（电路与系统专业论文）tdab发射机设计.pdf

摘要 摘要 数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t ，d a b ) 是目前最为先进的数字化多媒 体广播系统，正在逐渐替代原有的a m 和f m 广播系统。本文工作的主要内容是 完成数字音频广播系统中的t - d a b 发射机设计。在t - d a b 发射机设计过程中，从 系统需求和系统指标的分析，到发射机内部各个模块电路的设计，直至发射机系 统的制作与调试，都遵循了系统工程理论的思维模式和处理规范。在电路设计中， 针对关键的模拟电路模块进行了容差分析，采用了蒙特卡洛方法精确分析元器件 误差对电路指标的影响，并改进了模拟电路设计方案，从而提高了发射机系统电 路设计的可靠性。通过数字音频广播接收机以及相关设备和仪器的测试，结果表 明该发射机能够顺利实现预期的功能，可以正常工作在d a b 标准对b a n di i i 频段 限定的所有广播信道。本文的研究工作表明，采用系统工程理论的思维模式和处 理规范来指导电路系统设计实践，在关键模拟电路设计中进行必要的容差分析， 是提高电路系统设计可靠性的有效途径。 关键词：数字音频广播，系统工程，容差分析，蒙特卡洛方法，可靠性 a b s t r a c 玎 a b s t r a c t d i g i t a la u t ob r o a d c a s t ( d a b ) i sav e r yi n n o v a t i v em u l t i m e d i ab r o a d c a s ts y s t e m i t sa i mi st og r a d u a l l yr e p l a c et h ee x i s t i n ga ma n df ma u d i ob r o a d c a s ts y s t e m si ns o m e p a r t so ft h ew o r l d t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i sh a sd e t a i l e dap r o j e c to nd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h et - d a bt r a n s m i t t e rw h i c hi su s e dt of o r mad a bt r a n s m i s s i o n s y s t e m b o t ht h o u g h ts t y l ea n ds t r u c t u r eo ft h es y s t e m se n g i n e e r i n gm e t h o d o l o g yh a v e b e e na p p l i e di nt h ew h o l ep r o d u c t - l i f eo ft h et - d a bt r a n s m i t t e r , i n c l u d i n gs y s t e m r e q u i r e m e n t sd e f i n i t i o n , s y s t e ms p e c i f i c a t i o n sa n a l y s i s ，s u b s y s t e m sd e s i g n , f a b r i c a t i o n a n dd e b u g g i n go ft h et r a n s m i t t e r i nt e r m so fr e l i a b i l i t yf o rs o m ek e ya n a l o gc i r c u i t s ， m o n t ec a r l om e t h o dh a sb e e nu s e da sa ne f f e c t i v et o l e r a n c ea n a l y s i st o o lt oe s t i m a t et h e v a r i a t i o no fa n a l o gc i r c u i tp e r f o r m a n c e sc a u s e db yc o m p o n e n t s t o l e r a n c e ， a n d o p t i m i z e dt h ea n a l o gc i r c u i td e s i g ns o l u t i o n v a l i d a t i o nt e s t sw e r ec o n d u c t e dw i t ha d a br e c e i v e ra n do t h e ra s s o c i a t e de q u i p m e n t s t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et - d a