Тип работы:
 Предмет:
 Язык работы:


Реализация численных алгоритмов анализа методом гармонического баланса

Работа №137656

Тип работы

Магистерская диссертация

Предмет

информатика

Объем работы45
Год сдачи2018
Стоимость4960 руб.
ПУБЛИКУЕТСЯ ВПЕРВЫЕ
Просмотрено
41
Не подходит работа?

Узнай цену на написание


Введение
Постановка задачи
Обзор литературы
Глава 1. Однотонновый гармонический баланс . . . . . . . . . . . . . 8
1.1. Прямой метод
1.2. GMRES
1.3. GMRES с предобуславливанием
1.4. Заключение
Глава 2. Многотонновый гармонический баланс . . . . . . . . . . . . 16
2.1. Формулировка задачи
2.2. Искусственное отображение частот
2.4. Заключение
Глава 3. Реализация
3.1. Программная реализация алгоритма
3.2. Модификации алгоритма
3.3. Параллельные вычисления
3.4. Заключение
Глава 4. Эксперименты
4.1. Сравнение методов
4.2. Ускорение модификациями
4.3. Параллельные вычисления
Заключение
Список литературы

С быстрым распространением беспроводных технических устройств
все более и более актуальной становилась задача анализа установившихся
режимов нелинейных систем в симуляторах аналоговых схем. Существовавший ранее временной анализ периодических режимов (Periodic Steady
State analysis - PSS) успешно справлялся с сильно нелинейными задачами.
Тем не менее, этот метод оказалось сложно применять для моделирования
радиочастотных схем, в которых обычно присутствует сильный разброс частот. Также подобные алгоритмы испытывают затруднения при наличии в
схеме частотных компонентов, например фильтров, длинных линий, многополюсников. Для анализа таких систем был создан метод гармонического баланса.
Гармонический баланс (Harmonic Balance - HB) — нелинейный частотный метод для поиска установившихся режимов. Активно используется в анализе электрических (чаще радиотехнических и СВЧ) схем. Последнее десятилетие находит применение и в задачах аэро и гидродинамики для
поиска переодических потоков и анализа турбулентности.
В данной работе представлены алгоритмы применения метода гармонического баланса к различным схемам, в том числе, и большой размерности. Будут предложены модификации для ускорения работы алгоритма, а также минимизации потребления памяти. В первой главе рассмотрены методы решения однотоннового гармонического баланса. Во второй —
сведение задачи многотонного гармонический баланс к однотонновому. В
третьей главе представлена реализация анализа с предложением модификаций для ускорения работы алгоритма, в том числе и с использованием параллельных вычислений. Результаты экспериментов на различных схемах показаны в четвертой главе.

Возникли сложности?

Нужна помощь преподавателя?

Помощь в написании работ!
ДИПЛОМНЫЕ МАГИСТЕРСКИЕ ДИССЕРТАЦИИ
КУРСОВЫЕ СТАТЬИ ВКР

В данной работе проведено научное исследование для реализации
анализа электрических схем методом многотоннового гармонического баланса как инструмента пакета схемотехнического моделирования. Для решения задачи использовались как прямые, так и итерационные алгоритмы.
Проведен анализ предобуславливателей для ускорения сходимости алгоритма GMRES. Показано сведение задачи многотоннового гармонического
баланса к однотонновому. Предложены модификации стандартного алгоритма для создания более гибкого и быстрого инструмента анализа схем.
Проведены эксперименты с технологиями параллельных вычислений для
ускорения работы метода гармонического баланса на схемах большой размерности. Проведены эксперименты, показывающие значимость подобных дополнений.
В анализе методом гармонического баланса все еще есть множество
проблем и предметов для исследования. На практике встречаются схемы,
из-за плохой обусловленности которых разложение блоков предобуславливателей, представленнных в статье, добавляет большую погрешность при
поиске нового приближения итерационным алгоритмом. Алгоритм требует дополнений и улучшений для работы с осцилляторами. Также тяжелой
задачей является правильный подбор параметров метода гармонического
баланса для устойчивой сходимости метода Ньютона, эффективного разложения матриц прямыми методами и быстрой сходимости итерационных алгоритмов.
Все эти проблемы оставляют метод гармонического баланса актуальной задачей и порождают дальнейшие исследования в этой предметной области.


