本發(fā)明涉及一種功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證方法，具體是指一種采用基于數(shù)學(xué)表達(dá)式的行為模型描述功放底層電路的輸入輸出特性的建模與驗(yàn)證方法，解決功放底層電路模型非線性特性求解過(guò)程中大量微積分方程的復(fù)雜計(jì)算難題，屬于電磁兼容技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電磁兼容分析除了仿真計(jì)算系統(tǒng)的正常功能外，還需要對(duì)非正常信號(hào)及行為進(jìn)行分析，從而預(yù)測(cè)和診斷干擾現(xiàn)象。通信系統(tǒng)中功率放大器的非線性特征是產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題的主要原因，為了提高效率，功放需要工作在非線性區(qū)甚至飽和區(qū)附近；但是非線性現(xiàn)象明顯，將不可避免導(dǎo)致頻譜再生，從而對(duì)鄰近信道或信號(hào)造成干擾，有時(shí)還會(huì)影響自身功能的正常實(shí)現(xiàn)。

通常，功放電路的建模仿真是通過(guò)建立底層電路進(jìn)行計(jì)算，模擬數(shù)字混合電路系統(tǒng)的求解過(guò)程中往往也會(huì)有大量的非線性積微分電路方程，使得求解困難；同時(shí)，功放底層電路的詳細(xì)信息在技術(shù)保密的情況下較難獲??；因此，需要采用比晶體管器件結(jié)構(gòu)更高一級(jí)的仿真技術(shù)，只需要建立功放的輸入輸出特性模型即可。

行為級(jí)建模技術(shù)無(wú)疑是系統(tǒng)級(jí)電磁兼容分析的重要手段，通過(guò)建立描述各個(gè)子系統(tǒng)及電路模塊的功能模型，對(duì)底層物理結(jié)構(gòu)電路的簡(jiǎn)化將大大提高仿真速度。2012年公開(kāi)的申請(qǐng)?zhí)枮?01210187626.9的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，提供了一種基于測(cè)量的電子元器件電磁發(fā)射寬帶行為級(jí)預(yù)測(cè)建模方法，其通過(guò)測(cè)量數(shù)據(jù)建立了子電路的行為模型，用于SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)電路仿真。而2009年公開(kāi)的申請(qǐng)?zhí)枮?00910238424.0的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，提供了一種電路板級(jí)電磁兼容敏感度行為級(jí)建模系統(tǒng)，其通過(guò)建立子電路的IBIS(Input/Output Buffer Informational Specification)行為模型，應(yīng)用于整個(gè)電路板級(jí)綜合仿真。這些行為級(jí)仿真主要通過(guò)建立與底層電路兼容的端口模型進(jìn)行分析，適用于較簡(jiǎn)單電路及器件的情況，對(duì)于復(fù)雜的功放電路來(lái)說(shuō)，建立的行為模型仍很復(fù)雜。

基于上述，目前亟需提出一種基于數(shù)學(xué)模型的功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證方法，解決功放底層電路詳細(xì)信息不完全已知、且仿真求解復(fù)雜的難題，為系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性分析提供有效手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證方法，解決了功放底層電路直接仿真求解復(fù)雜的難題，同時(shí)還能夠應(yīng)用于由于技術(shù)保密造成的底層電路詳細(xì)信息不完全已知的仿真情況，為模擬和數(shù)字混合電路的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性分析提供了有效手段。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證方法，包含以下步驟：

S1、建立功放底層電路模型，采集功放的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

S2、建立基于數(shù)學(xué)表達(dá)式的行為模型，利用S1中采集到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)行為模型進(jìn)行辨識(shí)；

S3、搭建相同的輸入信號(hào)激勵(lì)電路，計(jì)算功放底層電路模型與行為模型輸出信號(hào)間的歸一化均方誤差；

S4、判斷歸一化均方誤差是否滿(mǎn)足精度要求，驗(yàn)證行為模型的準(zhǔn)確性；如滿(mǎn)足，完成功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證；如不滿(mǎn)足，則返回S2，重新調(diào)整行為模型，直至歸一化均方誤差滿(mǎn)足精度要求，實(shí)現(xiàn)行為模型對(duì)功放底層電路輸入輸出特性的準(zhǔn)確描述。

