一种功放底层电路的行为级建模与验证方法与流程

本发明涉及一种功放底层电路的行为级建模与验证方法，具体是指一种采用基于数学表达式的行为模型描述功放底层电路的输入输出特性的建模与验证方法，解决功放底层电路模型非线性特性求解过程中大量微积分方程的复杂计算难题，属于电磁兼容技术领域。

背景技术：

电磁兼容分析除了仿真计算系统的正常功能外，还需要对非正常信号及行为进行分析，从而预测和诊断干扰现象。通信系统中功率放大器的非线性特征是产生电磁兼容问题的主要原因，为了提高效率，功放需要工作在非线性区甚至饱和区附近；但是非线性现象明显，将不可避免导致频谱再生，从而对邻近信道或信号造成干扰，有时还会影响自身功能的正常实现。

通常，功放电路的建模仿真是通过建立底层电路进行计算，模拟数字混合电路系统的求解过程中往往也会有大量的非线性积微分电路方程，使得求解困难；同时，功放底层电路的详细信息在技术保密的情况下较难获取；因此，需要采用比晶体管器件结构更高一级的仿真技术，只需要建立功放的输入输出特性模型即可。

行为级建模技术无疑是系统级电磁兼容分析的重要手段，通过建立描述各个子系统及电路模块的功能模型，对底层物理结构电路的简化将大大提高仿真速度。2012年公开的申请号为201210187626.9的中国发明专利，提供了一种基于测量的电子元器件电磁发射宽带行为级预测建模方法，其通过测量数据建立了子电路的行为模型，用于SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)电路仿真。而2009年公开的申请号为200910238424.0的中国发明专利，提供了一种电路板级电磁兼容敏感度行为级建模系统，其通过建立子电路的IBIS(Input/Output Buffer Informational Specification)行为模型，应用于整个电路板级综合仿真。这些行为级仿真主要通过建立与底层电路兼容的端口模型进行分析，适用于较简单电路及器件的情况，对于复杂的功放电路来说，建立的行为模型仍很复杂。

基于上述，目前亟需提出一种基于数学模型的功放底层电路的行为级建模与验证方法，解决功放底层电路详细信息不完全已知、且仿真求解复杂的难题，为系统级电磁兼容性分析提供有效手段。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种功放底层电路的行为级建模与验证方法，解决了功放底层电路直接仿真求解复杂的难题，同时还能够应用于由于技术保密造成的底层电路详细信息不完全已知的仿真情况，为模拟和数字混合电路的系统级电磁兼容性分析提供了有效手段。

为了达到上述目的，本发明提供一种功放底层电路的行为级建模与验证方法，包含以下步骤：

S1、建立功放底层电路模型，采集功放的输入信号和输出信号作为实验数据；

S2、建立基于数学表达式的行为模型，利用S1中采集到的输入信号和输出信号的实验数据对行为模型进行辨识；

S3、搭建相同的输入信号激励电路，计算功放底层电路模型与行为模型输出信号间的归一化均方误差；

S4、判断归一化均方误差是否满足精度要求，验证行为模型的准确性；如满足，完成功放底层电路的行为级建模与验证；如不满足，则返回S2，重新调整行为模型，直至归一化均方误差满足精度要求，实现行为模型对功放底层电路输入输出特性的准确描述。