[1] K.S. Kundert, J. White, A. Sangiovanni-Vincentelli, "Steady-State
methods for simulation analog and microwave circuits," Kluwer Academic
Publishers, 1990
[2] K.S. Kundert, "Introduction to RF simulation and its application," IEEE
J. Solid-State Circuits, vol. 34, no. 9, pp. 1298–1319, Sept. 1999
[3] J. Gilmore, Rowan & B. Steer, Michael, "Nonlinear circuit analysis using
the method of harmonic balance—a review of the art. II. Advanced
concepts," International Journal of Microwave and Millimeter-Wave
Computer-Aided Engineering. 1. 159 - 180. 1991
[4] K.S. Kundert, G.B. Sorkin, A. Sangiovanni-Vincentelli, "Applying
harmonic balance to almost-periodic circuits," IEEE Transactions on
Microwave Theory and Techniques, vol. 36, issue 2, pp. 366–378, Feb. 1988
[5] O. Nastov, "Spectral methods for circuit analysis," Ph.D. thesis,
Massachuetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and
Computer Science, USA, 1999.
[6] O. Nastov, R. Telichevsky, K. Kundert and J. White, "Fundamentals of
fast simulation algorithms for RF circuits," IEEE Proc., vol. 95, no. 3, pp.
600–621, March 2007
[7] O. J. Nastov and J. K. White, "Time-mapped harmonic balance,"
Proceedings 1999 Design Automation Conference (Cat. No. 99CH36361),
New Orleans, LA, pp. 641-646, 1999
[8] A. R. Farsaei and R. Safian, "A novel method for calculating initial
condition in harmonic balance analysis exploiting Volterra series,"
2009 International Conference on Advances in Computational Tools for
Engineering Applications, Zouk Mosbeh, 2009, pp. 324-328.
[9] M. Schetzen, "The Volterra and Wiener Theories of Nonlinear Systems,"
New York, John Wiley & Sons,1980.
[10] J. Kawata, T. Yousuke, M. Oda, Y. Yamagami, Y. Nishio, A. Ushida,
"Spice-Oriented Frequency-Domain Analysis of Nonlinear Electronic
Circuits," IEICE Transactions, vol 90-A, pp. 406-410, Feb. 2007
42[11] T. Kinouchi, Y. Yamagami, Y. Nishio, A. Ushida, "Spice-Oriented
Harmonic Balance and Volterra Series Methods," 2007
[12] H. Liu and N. Wong, "Autonomous Volterra Algorithm for Steady-State
Analysis of Nonlinear Circuits," IEEE Transactions on Computer-Aided
Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 32, no. 6, pp. 858-868,
June 2013
[13] Y. Thodesen and K. Kundert, "Parametric harmonic balance," 1996 IEEE
MTT-S International Microwave Symposium Digest, San Francisco, CA,
USA, vol.3., pp. 1361-1364,1996
[14] Suihua Lu, A. Narayan and A. Mehrotra, "Continuation method in
multitone harmonic balance," 2004 IEEE International Symposium on
Circuits and Systems (IEEE Cat. No.04CH37512), 2004, pp. V-520-V-523
Vol.5.
[15] G.W. Somers, "Acceleration of Block-Aware Matrix Factorization on
Heterogeneous Platforms," 2016
[16] B. Bandali, E. Gad and M. Bolic, "Accelerated Harmonic-Balance Analysis
Using a Graphical Processing Unit Platform," IEEE Transactions on
Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 33, no. 7,
pp. 1017-1030, July 2014.
[17] A. Sangiovanni-Vincentelli, Li-Kuan Chen and L. Chua, "An efficient
heuristic cluster algorithm for tearing large-scale networks," IEEE
Transactions on Circuits and Systems, vol. 24, no. 12, pp. 709-717,
December 1977.
[18] Y. Saad and M.H. Schultz, "GMRES: A generalized minimal residual
algorithm for solving nonsymmetric linear systems," SIAM J. Sci. Stat.
Comput., 7:856–869, 1986
[19] Y. Saad, "Iterative methods for sparse linear systems," Soc Ind Appl Math
1996, p. 447.
[20] F. Veerse, "Efficient iterative time preconditioners for harmonic balance