b t r a n s m i t t e rp e r f o r m e da c c o r d i n gt oi t s s p e c i f i c a t i o n ，t h a ti s t o s a y , t h et - d a b t r a n s m i t t e rc a nw o r kp r o p e r l yo na l lt h eb r o a d c a s tc h a n n e l so fb a n di i il i m i t e di nd a b s t a n d a r d t h er e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i sh a sd e m o n s t r a t e dt h a t , s y s t e m se n g i n e e r i n g p r o c e s sw i t hs o m en e c e s s a r yt o l e r a n c ea n a l y s i si sa ne f f e c t i v ea n df e a s i b l ew a yt o a c h i e v er e l i a b l et e c h n i c a l s o l u t i o n si nt h ea r e ao fc i r c u i ts y s t e m sd e s i g n k e yw o r d s ：d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t , s y s t e m se n g i n e e r i n g ，t o l e r a n c ea n a l y s i s ，m o n t e c a r l om e t h o d ，r e l i a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：加1 0 年年月阿日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 日期：弘l d 年4 月污日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的选题背景和主要研究内容 t - d a b 发射机是数字音频广播系统的重要组成部分。数字音频广播( d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t ，d a b ) 始于1 9 8 6 年1 2 月的尤里卡( e u r e k a ) 计划，是目前最为 先进的数字化多媒体广播系统，正在逐渐替代原有的a m 和f m 广播系统【l 】。与传 统的a m 和f m 广播相比，d a b 具备音质纯净、发射功率低、节省频谱资源等优 点【2 1 。除此之外，d a b 还具有抗噪声、抗干扰、抗电波传播衰落的优点，解决了 城市多径传播和快速移动时产生的频率选择性衰落和时间选择性衰落问题 3 】1 4 ，在 移动接收情况下仍然可以收听高质量的广播节目。 目前世界上的d a b 系统大致可分为欧规e u r e k a - 1 4 7 、美国i b o c ( i n 。b a n d o n c h a n n e l ) 及法国d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) 三类，还有部分国家自行发展 了自主知识产权的d a b 系统，而我国目前的d a b 试播均采用e u r e k a - 1 4 7 系统。 依据相关标准，d a b 系统的使用频段被限定在了b a n di i i ( 1 7 牝4 0m h z ) 和lb a n d ( 1 4 5 2 - 1 4 9 2m h z ) 【5 】。美国军方强制保留了l b a n d 在美国境内的其他用途，仅将 b a n di i i 用于音频视频广播。此外，美国己与加拿大签署协议，后者将限制lb a n d 用于地面广播以避免干扰。从世界范围来看，大多数的d a b 广播系统主要使用了 b a n di i i 频段【6 】，这个频率范围的系统被称为t - d a b ( t e r r e s t r i a l d a b ) 。下表1 1 详细说明了d a b 标准中对b a n di i i 频段的信道划分。 