本發(fā)明涉及一種功放底層電路的行為級建模與驗證方法，具體是指一種采用基于數(shù)學表達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證方法，解決功放底層電路模型非線性特性求解過程中大量微積分方程的復雜計算難題，屬于電磁兼容技術領域。

背景技術：

電磁兼容分析除了仿真計算系統(tǒng)的正常功能外，還需要對非正常信號及行為進行分析，從而預測和診斷干擾現(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，將不可避免導致頻譜再生，從而對鄰近信道或信號造成干擾，有時還會影響自身功能的正常實現(xiàn)。

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

行為級建模技術無疑是系統(tǒng)級電磁兼容分析的重要手段，通過建立描述各個子系統(tǒng)及電路模塊的功能模型，對底層物理結構電路的簡化將大大提高仿真速度。2012年公開的申請?zhí)枮?01210187626.9的中國發(fā)明專利，提供了一種基于測量的電子元器件電磁發(fā)射寬帶行為級預測建模方法，其通過測量數(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年公開的申請?zhí)枮?00910238424.0的中國發(fā)明專利，提供了一種電路板級電磁兼容敏感度行為級建模系統(tǒng)，其通過建立子電路的IBIS(Input/Output Buffer Informational Specification)行為模型，應用于整個電路板級綜合仿真。這些行為級仿真主要通過建立與底層電路兼容的端口模型進行分析，適用于較簡單電路及器件的情況，對于復雜的功放電路來說，建立的行為模型仍很復雜。

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

技術實現(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建模與驗證方法，解決了功放底層電路直接仿真求解復雜的難題，同時還能夠應用于由于技術保密造成的底層電路詳細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)級電磁兼容性分析提供了有效手段。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供一種功放底層電路的行為級建模與驗證方法，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和輸出信號作為實驗數(shù)據(jù)；

S2、建立基于數(shù)學表達式的行為模型，利用S1中采集到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)對行為模型進行辨識；

S3、搭建相同的輸入信號激勵電路，計算功放底層電路模型與行為模型輸出信號間的歸一化均方誤差；

S4、判斷歸一化均方誤差是否滿足精度要求，驗證行為模型的準確性；如滿足，完成功放底層電路的行為級建模與驗證；如不滿足，則返回S2，重新調整行為模型，直至歸一化均方誤差滿足精度要求，實現(xiàn)行為模型對功放底層電路輸入輸出特性的準確描述。

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，功放的輸入信號和輸出信號為離散形式的基帶信號，采用表示輸入信號，表示輸出信號。

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

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

其中，f(·)函數(shù)是泰勒級數(shù)，或記憶多項式函數(shù)，或Volterra級數(shù)。

所述的S2中，對行為模型進行辨識是指利用S1中采集得到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)求解f(·)函數(shù)的待估計系數(shù)；

當S1中采集到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)大于待估計系數(shù)的個數(shù)時，采用最小二乘法進行辨識，估計f(·)函數(shù)的系數(shù)的關系式為：

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

當S1中采集到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)小于待估計系數(shù)的個數(shù)時，采用最小L2范數(shù)法進行辨識，估計f(·)函數(shù)的系數(shù)的關系式為：

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

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

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

所述的S3中，計算功放底層電路模型與行為模型輸出信號間的歸一化均方誤差的關系式為：

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

其中，L為采樣點個數(shù)，為行為模型的輸出信號，為輸出信號的實驗數(shù)據(jù)。

綜上所述，本發(fā)明提供的功放底層電路的行為級建模與驗證方法，采用基于數(shù)學表達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雜的難題，同時還能夠應用于由于技術保密造成的底層電路詳細信息不完全已知的仿真情況，通過利用行為模型來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)級電磁兼容性分析提供了有效手段。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的功放底層電路的行為級建模與驗證方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明中的功放底層電路模型的具體實施例的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明中的輸入信號激勵電路的具體實施例的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合圖1～圖3，詳細說明本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的功放底層電路的行為級建模與驗證方法，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和輸出信號作為實驗數(shù)據(jù)；