RF circuit simulation," Proc 2003 IEEE/ACM Int Conf Compu Aided
Des, Washington, DC, USA, 2003. IEEE Comput Soc, pp. 251–254, 2003.
43[21] M. Honkala, V. Karanko, "Mixed preconditioners for harmonic balance
Jacobians," International Journal of RF and Microwave Computer?Aided
Engineering 19. pp. 211-217, 2009.
[22] Y. Saad, "A Flexible inner-outer preconditioned GMRES algorithm,"
SIAM J Sci Comput 14, 461–469, 1993.
[23] H.A. van der Vorst and C. Vuik, "GMRESR: A family of nested GMRES
methods," Numer Lin Algebra Appl 1 (1994), 369–386.
[24] V. Rizzoli, C. Cecchetti and A. Lipparini, "A General-Purpose Program for
the Analysis of Nonlinear Microwave Circuits under Multitone Excitation
by Multidimensional Fourier Transform 17th European Microwave Conf.
Proc., pp.635-640, Rome, Sept. 1987.
[25] V. Rizzoli, C. Cecchetti, A. Lipparini and F. Mastri, "General-Purpose
Harmonic Balance Analysis of Nonlienar Microwave Circuits Under
Multitone Excitation," IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech., vol.
MTT-36, pp.1650-1659, Dec. 1988.
[26] N. B. De Carvalho and J. C. Pedro, "Multitone frequency-domain
simulation of nonlinear circuits in large- and small-signal regimes," IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 46, no. 12, pp.
2016-2024, Dec 1998.
[27] J. C. Pedro and N. B. Carvalho, "Efficient Harmonic Balance Computation
of Microwave Circuits Response to Multi-Tone Spectra 29th European
Microwave Conference Proc., vol. I, pp.103-106, Munich, Oct. 1999.
[28] D. Hente and R. H. Jansen, "Frequency Domain Continuation Method
for the Analysis and Stability Investigation of Nonlinear Microwave
Circuits IEE Proceedings Pt. H, vol. 133, pp.351-362, 1986.
[29] P. J. Rodrigues, "A General Mapping Technique for Fourier Transform
Computation in Nonlinear Circuit Analysis Microwave and Guided Wave
Letters, vol. 11, pp.374-376, Nov. 1997.
[30] E. Gad, "Simulation of RF integrated circuits," 2007
[31] A.A. Amini and P. Gunupudi, "Self-Consistent Steady-State Simulation
of Microwave Photonic Systems Using Harmonic Balance," IEEE
44Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology,
vol. 4, no. 3, pp. 472-479, March 2014.
[32] X.X. Liu, H. Yu and S.X.D. Tan, "A GPU-Accelerated Parallel Shooting
Algorithm for Analysis of Radio Frequency and Microwave Integrated
Circuits," in IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI)
Systems, vol. 23, no. 3, pp. 480-492, March 2015
[33] J.M. Bahi, R. Couturier, L. Z. Khodja. "Parallel GMRES implementation
for solving sparse linear systems on GPU clusters," In Proceedings of
the 19th High Performance Computing Symposia (HPC ’11). Society for
Computer Simulation International, San Diego, CA, USA, 12-19, 2011.
[34] P. Li and W. Dong, "Parallel Preconditioned Hierarchical Harmonic
Balance for Analog and RF Circuit Simulation," Advances in Analog
Circuits Esteban Tlelo-Cuautle, IntechOpen, Feb. 2011.
[35] J. Meng, Q. Zhu, Y. Pang, X. Lai, X. Zhang and Y. Zhu, "Multicore accelerated harmonic balance method for multi-tone full chip RFIC
simulation," 2011 IEEE MTT-S International Microwave Symposium,
Baltimore, MD, pp. 1-4, 2011.
[36] W. Dong and P. Li, "Accelerating Harmonic Balance Simulation
Using Efficient Parallelizable Hierarchical Preconditioning," 2007 44th
ACM/IEEE Design Automation Conference, San Diego, CA, pp. 436-439,
2007.

Работу высылаем на протяжении 30 минут после оплаты.



Подобные работы


©2025 Cервис помощи студентам в выполнении работ
.