表1 1d a bb a n d 信道划分 信道编号中心频率( m h z )频率范围( m h z ) 5 a1 7 4 9 2 81 7 4 1 6 0 - 1 7 5 6 9 6 5 b1 7 6 6 4 01 7 5 8 7 2 1 7 7 4 0 8 5 c1 7 8 3 5 217 7 6 8 4 17 9 1 2 0 5 d1 8 0 0 6 41 7 9 2 9 6 1 8 0 8 3 2 6 a1 8 1 9 3 61 8 1 1 6 8 1 8 2 7 0 4 6 b1 8 3 6 4 81 8 2 8 8 0 - 1 8 4 4 1 6 6 c 1 8 5 3 6 01 8 4 5 9 2 1 8 6 1 2 8 6 d1 8 7 0 7 2l8 6 3 0 4 18 7 8 4 0 电子科技大学硕士学位论文 7 a 1 8 8 9 2 818 8 1 6 18 9 6 9 6 7 b1 9 0 6 4 j d 1 8 9 8 7 2 1 9 1 4 0 8 7 c1 9 2 3 5 2 1 9 1 5 8 4 - - , 1 9 3 1 2 0 7 d1 9 4 0 6 4 1 9 3 2 9 6 1 9 4 8 3 2 8 a1 9 5 9 3 6 1 9 5 1 6 8 1 9 6 7 0 4 8 b1 9 7 6 4 8 1 9 6 。8 8 1 9 8 4 1 6 8 c1 9 9 3 6 019 8 5 9 2 2 0 0 12 8 8 d2 0 1 0 7 2 2 0 0 3 0 4 一忍o1 8 4 0 9 a2 0 2 9 2 82 0 2 16 0 也0 3 6 9 6 9 b2 0 4 6 4 0 2 0 3 8 7 2 忍0 5 4 8 0 9 c2 0 6 3 5 2 2 0 5 5 8 参也0 7 1 2 0 9 d2 0 8 0 6 42 0 7 2 9 6 , - - 2 0 8 8 3 2 1 0 a2 0 9 9 3 6 2 0 9 1 6 8 2 1 0 7 0 4 1 0 b2 1 1 6 4 82 1 0 8 8 0 - - - 2 1 2 4 1 6 1 0 c2 1 3 3 6 0 2 1 2 5 9 2 2 1 4 1 2 8 l o d2 1 5 0 7 22 1 4 3 0 4 一乏1 5 8 4 0 l l a2 1 6 9 2 8 2 1 6 1 6 0 2 1 7 6 9 6 1 l b2 1 8 6 4 02 1 7 8 7 2 2 1 9 4 0 8 1 l c2 2 0 3 5 2 2 1 9 5 4 8 2 2 1 1 2 0 l l d2 2 2 0 6 42 21 2 9 6 2 2 2 8 3 2 1 2 a2 2 3 9 3 62 2 3 16 8 2 2 4 7 0 4 1 2 b2 2 5 6 4 8 2 2 4 8 8 0 2 2 6 4 1 6 1 2 c2 2 7 3 6 02 2 6 5 9 2 2 2 8 1 2 8 1 2 d2 2 9 0 7 2 2 2 8 3 0 4 一也2 9 8 4 0 1 3 a2 3 0 7 8 42 3 0 016 - - - 2 31 5 5 2 1 3 b 2 3 2 4 9 62 31 7 2 8 2 3 3 2 6 4 1 3 c2 3 4 2 0 8 2 3 3 4 4 0 - - - 2 3 4 9 7 6 1 3 d 2 3 5 7 7 6 2 3 5 0 0 8 2 3 6 5 4 4 1 3 e2 3 7 4 8 8 2 3 6 7 2 0 - - - 2 3 8 2 5 6 1 3 f 2 3 9 2 0 0 2 3 8 4 3 2 - - 2 3 9 9 6 8 2 第一章绪论 d a b 系统由发射系统和接收系统两部分组成。发射系统由信源编码器、信道 编码器、多路复用器、o f d m 调制器以及模拟射频等部分组成；而接收系统则由 调谐器、d a b 解码模块、数据业务解码器、接口及系统总控等部分组成。图1 1 所示为d a b 系统的组成模块。本论文工作中的t - d a b 发射机设计便与图1 1 中的 d a b 发射系统相关，将图中的i q 调制器和发射机整合。 厂一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 、 i 童塑塑塑堡h 信道编码卜 多 天线 i q 发 音频源编码h 信道编码。卜 路 o f d m 基带调j 复 制 射 用 信号调制器 机 器 器 音频源编码h 信道编码卜d a b 发射系统 j 【j ， 叫音频源编码h 信道编码 天线 调 l q 解 谐 解o f d m 基带复1叫音频源编码h 信道编码 调 器 信号解调器 用 器器 n n 控曲玄纺叫音频源编码h 信道编码 l 一1 图1 1d a b 系统原理框图 1 2 本文的主要工作 本文的主要工作是利用系统工程( s y s t e m se n g i n e e r i n g ) 理论的逻辑思维方法， 来规划和构建t - d a b 发射机的系统解决方案。针对t - d a b 发射机中关键的模拟电 路功能模块设计工作，利用蒙特卡洛分析方法综合考察电子元器件误差对模拟电 路性能造成的影响，并根据分析结果改进电路设计方案，以期最终得到高可靠性 的电路设计方案。在完成电路设计方案后，再通过t - d a b 发射机的制作和测试工 作来考察发射机的性能，验证系统设计方案的准确性。 在论文的撰写工作中，务求真实、清晰地展示系统工程方法学的思维模式和 处理规范在t - d a b 发射机设计实践过程中所起到的重要作用。