所述的S1中，功放底層電路模型是采用功放器件、電阻、電容或微帶線搭建的電路模型。

所述的S1中，功放的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)為離散形式的基帶信號(hào)，采用表示輸入信號(hào)，表示輸出信號(hào)。

所述的S2中，基于數(shù)學(xué)表達(dá)式的行為模型是指描述功放輸入輸出特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，具體關(guān)系式為：

$\tilde{y}\left(l\right)=f\left(\tilde{x}\right(l\left)\right);$

其中，f(·)函數(shù)是泰勒級(jí)數(shù)，或記憶多項(xiàng)式函數(shù)，或Volterra級(jí)數(shù)。

所述的S2中，對(duì)行為模型進(jìn)行辨識(shí)是指利用S1中采集得到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解f(·)函數(shù)的待估計(jì)系數(shù)；

當(dāng)S1中采集到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大于待估計(jì)系數(shù)的個(gè)數(shù)時(shí)，采用最小二乘法進(jìn)行辨識(shí)，估計(jì)f(·)函數(shù)的系數(shù)的關(guān)系式為：

$\hat{H}={\left(X^{\′}X\right)}^{-1}{X}^{\′}Y;$

當(dāng)S1中采集到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小于待估計(jì)系數(shù)的個(gè)數(shù)時(shí)，采用最小L2范數(shù)法進(jìn)行辨識(shí)，估計(jì)f(·)函數(shù)的系數(shù)的關(guān)系式為：

$\hat{H}=X^{\′}{\left({\mathrm{XX}}^{\′}\right)}^{-1}Y;$

其中，為估計(jì)的f(·)函數(shù)的系數(shù)矩陣，X為建立的輸入信號(hào)矩陣，X'為X的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，Y為建立的輸出信號(hào)矩陣。

所述的S3中，相同的輸入信號(hào)激勵(lì)電路是指功放底層電路模型與行為模型的前端激勵(lì)保持一致。

所述的S3中，計(jì)算功放底層電路模型與行為模型輸出信號(hào)間的歸一化均方誤差的關(guān)系式為：

$E_{NMSE}=10log\left(\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}\left(\right|{\tilde{y}}_l-{\tilde{y}}_l^{\mathrm{mod}}{|}^2)}{\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}|{\tilde{y}}_l{|}^2}\right);$

其中，L為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，為行為模型的輸出信號(hào)，為輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

綜上所述，本發(fā)明提供的功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證方法，采用基于數(shù)學(xué)表達(dá)式的行為模型描述功放底層電路的輸入輸出特性，解決了功放底層電路直接仿真求解復(fù)雜的難題，同時(shí)還能夠應(yīng)用于由于技術(shù)保密造成的底層電路詳細(xì)信息不完全已知的仿真情況，通過(guò)利用行為模型來(lái)綜合和替代部分底層電路，且行為模型與電路模型還能相互兼容，為模擬和數(shù)字混合電路的系統(tǒng)級(jí)電磁兼容性分析提供了有效手段。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中的功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明中的功放底層電路模型的具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中的輸入信號(hào)激勵(lì)電路的具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合圖1～圖3，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證方法，包含以下步驟：

S1、建立功放底層電路模型，采集功放的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

S2、建立基于數(shù)學(xué)表達(dá)式的行為模型，利用S1中采集到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)行為模型進(jìn)行辨識(shí)；

S3、搭建相同的輸入信號(hào)激勵(lì)電路，計(jì)算功放底層電路模型與行為模型輸出信號(hào)間的歸一化均方誤差；

S4、判斷歸一化均方誤差是否滿(mǎn)足精度要求，驗(yàn)證行為模型的準(zhǔn)確性；如滿(mǎn)足，說(shuō)明建立的行為模型準(zhǔn)確描述了功放底層電路，完成功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證；如不滿(mǎn)足，說(shuō)明建立的行為模型未能準(zhǔn)確描述功放底層電路，需要返回S2，重新調(diào)整行為模型，直至歸一化均方誤差滿(mǎn)足精度要求，實(shí)現(xiàn)行為模型對(duì)功放底層電路輸入輸出特性的準(zhǔn)確描述。