所述的S1中，功放底层电路模型是采用功放器件、电阻、电容或微带线搭建的电路模型。

所述的S1中，功放的输入信号和输出信号为离散形式的基带信号，采用表示输入信号，表示输出信号。

所述的S2中，基于数学表达式的行为模型是指描述功放输入输出特性的数学表达式，具体关系式为：

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

其中，f(·)函数是泰勒级数，或记忆多项式函数，或Volterra级数。

所述的S2中，对行为模型进行辨识是指利用S1中采集得到的输入信号和输出信号的实验数据求解f(·)函数的待估计系数；

当S1中采集到的输入信号和输出信号的实验数据大于待估计系数的个数时，采用最小二乘法进行辨识，估计f(·)函数的系数的关系式为：

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

当S1中采集到的输入信号和输出信号的实验数据小于待估计系数的个数时，采用最小L2范数法进行辨识，估计f(·)函数的系数的关系式为：

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

其中，为估计的f(·)函数的系数矩阵，X为建立的输入信号矩阵，X'为X的共轭转置矩阵，Y为建立的输出信号矩阵。

所述的S3中，相同的输入信号激励电路是指功放底层电路模型与行为模型的前端激励保持一致。

所述的S3中，计算功放底层电路模型与行为模型输出信号间的归一化均方误差的关系式为：

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

其中，L为采样点个数，为行为模型的输出信号，为输出信号的实验数据。

综上所述，本发明提供的功放底层电路的行为级建模与验证方法，采用基于数学表达式的行为模型描述功放底层电路的输入输出特性，解决了功放底层电路直接仿真求解复杂的难题，同时还能够应用于由于技术保密造成的底层电路详细信息不完全已知的仿真情况，通过利用行为模型来综合和替代部分底层电路，且行为模型与电路模型还能相互兼容，为模拟和数字混合电路的系统级电磁兼容性分析提供了有效手段。

附图说明

图1为本发明中的功放底层电路的行为级建模与验证方法的流程图；

图2为本发明中的功放底层电路模型的具体实施例的结构示意图；

图3为本发明中的输入信号激励电路的具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合图1～图3，详细说明本发明的一个优选实施例。

如图1所示，为本发明提供的功放底层电路的行为级建模与验证方法，包含以下步骤：

S1、建立功放底层电路模型，采集功放的输入信号和输出信号作为实验数据；

S2、建立基于数学表达式的行为模型，利用S1中采集到的输入信号和输出信号的实验数据对行为模型进行辨识；

S3、搭建相同的输入信号激励电路，计算功放底层电路模型与行为模型输出信号间的归一化均方误差；

S4、判断归一化均方误差是否满足精度要求，验证行为模型的准确性；如满足，说明建立的行为模型准确描述了功放底层电路，完成功放底层电路的行为级建模与验证；如不满足，说明建立的行为模型未能准确描述功放底层电路，需要返回S2，重新调整行为模型，直至归一化均方误差满足精度要求，实现行为模型对功放底层电路输入输出特性的准确描述。

所述的S1中，功放底层电路模型是采用功放器件、电阻、电容或微带线等元器件搭建的电路模型。

所述的S1中，功放的输入信号和输出信号为离散形式的基带信号，采用表示输入信号，表示输出信号。

所述的S2中，基于数学表达式的行为模型是指描述功放输入输出特性的数学表达式，具体关系式为：

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

其中，f(·)函数是泰勒级数，或记忆多项式函数，或Volterra(沃特拉)级数。

所述的S2中，对行为模型进行辨识是指利用S1中采集得到的输入信号和输出信号的实验数据求解f(·)函数的待估计系数；

当S1中采集到的输入信号和输出信号的实验数据大于待估计系数的个数时，采用最小二乘法进行辨识，估计f(·)函数的系数的关系式为：

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

当S1中采集到的输入信号和输出信号的实验数据小于待估计系数的个数时，采用最小L2范数法进行辨识，估计f(·)函数的系数的关系式为：

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

其中，为估计的f(·)函数的系数矩阵，X为建立的输入信号矩阵，X'为X的共轭转置矩阵，Y为建立的输出信号矩阵。

所述的S3中，相同的输入信号激励电路是指功放底层电路模型与行为模型的前端激励保持一致，且仿真计算能够兼容电路模型与数学行为模型。

所述的S3中，计算功放底层电路模型与行为模型输出信号间的归一化均方误差的关系式为：

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

其中，L为采样点个数，为行为模型的输出信号，为输出信号的实验数据。当计算得到的归一化均方误差E_NMSE越小，则说明建立的行为模型越准确。

以下通过本发明的一个具体实施例，详细说明本发明方法在移动通信系统内部功率放大器电路行为级建模与验证中的应用。本实施例中，由于采用仿真结果作为实验数据，不需要考虑测试误差，因此要求行为模型的归一化均方误差优于(小于)-35dB，即满足精度要求。具体按照以下步骤进行功放底层电路的行为级建模与验证：