第三、四、五章的 内容详细描述了t - d a b 发射机的系统开发设计过程，是本文的重点，也是创新所 电子科技大学硕士学位论文 在。各章节内容安排如下： 第一章“绪论 阐述了本文的选题背景和主要研究内容，并介绍了d a b 系统 相关的基本知识。 第二章“系统工程理论分析 主要分析系统工程理论的基本概念和原理，并 深入研究以系统工程理论方法学为指导的系统最优化方案设计流程。 第三章“基于系统工程理论的t - d a b 发射机系统分析刀利用系统工程方法学 的思维模式开启t - d a b 发射机的系统设计工作，在这一章中主要完成与t - d a b 发射 机有关的各种系统需求定义。 第四章“基于系统工程理论的t - d a b 发射机设计方案将依据上一章得到的 t - d a b 发射机的系统需求处理结果，继续利用系统工程方法学的思维模式完成详 细的技术解决方案。在关键的模拟电路分析与设计中，将采用蒙特卡洛方法分析 元件误差对电路性能的影响，从而提高和改善电路设计方案的可靠性。 第五章“系统实现与调试 继续利用系统工程理论的处理方法，首先分析 t - d a b 发射机的p c b 设计工作，然后描述利用相关设备和仪器测试发射机性能的 过程，用实际测试结果验证了系统设计方案的准确性。 第六章“结论 总结了本文的工作，指出了今后需要进一步研究的方向。 4 第二章系统工程理论分析 第二章系统工程理论分析 在这一章中，将主要分析系统工程( s y s t e m se n g i n e e r i n g ) 理论的发展背景、 基本理论和核心思想，并深入研究以系统工程理论方法学( s y s t e m se n g i n e e r i n g m e t h o d o l o g y ) 为指导的系统最优化方案设计处理流程。 2 1 系统工程背景概况 系统工程( s y s t e m se n g i n e e r i n g ) 是- - n 专注于复杂系统的设计、制造、操作、 维护、管理等方面的跨多学科领域的方法学理论【7 1 。系统工程的研究对象系统， 可以看作是由一群有关联的个体组成的群体，依据某些预先设定好的规则工作， 这些个体作为一个整体能够完成个体所不能单独完成的工作【8 】。系统可以由包括人 力、硬件、软件、设备、政策和文件等在内的形形色色的个体通过有机结合，来 实现单个个体所不能完成的各种系统级的需求。 系统工程一词，可以追溯到十九世纪四十年代的贝尔电话实验室。到1 9 9 0 年， 美国的许多公司和组织合作成立了一个关于系统工程的专业协会一美国系统工 程协会( t h en a t i o n a lc o u n c i lo ns y s t e m se n g i n e e r i n g ，n c o s e ) 。n c o s e 创立的宗 旨是为处理和改善复杂系统工程事务、以及满足开展系统工程学科教育的需求【9 】。 随着美国境外系统工程师的大幅成长，该组织于1 9 9 5 年改名为“国际系统工程协 会 ( t h ei n t e r n a t i o n a lc o u n c i lo ns y s t e m se n g i n e e r i n g ，i n c o s e ) 【l 训。目前，世界 上许多国家的大学都提供系统工程的研究生课程，和工程师专业进修教育课程。 系统工程是一门涉及应用数学( 如概率论、网络理论、最优化方法等) 、基础 理论( 如信息论、控制论、可靠性理论等) 、系统技术( 如系统模拟、通信系统等) 以及经济学、管理学、社会学、心理学等各种学科的高度综合性的管理工程技术。 在系统设计、生产、制造、使用、回收的完整环节中，系统工程能够正确指导如 何设计才能满足系统对功能、物理、操作等方方面面的需求。系统工程是针对在 系统设计过程中所面临的多种制约条件下，如何平衡系统设计的理想目标与实际 制约因素之间的关系，如何科学、有效地完成满足系统需求的设计工作【1 1 1 。简而 言之，系统工程不仅仅是实现系统最优化的科学，它更是一种科学的逻辑思维方 式。 电子科技大学硕士学位论文 在系统实现过程中，系统工程师负责系统需求定义、系统结构划分、系统内 部接口规范定义、评估设计方案、提供测试标准等等一系列至关重要的任务。因 此，系统工程师必须掌握系统工程学科所体现的在系统构建过程中寻求技术和管 理之间最佳平衡点、寻求系统最佳实现方案的科学的逻辑思维方式。由于每一个 复杂系统都可以分解为多个子系统，复杂系统设计工作中的每一位工程师在某种 程度上都是系统工程师，因此学习和利用系统工程方法学，实现产品的最优化设 计是每一位工程师的应有职责。 2 2 系统工程理论的设计思维分析 依据专注于复杂太空系统设计的美国国家航空航天总局( n a s a ) 对系统工程 方法学的研究和发展成果，利用系统工程方法学的系统设计处理过程可以划分为 五个重要步骤：定义( d e f i n i t i o n ) 、设计( d e s i g n ) 、实现( r e a l i z a t i o n ) 、技术管 理( t e c h n i c a lm a n a g e m e n t ) 、技术评估( t e c h n i c a le v a l u a t i o n ) 【1 2 1 。