所述的S1中，功放底層電路模型是采用功放器件、電阻、電容或微帶線等元器件搭建的電路模型。

所述的S1中，功放的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)為離散形式的基帶信號(hào)，采用表示輸入信號(hào)，表示輸出信號(hào)。

所述的S2中，基于數(shù)學(xué)表達(dá)式的行為模型是指描述功放輸入輸出特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式，具體關(guān)系式為：

$\tilde{y}\left(l\right)=f\left(\tilde{x}\right(l\left)\right);$

其中，f(·)函數(shù)是泰勒級(jí)數(shù)，或記憶多項(xiàng)式函數(shù)，或Volterra(沃特拉)級(jí)數(shù)。

所述的S2中，對(duì)行為模型進(jìn)行辨識(shí)是指利用S1中采集得到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解f(·)函數(shù)的待估計(jì)系數(shù)；

當(dāng)S1中采集到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大于待估計(jì)系數(shù)的個(gè)數(shù)時(shí)，采用最小二乘法進(jìn)行辨識(shí)，估計(jì)f(·)函數(shù)的系數(shù)的關(guān)系式為：

$\hat{H}={\left(X^{\′}X\right)}^{-1}{X}^{\′}Y;$

當(dāng)S1中采集到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)小于待估計(jì)系數(shù)的個(gè)數(shù)時(shí)，采用最小L2范數(shù)法進(jìn)行辨識(shí)，估計(jì)f(·)函數(shù)的系數(shù)的關(guān)系式為：

$\hat{H}=X^{\′}{\left({\mathrm{XX}}^{\′}\right)}^{-1}Y;$

其中，為估計(jì)的f(·)函數(shù)的系數(shù)矩陣，X為建立的輸入信號(hào)矩陣，X'為X的共軛轉(zhuǎn)置矩陣，Y為建立的輸出信號(hào)矩陣。

所述的S3中，相同的輸入信號(hào)激勵(lì)電路是指功放底層電路模型與行為模型的前端激勵(lì)保持一致，且仿真計(jì)算能夠兼容電路模型與數(shù)學(xué)行為模型。

所述的S3中，計(jì)算功放底層電路模型與行為模型輸出信號(hào)間的歸一化均方誤差的關(guān)系式為：

$E_{NMSE}=10log\left(\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}\left(\right|{\tilde{y}}_l-{\tilde{y}}_l^{\mathrm{mod}}{|}^2)}{\underset{l=1}{\overset{L}{\Σ}}|{\tilde{y}}_l{|}^2}\right);$

其中，L為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，為行為模型的輸出信號(hào)，為輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)計(jì)算得到的歸一化均方誤差E_NMSE越小，則說(shuō)明建立的行為模型越準(zhǔn)確。

以下通過(guò)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明方法在移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)部功率放大器電路行為級(jí)建模與驗(yàn)證中的應(yīng)用。本實(shí)施例中，由于采用仿真結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不需要考慮測(cè)試誤差，因此要求行為模型的歸一化均方誤差優(yōu)于(小于)-35dB，即滿(mǎn)足精度要求。具體按照以下步驟進(jìn)行功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證：

S1、建立功放底層電路模型，采集功放的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本實(shí)施例中，某移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)部的功放電路用于放大碼率為3.84Mcps(兆周/秒)的WCDMA(寬帶碼分多址，Wideband Code Division Multiple Access)信號(hào)。建立的功放底層電路模型如圖2所示，由功放器件1、多個(gè)電容2以及多個(gè)微帶線3組成，并由直流電源4供電。其中，輸入信號(hào)的載波頻率為2.14GHz，功放輸出功率為10W。利用ADS仿真軟件對(duì)WCDMA信號(hào)激勵(lì)的功放底層電路進(jìn)行仿真后，采集2000個(gè)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行行為模型辨識(shí)。

S2、建立基于數(shù)學(xué)表達(dá)式的行為模型，利用S1中采集到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)行為模型進(jìn)行辨識(shí)。