S1、建立功放底层电路模型，采集功放的输入信号和输出信号作为实验数据。

本实施例中，某移动通信系统内部的功放电路用于放大码率为3.84Mcps(兆周/秒)的WCDMA(宽带码分多址，Wideband Code Division Multiple Access)信号。建立的功放底层电路模型如图2所示，由功放器件1、多个电容2以及多个微带线3组成，并由直流电源4供电。其中，输入信号的载波频率为2.14GHz，功放输出功率为10W。利用ADS仿真软件对WCDMA信号激励的功放底层电路进行仿真后，采集2000个输入信号和输出信号作为实验数据来进行行为模型辨识。

S2、建立基于数学表达式的行为模型，利用S1中采集到的输入信号和输出信号的实验数据对行为模型进行辨识。

本实施例中，采用泰勒级数作为f(·)函数，考虑功放电路的带通特性将偶数阶项进行滤除，根据得到行为模型的表达式为：

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

其中，a_2n-1为待估计的系数；

选取阶数N＝5，待估计的系数少于采集到的输入信号和输出信号的实验数据数，利用进行辨识，得到估计的f(·)函数的系数矩阵

S3、搭建相同的输入信号激励电路，计算功放底层电路模型与行为模型输出信号间的归一化均方误差。

本实施例中，在ADS仿真软件中搭建WCDMA信号激励电路，如图3所示，WCDMA信号经由信号生成电路生成后，分别进入用ADS仿真软件建立的功放底层电路模型和用ADS-MATLAB协同分析工具建立的数学行为模型，并分别通过功放输出信号采集电路和行为模型输出信号采集电路采集输出信号，从而计算得到功放底层电路模型与行为模型输出信号间的归一化均方误差为-30.6dB。

S4、判断归一化均方误差是否满足精度要求，验证行为模型的准确性；如满足，说明建立的行为模型准确描述了功放底层电路；如不满足，说明建立的行为模型未能准确描述功放底层电路，需要返回S2，重新调整行为模型，直至归一化均方误差满足精度要求，实现行为模型对功放底层电路输入输出特性的准确描述。

本实施例中，计算得到的归一化均方误差为-30.6dB，其大于-35dB，因此未满足精度要求；因此需要返回S2重新调整f(·)函数的形式，此次采用记忆多项式函数作为f(·)函数，得到行为模型的表达式为：

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

其中，a_2n-1,m为待估计的系数。

选取阶数N＝5，记忆长度M＝4，待估计的系数少于采集到的输入信号和输出信号的实验数据数，利用进行辨识，得到估计的f(·)函数的系数矩阵并计算得到功放底层电路模型与行为模型输出信号间的归一化均方误差为-37.8dB，其小于-35dB，因此满足精度要求，完成功放底层电路的行为级建模与验证。

与现有技术相比，本发明提供的功放底层电路的行为级建模与验证方法，具有以下优点和有益效果：

1、利用数学行为模型准确描述功放底层电路的功能特征，对功放底层电路的简化将大大提高仿真速度，并减小计算资源；

2、建立的数学行为模型具有通用性，模型参数调整方便，快速的从上往下提出功放电路的指标要求，根据实际需求进行功放非线性特性的分析与评估；

3、行为级仿真满足功放电路设计厂商的技术保密要求，不必给出功放内部详细电路，只需要提供功放的行为模型，即可用于整个通信电路系统级仿真；

4、数学行为模型与底层电路模型还能相互兼容，简化仿真模型之间的接口，提高分析效率。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。