图2 1 所示为 系统工程方法学的系统工程处理关键步骤及其相互关系，从图中可以看出定义、 设计、实现三个步骤是先后依次处理的级联关系，前一个步骤的处理结果将作为 下一个步骤的输入条件，而下一个步骤的处理结果又会反馈回来，引起上一个步 骤的重新运行，直至完成设计方案。 图2 - 1 系统工程处理的关键步骤 在系统设计处理过程中，系统设计( s y s t e md e s i g n ) ，产品实现( p r o d u c t r e a l i z a t i o n ) 、技术管理( t e c h n i c a lm a n a g e m e n t ) 这三个状态是最为重要的。对于 一个复杂系统产品从设计到生产制造的过程来说，系统设计、产品实现、技术管 6 第二章系统工程理论分析 理三个状态的内部处理以及各个状态相互之间的关系，如图2 - 2 系统工程处理的流 程图所示，引导着系统从概念的产生逐步走向完善成熟的终端产品。在系统工程 方法学的思维模式中，循环( r e c u r s i v e ) 和迭代( i t e r a t i v e ) 是贯穿整个系统设计 处理过程的关键词【l3 1 。不管是复杂系统的设计，还是简单系统的设计，必须遵循 反复循环和迭代的原则，当完成复杂系统的逻辑分解后，针对每一个待设计的子 系统，又需要将其看作一个复杂系统，重新利用系统工程的处理方法进行系统设 计；针对设计完成的子系统技术方案又需要层层迭代，直至验证由所有子系统技 术方案有机结合的产物能够满足总的系统级设计需求，方可进入系统制造和测试 阶段。也只有通过不断地循环和迭代，才能够保证依据系统工程分析方法得到的 设计方案是最优设计方案。 依据上图2 2 系统工程处理流程图所示通过系统设计处理( s y s t e md e s i g n p r o c e s s e s ) 和产品实现处理( p r o d u c t i o nr e a l i z a t i o np r o c e s s e s ) ，以及贯穿整个设计 过程的技术管理处理( t e c h n i c a lm a n a g e m e n tp r o c e s s e s ) ，可以引导一个初期模糊 的概念逐渐成长为成熟的终端产品。在这样一个由模糊概念到终端产品的产品周 期过程中，图2 2 所示的系统工程处理流程将会被循环和迭代的充分使用。依据系 统工程的处理流程，可以将这个产品周期划分为七个阶段。 系统需求处理 1 利益相关者期望 定义 2 技术需求定义 上 技术方案处理 3 系统逻辑划分 4 技术解决方案 技术管理处理 r1 。2 2 2 2 2 2 。2 2 彳 i技术规划处理 l 1 0 技术规划 1i l _ j 技术控制处理 1 1 指标需求管理 1 2 系统接口管理 1 3 技术风险管理 1 4 系统配置管理 1 5 技术资料管理 产品实现焘秋 i 产品转换处理 i i 9 产品转换 i!千 l 评估处理 i h 7 产品确认 8 产品验证 t 设计实现处理 5 产品执行 6 产品集成 i 图2 - 2 系统工程处理流程图 7 獭实现处理应当循环l i 和迭代的应用于最底层i i 产品到终端产品的实现； 川川川川川州川川川川川川川。l 电子科技大学硕士学位论文 i 二二! 至竺里兰兰堡里i 图2 3 系统工程处理流程与产品周期的关系 1 概念研究( c o n c e p ts t u d y ) 。该阶段的主要任务是深入分析初始的模糊概念， 将其转变为一个概要的系统级需求，并且需要通过严格的模型验证、仿真验证来 确保概要的系统级需求可以满足初始的模糊概念。 2 概念和技术深化( c o n c e p ta n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ) 。该阶段用来完成 系统功能的详细定义、系统结构的逻辑划分以及子系统的指标划分。在这个阶段 中需要对系统设计中的关键任务或技术难题进行模型验证或仿真验证以确保所有 子系统是可设计和可实现的。 3 初步技术设计( p r e l i m i n a r yd e s i g na n dt e c h n o l o g yc o m p l e t i o n ) 。该阶段需要 循环、递归的利用系统工程引擎，直到通过模型或仿真分析确认各个子系统的功 能指标能够匹配概念研究( c o n c e p ts t u d y ) 阶段得到的系统级需求。 4 最终设计和制造( f i n a ld e s i g na n df a b r i c a t i o n ) 该阶段需要继续循环、递归 的使用系统工程引擎中的系统设计( s y s t e r nd e s i g n ) 状态，直到完成所有子系统、 子模块技术方案，然后开始各子系统的制作。 5 系统集成( s y s t e ma s s e m b l y , i n t e g r a t i o na n dt e s t ，l a u n c h ) 。