本實(shí)施例中，采用泰勒級(jí)數(shù)作為f(·)函數(shù)，考慮功放電路的帶通特性將偶數(shù)階項(xiàng)進(jìn)行濾除，根據(jù)得到行為模型的表達(dá)式為：

$\tilde{y}\left(l\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{2n-1}|\tilde{x}\left(l\right){|}^{2(n-1)}\tilde{x}\left(l\right);$

其中，a_2n-1為待估計(jì)的系數(shù)；

選取階數(shù)N＝5，待估計(jì)的系數(shù)少于采集到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)，利用進(jìn)行辨識(shí)，得到估計(jì)的f(·)函數(shù)的系數(shù)矩陣

S3、搭建相同的輸入信號(hào)激勵(lì)電路，計(jì)算功放底層電路模型與行為模型輸出信號(hào)間的歸一化均方誤差。

本實(shí)施例中，在ADS仿真軟件中搭建WCDMA信號(hào)激勵(lì)電路，如圖3所示，WCDMA信號(hào)經(jīng)由信號(hào)生成電路生成后，分別進(jìn)入用ADS仿真軟件建立的功放底層電路模型和用ADS-MATLAB協(xié)同分析工具建立的數(shù)學(xué)行為模型，并分別通過(guò)功放輸出信號(hào)采集電路和行為模型輸出信號(hào)采集電路采集輸出信號(hào)，從而計(jì)算得到功放底層電路模型與行為模型輸出信號(hào)間的歸一化均方誤差為-30.6dB。

S4、判斷歸一化均方誤差是否滿(mǎn)足精度要求，驗(yàn)證行為模型的準(zhǔn)確性；如滿(mǎn)足，說(shuō)明建立的行為模型準(zhǔn)確描述了功放底層電路；如不滿(mǎn)足，說(shuō)明建立的行為模型未能準(zhǔn)確描述功放底層電路，需要返回S2，重新調(diào)整行為模型，直至歸一化均方誤差滿(mǎn)足精度要求，實(shí)現(xiàn)行為模型對(duì)功放底層電路輸入輸出特性的準(zhǔn)確描述。

本實(shí)施例中，計(jì)算得到的歸一化均方誤差為-30.6dB，其大于-35dB，因此未滿(mǎn)足精度要求；因此需要返回S2重新調(diào)整f(·)函數(shù)的形式，此次采用記憶多項(xiàng)式函數(shù)作為f(·)函數(shù)，得到行為模型的表達(dá)式為：

$\tilde{y}\left(l\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{2n-1,m}|\tilde{x}(l-m){|}^{2(n-1)}\tilde{x}(l-m);$

其中，a_2n-1,m為待估計(jì)的系數(shù)。

選取階數(shù)N＝5，記憶長(zhǎng)度M＝4，待估計(jì)的系數(shù)少于采集到的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)數(shù)，利用進(jìn)行辨識(shí)，得到估計(jì)的f(·)函數(shù)的系數(shù)矩陣并計(jì)算得到功放底層電路模型與行為模型輸出信號(hào)間的歸一化均方誤差為-37.8dB，其小于-35dB，因此滿(mǎn)足精度要求，完成功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的功放底層電路的行為級(jí)建模與驗(yàn)證方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

1、利用數(shù)學(xué)行為模型準(zhǔn)確描述功放底層電路的功能特征，對(duì)功放底層電路的簡(jiǎn)化將大大提高仿真速度，并減小計(jì)算資源；

2、建立的數(shù)學(xué)行為模型具有通用性，模型參數(shù)調(diào)整方便，快速的從上往下提出功放電路的指標(biāo)要求，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行功放非線性特性的分析與評(píng)估；

3、行為級(jí)仿真滿(mǎn)足功放電路設(shè)計(jì)廠商的技術(shù)保密要求，不必給出功放內(nèi)部詳細(xì)電路，只需要提供功放的行為模型，即可用于整個(gè)通信電路系統(tǒng)級(jí)仿真；

4、數(shù)學(xué)行為模型與底層電路模型還能相互兼容，簡(jiǎn)化仿真模型之間的接口，提高分析效率。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。