,導致有用信號被完全淹沒在噪聲之中,無法獲取有用信號。在設計低噪聲放大器時要特別兼顧增益與噪聲系數兩項指標,低噪聲放大器的放大倍數一般在10~20倍左右。主放大器對信號起主要放大作用,與前置放大器相比,主放大器對噪聲系數的要求要寬松得多,而對增益往往要求比較大。在接收機端,為了保證第一混頻器輸出的中頻頻率不隨工作波道發生變化,以達到后續單元電路通用性的目的,要求第一本地振蕩器頻率應隨著選擇的波道發生變化。該要求可根據工作波道而設置相應的頻率控制字來實現。另外,第一混頻器輸出的中頻頻率需要精心設計,一方面用于減小干擾哨聲的影響,另一方面用于減小后面帶通濾波器的工程實現難度,通常相對帶寬太寬或太窄的帶通濾波器在工程上都比較難實現。由于在接收機中混頻器輸出信號頻率比輸入信號頻率低,所以,接收機中的混頻器也稱為下混頻器。與發射機中的混頻器一樣,混頻輸出的和頻與差頻兩個中心頻率附近均包含相同的有用信號頻譜,接收機為了得到第一中頻為差頻的有用信號,同樣需要對輸出信號進行帶通濾波與放大處理。為了滿足系統大動態范圍的要求,該放大器通常為對數放大器。經帶通濾波與放大后輸出的第一中頻已調制信號被送到第二混頻器,完成二次混頻,進一步降低中頻頻率,并再次經帶通濾波與放大后,輸出第二中頻已調制信號。該信號在解調器單元完成對信號的解調,解調后的信號經低通濾波輸出基帶信號。到此為止,有用信號的頻譜就搬移到了低頻上。接收基帶信號處理單元的組成與發射基帶信號處理單元的組成相對應,比如發射基帶信號處理單元由加密與信道編碼模塊組成,則接收基帶信號處理單元一定包含信道譯碼與解密模塊,且組成順序相反。另外,在復雜電磁環境下接收的信號中會存在干擾,為了有效抑制干擾的影響,在接收基帶信號處理單元通常還會對基帶信號進行數字濾波處理。接收基帶信號處理單元的輸出經換能裝置后供受信者接收,以獲取發送者的信息。揚聲器就是一種最常見的將電信號轉換成聲波的換能裝置。2.1.2基于軟件無線電的實現結構自1992年由MILTRE公司的JeoMitola提出軟件無線電(SoftwareRadio)或稱為軟件可定義的無線電以來,軟件無線電就一直引起人們的廣泛關注,經過多年研究已取得了引人注目的進展。特別是相應套片的研制使得軟件無線電在軍事通信、個人通信、雷達等諸多領域已進入實用階段。軟件無線電是無線通信領域的一種新的通信體系結構,它以現代通信理論為基礎,以數字信號處理為核心,以微電子技術為支撐,其基本思想是以開放性、可擴展性、結構最簡的硬件為通用平臺,把盡可能多的硬件功能模塊用可升級、可替換的軟件來實現。軟件無線電所具有的極強的靈活性和開放性等特點使得它成為電子系統的發展趨勢。軟件無線電的發展目標之一就是使A/D轉換與D/A轉換盡量靠近天線,減少模擬信號處理環節,提高通道的公用性。但考慮到實際電子系統的復雜性、成本以及器件水平(帶寬、速度等)等因素,目前A/D轉換與D/A轉換基本上均在二次中頻上實現,即采用一種超外差式的軟件無線電結構,其組成框圖如圖2.2所示。隨著DSP處理速度的提高,圖中數字下變頻(DDC)單元和數字上變頻(DUC)單元將由DSP處理機實現。圖2.2與圖2.1相比,其差別主要體現在對頻率低于二中頻信號(包括基帶信號)的處理上:第一,傳統電子系統中的A/D轉換和D/A轉換是針對基帶信號進行的,而軟件無線電結構是直接對中頻調制信號進行轉換;第二,對于不同調制方式信號的產生與解調,傳統電子系統由不同硬件電路實現,而軟件無線電結構由DDC、DUC、DSP處理機統一完成,也就是說,基于軟件無線電的結構通用性更強,不同的調制方式通過調用不同的軟件模塊即可實現。2.2電子系統主要性能指標電子系統的主要性能指標也稱為電子系統的主要質量指標,它們是從整個電子系統上綜合提出或規定的,主要性能指標的設計是電子系統設計的一項重要內容。在評述一個電子系統或者項目外協時,均與電子系統的主要指標密切相關,否則就無法衡量電子系統的質量優劣。一般來說,電子系統功能與工作環境不同,其要求的性能指標的種類與具體指標會存在很大差別。顯然,在主要技術指標中,前者不包括誤碼率,后者不包括測量精度。考慮到性能指標是電子系統設計的一項重要內容,同時不同電子系統的性能指標又存在很大差異,這里僅介紹電子系統的主要技術指標以及個別經常用到的指標,各個組成模塊或組成單元的技術指標將在相應章節進行介紹。在設計某一具體電子系統的整體技術指標時,可以在本節技術指標的基礎上進一步擴充與完善。1.系統工作區系統工作區是指電子系統在正常工作條件下,系統能夠可靠實現滿足指標要求的預定功能的最大可作用空間。系統工作區主要用來表示系統正常工作的覆蓋范圍。正確理解系統工作區要注意以下幾點:(1)工作區的前提條件是電子系統工作正常,即電子系統狀況良好,工作環境滿足要求。(2)在系統工作區內任何位置工作時能實現預定功能,且性能指標滿足規定值或設計值要求。(3)實現的功能與達到的技術指標要穩定可靠,不隨時間發生變化。(4)系統工作區是一個三維立體空間,其區域的大小通常由發射功率、接收靈敏度、系統動態范圍、天線形狀與增益、測量精度(或誤碼率)以及工作頻率等因素確定,有時也用最大作用距離來表示系統的工作區。2.頻率范圍頻率范圍由電子系統正常工作的最低頻率到最高頻率的范圍構成。有些電子系統按求設計成在一定頻率范圍內工作,有些系統則只能工作在某一固定的中心頻率上。依據電子系統的工作環境與覆蓋范圍不同,有的系統的頻率范圍分布在