该阶段着重使用 系统工程引擎中的产品实现( p r o d u c t i o nr e a l i z a t i o n ) 状态，直到完成与终端产品 相关的所有子系统、子模块制造和装配，尤其要注意通过相关的测试和验证，以 确保所有的子系统、子模块符合设计指标。 6 操作和维护( o p e r a t i o n sa n ds u s t a i n m e n t ) 。在这个阶段将利用系统工程引擎 8 第二章系统工程理论分析 中的t e c h n i c a lm a n a g e m e n t 状态来完成系统的操作测试、技术维护等。 7 项目完工( c l o s e o u t ) 。在产品进入到这个阶段后，如果对设计完成的产品 有什么新的功能需求，必须把新的需求作为新的系统或产品看待，重新利用系统 工程的分析方法进行设计，不能够在现有产品上直接更改。 在图2 3 所示的框图中，形象说明了在产品周期的各个阶段，系统工程方法学 所要完成的功能。在图中最顶层的方块将系统设计和实施过程简单划分成了设计 方案规划( f o r m u l a t i o n ) 和设计方案执行( i m p l e m e n t a t i o n ) 两大部分，第一部分 设计方案规划的实现过程使用了图2 2 所示系统工程处理流程中的系统设计处理 状态的分析设计方法，而第二部分设计方案执行则与图2 2 所示系统工程处理流程 图中产品实现处理状态和技术管理处理状态息息相关。第二层的方块图为前文描 述的产品周期的七个阶段，其中前三个阶段属于设计方案规划，后四个阶段属于 设计方案执行。图中最下层的方块则显示了系统工程处理流程图中技术管理处理 在产品周期7 个阶段中的不同作用。 综合考虑系统设计任务的复杂度以及对人力资源的需求，本论文工作中的 t - d a b 发射机系统集成中主要涉及到了系统工程处理流程图中的两个状态：系统 设计处理( s y s t e md e s i g np r o c e s s e s ) 和产品实现处理( p r o d u c tr e a l i z a t i o n p r o c e s s e s ) 。下面将进一步详细分析，在系统工程方法学中，系统设计和产品实现 需要遵循的一些基本原理和规范。 2 2 1 基于系统工程理论的系统设计方法 系统设计处理在图2 2 中包括了四个步骤：利益相关者期望定义( s t a k e h o l d e r e x p e c t a t i o nd e f i n i t i o n ) 、技术需求定义( t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sd e f i n i t i o n ) 、系统 逻辑分解( l o g i c a ld e c o m p o s i t i o n ) 、技术解决方案( d e s i g ns o l u t i o nd e f i n i t i o n ) ， 前两个步骤属于系统需求处理( r e q u i r e m e n t sd e f i n i t i o np r o c e s s e s ) ，后两个步骤属 于技术方案处理( t e c h n i c a ls o l u t i o nd e f i n i t i o np r o c e s s e s ) 。基于系统工程理论的系 统设计方法利用上述四个步骤，首先分析和确定与待设计系统或终端产品有利益 关系的利益相关者的期望定义，然后利用得到的准确的利益相关者期望生成一个 系统级技术需求，最后将系统级技术需求转换为一份详细的并且能够满足利息相 关者所有需求的设计方案。 图2 _ 4 所示基于系统工程理论的系统设计方法流程图准确描述了系统设计处 理包含的四大步骤之间的相互关系。系统设计工作从搜集和确认所有的利益相关 9 电子科技大学硕士学位论文 者的期望开始，这些期望不仅包括任务目标( m i s s i o no b j e c t i v e s ) 、约束条件 ( c o n s t r a i n s ) 、操作和运行目标( o p e r a t i o n a lo b j e c t i v e s ) ，还应当包括确认任务成功 的标准( c r i t e r i af o rd e f i n i n gm i s s i o ns u c c e s s ) 。在系统工程理论的处理方法中，利 益相关者的期望，以及由此生成的系统级需求用来驱动系统逻辑分解处理，同时 将逻辑分解产生的环路与系统级需求相比较，通过反复循环和迭代的处理，这个 环路最终将得到详尽的系统结构划分，子系统的技术需求，比如模块功能定义、 系统内部接口定义等等。在系统逻辑分解的过程中，必须通过反复的循环和迭代 来确认系统逻辑分解的处理结果能够满足利息相关者的所有期望。在技术方案设 计过程中，可以通过这样一些问题来帮助判断设计方案是否能够满足预期指标： 系统能否正常工作? 系统的稳定性和安全性是否良好? 系统实施方案是否满足经 费和时间的限制? 只有当所有技术方案被模型验证、仿真验证可以满足利益相关 者的所有期望时，基于系统工程理论的系统设计处理过程才算结束。 开始 翮 团队p 利益相关 者期望 i 任务目标 l 约束条件 操作和运 行目标 任务成功 判定标准 到獭犁 只 至新定 需求? 设计方案循环分析环路 芳橐夏嗣j 衍生指标 和产品实ii 功能需求 现的分解ii 性能需求 结构 l 接口需求 l 操作需求 系统操作和运行概念 功能分析 性能分析 更底层 图2 - 4 基于系统工程理论的系统设计方法流程图 图2 4 所示基于系统工程理论的系统设计方法流程图准确描述了系统设计处 理包含的四大步骤之间的相互关系。系统设计工作从搜集和确认所有的利益相关 者的期望开始，这些期望不仅包括任务目标( m i s s i o no b j e c t i v e s ) 、约束条件 ( c o n s t r a i n s ) 、操作和运行目标( o p e r a t i o n a lo b j e c t i v e s ) ，还应当包括确认任务成功 的标准( c r i t e r i af o rd e f i n i n gm i s s i o ns u c c e s s ) 。在系统工程理论的处理方法中，利 1 0 第二章系统工程理论分析 益相关者的期望，以及由此生成的系统级需求用来驱动系统逻辑分解处理，同时 将逻辑分解产生的环路与系统级需求相比较，通过反复循环和迭代的处理，这个 环路最终将得到详尽的系统结构划分和子系统的技术需求，比如模块功能定义、 系统内部接口定义等等。在系统逻辑分解的过程中，必须通过反复的循环和迭代 来确认系统逻辑分解的处理结果能够满足利息相关者的所有期望。在技术方案设 计过程中，可以通过这样一些问题来帮助判断设计方案是否能够满足预期指标： 系统能否正常工作? 系统的稳定性和安全性是否良好? 系统实施方案是否满足经 费和时间的限制? 只有当所有技术方案被模型验证、仿真验证可以满足利益相关 者的所有期望时，基于系统工程理论的系统设计处理过程才算结束。 通过上述图表和文字的简单分析，不难发现在基于系统工程理论的系统设计 过程中，其内部各个步骤之间总存在着迭代和循环的关系。在系统设计步骤中， 有如下一些关键点必须引起重视： 1 准确理解和定义任务目标、系统操作和运行目标是确认利益相关者期望的 关键。 2 全面、彻底的需求分析是获得正确的设计验证规范的关键因素。 3 清晰、明白的需求定义能够避免在系统逻辑分解和技术方案设计的过程中 对系统级需求产生误解。 4 尽可能全面、详尽的保留原始系统设计文档和相关资料，这将对更新设计 方案或修改系统功能时带来很多便利。 2 2 2 基于系统工程理论的产品实现方法 基于系统工程理论的产品实现过程涉及到图2 2 中的五个步骤：产品执行 ( p r o d u c ti m p l e m e n t a t i o n ) 、产品集成( p r o d u c ti n t e g r a t i o n ) 、产品确认( p r o d u c t v e r i f i c a t i o n ) 、产品验证( p r o d u c tv a l i d a t i o n ) 、产品转换( p r o d u c tt r a n s i t i o n ) 。在 终端产品实现过程中，上述五个步骤被循环、迭代的用在各种不同集成度的产品 制造过程之中。图2 5 所示为系统工程理论中的产品实现处理流程。 在产品实现过程中，针对集成度最低的产品或者最底层产品的确认和验证工 作是非常重要的，它能在系统集成的早期发现并找出错误或失误，从而降低系统 设计失效的风险。在产品实现过程中，有如下一些关键点必须引起重视： 1 正确理解产品的确认测试( v e r i f i c a t i o nt e s t i n g ) 和验证测试( v a l i d a t i o n t e s t i n g ) 。产品确认测试是针对系统设计方案而言，通过测试确认得到的产品是与 电子科技大学硕士学位论文 设计方案保持一致的；产品验证测试则是针对产品操作使用性能而言，通过测试 确认产品能够在实际的操作环节和工作环境中实现预期的性能。 2 在进行多个产品转换以便获得更高集成度的产品处理时，必须充分考虑相 应集成度的系统利益相关者的期望、系统技术需求、系统安全性需求等方面的匹 配。 3 必须尽可能早地分析系统内部所有接口的潜在不相容性或不一致性。 4 必须正确理解和分析产品测试过程中出现的动态和异常现象。 5 必须正确理解产品测试中的限制条件和假设条件。 6 对于某些重复利用的产品，必须依据新的系统技术需求和新的操作环境， 重新进行产品确认测试和产品验证测试。 产品执行 采购 制造 重新使用 产品集成 装配 系统部件功 能评估 产品确认 系统部件功 能确认 装配过程中 不同层次系 统功能确认 图2 5 产品实现处理流程 1 2 产品转换 产品模块传 递至更高层 的系统 软件模块传 递至更高层 的操作系统 第三章基于系统工程理论的t - d a b 发射机系统分析 第三章基于系统工程理论的t - d a b 发射机系统分析 经过第二章对系统工程基本理论的概要分析，论文工作将从本章开始利用系 统工程理论的逻辑思维方法来指导t - d a b 发射机设计实践。依据系统工程理论的 分析方法，任何系统的设计工作首先从系统需求处理( r e q u i r e m e n t sd e f i n i t i o n p r o c e s s e s ) 开始。如图2 2 所示，系统需求分析包括两个方面：利益相关者期望定 义( s t a k e h o l d e re x p e c t a t i o n sd e f i n i t i o n ) 、技术需求定义( t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s d e f i n i t i o n ) 。下文将详细描述发射机的系统需求处理过程。 3 1t - d a b 发射机利益相关者期望定义 在系统工程理论的系统设计方法中，分析所有的利益相关者的期望是确定系 统技术需求指标的基础。下图3 - 1 描述了系统工程方法学中利益相关者期望定义的 处理流程。利益相关者期望定义的分析结果是找出待设计项目的利益相关者，及 其各自对即将设计的终端产品和系统的期望或愿景。 输入 确定利益相关者清单 输出 依据项目初始意愿 引导技术解决方 初始化消费者期f 引一利益相关者期望 案、系统需求管 望b 理、系统接口处理 l 7 n 确定系统操作概念和辅助性策略 l 有效的利益相关者期 - - 叫望处理结果 l 利益相兰三竺兰卜 l 7 、 分析和定义利益相关者期望中的可接受部分 引导技术需求定义ln 和系统配置管理 分析上述利益相关者期望定义结果的有效性 判定方法 一 系统操作概念 依据技术解决方 l 7 、 案、系统需求管理 将上述期望处理结果回溯至利益相关者的初 和系统接口处理 始化期望，进行有效性验证 一确定产品辅助性策略 i l 、 l 消费者需求分解l l 一 获得利益相关者对上述期望处理结果的有效 引导技术需求定义 性确认 和技术资料管理 确定利益相关者期望的基准 有效性测量 l ，、 图3 1 系统工程理论的利益相关者期望定义处理流程 1 3 电子科技大学硕士学位论文 利益相关者( s t a k c h o l d 盯) 这个词指代的是能够在某种程度上对由系统设计工 作得到的终端产品负责的特定的个人或者组织。利益相关者可以包括终端产品或 服务的消费者，这里的消费者是指依靠系统设计工作得到的终端产品获得一定利 益的某些个人或群体，比如以n a s a 的太空机器人项目为例，与该项目有关的科 学家、项目经理、研发工程师都应当属于系统设计的利益相关者群体。利益相关 者还应当包括其他一些对系统设计工作怀有一定程度的兴趣，同时还可以提供一 些帮助，或者是制约条件的个人或组织比如政府、项目合作伙伴等等。一些首 要的利益相关者会对设计工作产生非常大的影响，因此在系统设计初期。对利益 相关者做准确而全面的定义是非常重要的。 很明显，对于t - d a b 发射机系统集成项目来说，有非常多的利益相关者，比 如该项目具体实施的研究团队、元器件供应商、p c b 加工制造商、d a b 母板、d a b 接收机等等，其中首要的利益相关者是该项目实施的研究团队和d a b 母板。前者 是t - d a b 发劓机系统设计项目的主要驱动力，并且为系统设计的完成提供经费和 人力资源：后者为t - d a b 发射机的设计提供了很多技术制约条件。图3 2 形象地 说明了与发射机系统集成有关的首要利益相关者，及其各自对系统设计的影响或 制约因素。 亩! 删_ s i n g a p o r e 图3 - 2 t - d a b 发射机系统项目中的首要利益相关者 1 4 一囵醛塾 ；断刁 一 e 第三章基于系统工程理论的t - d a b 发射机系统分析 对t - d a b 发射机系统利益相关者期望定义的处理结果应当包括如下两个方 面： 1 _ 对即将构建的发射机的系统级功能需求或愿景( t o p - l e v e lr e q u i r e m e n t sa n d e x p e c t a t i o n s ) ： 1 ) 项目实施的研究团队已经拥有一个能够正确产生d a b 基带信号的 d a b 母板( d a bm o t h e rb o a r d ) ，他们希望可以设计出一个t - d a b 发 射机，用来与d a b 母板组成一个如图3 - 3 所示的完整的d a b 发射系 统 b a b 、广撬毽呈 待设计的发射机 么；二= 瑚逛 l d 一一 b 救 圈3 - 3 d a b 发射系统 2 ) 如图3 - 3 所示的d a b 发射系统应当可以正确的传输d a b 广播信号。 3 ) d a b 母板需要一个发射机将其产生的基带信号进行调制，并咀相应的 频率发射出去。 2 对t - d a b 发射机的运行或操作状况的定义( c o n c e p to f o p t i o n s ) ： 1 1t - d a b 发射机应当可以直