S2、建立基于數(shù)學表達式的行為模型，利用S1中采集到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)對行為模型進行辨識；

S3、搭建相同的輸入信號激勵電路，計算功放底層電路模型與行為模型輸出信號間的歸一化均方誤差；

S4、判斷歸一化均方誤差是否滿足精度要求，驗證行為模型的準確性；如滿足，說明建立的行為模型準確描述了功放底層電路，完成功放底層電路的行為級建模與驗證；如不滿足，說明建立的行為模型未能準確描述功放底層電路，需要返回S2，重新調整行為模型，直至歸一化均方誤差滿足精度要求，實現(xiàn)行為模型對功放底層電路輸入輸出特性的準確描述。

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，功放的輸入信號和輸出信號為離散形式的基帶信號，采用表示輸入信號，表示輸出信號。

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

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

其中，f(·)函數(shù)是泰勒級數(shù)，或記憶多項式函數(shù)，或Volterra(沃特拉)級數(shù)。

所述的S2中，對行為模型進行辨識是指利用S1中采集得到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)求解f(·)函數(shù)的待估計系數(shù)；

當S1中采集到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)大于待估計系數(shù)的個數(shù)時，采用最小二乘法進行辨識，估計f(·)函數(shù)的系數(shù)的關系式為：

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

當S1中采集到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)小于待估計系數(shù)的個數(shù)時，采用最小L2范數(shù)法進行辨識，估計f(·)函數(shù)的系數(shù)的關系式為：

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

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

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

所述的S3中，計算功放底層電路模型與行為模型輸出信號間的歸一化均方誤差的關系式為：

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

其中，L為采樣點個數(shù)，為行為模型的輸出信號，為輸出信號的實驗數(shù)據(jù)。當計算得到的歸一化均方誤差E_NMSE越小，則說明建立的行為模型越準確。

以下通過本發(fā)明的一個具體實施例，詳細說明本發(fā)明方法在移動通信系統(tǒng)內部功率放大器電路行為級建模與驗證中的應用。本實施例中，由于采用仿真結果作為實驗數(shù)據(jù)，不需要考慮測試誤差，因此要求行為模型的歸一化均方誤差優(yōu)于(小于)-35dB，即滿足精度要求。具體按照以下步驟進行功放底層電路的行為級建模與驗證：

S1、建立功放底層電路模型，采集功放的輸入信號和輸出信號作為實驗數(shù)據(jù)。

本實施例中，某移動通信系統(tǒng)內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。建立的功放底層電路模型如圖2所示，由功放器件1、多個電容2以及多個微帶線3組成，并由直流電源4供電。其中，輸入信號的載波頻率為2.14GHz，功放輸出功率為10W。利用ADS仿真軟件對WCDMA信號激勵的功放底層電路進行仿真后，采集2000個輸入信號和輸出信號作為實驗數(shù)據(jù)來進行行為模型辨識。

S2、建立基于數(shù)學表達式的行為模型，利用S1中采集到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)對行為模型進行辨識。

本實施例中，采用泰勒級數(shù)作為f(·)函數(shù)，考慮功放電路的帶通特性將偶數(shù)階項進行濾除，根據(jù)得到行為模型的表達式為：

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

其中，a_2n-1為待估計的系數(shù)；

選取階數(shù)N＝5，待估計的系數(shù)少于采集到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)數(shù)，利用進行辨識，得到估計的f(·)函數(shù)的系數(shù)矩陣

S3、搭建相同的輸入信號激勵電路，計算功放底層電路模型與行為模型輸出信號間的歸一化均方誤差。

本實施例中，在ADS仿真軟件中搭建WCDMA信號激勵電路，如圖3所示，WCDMA信號經(jīng)由信號生成電路生成后，分別進入用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)學行為模型，并分別通過功放輸出信號采集電路和行為模型輸出信號采集電路采集輸出信號，從而計算得到功放底層電路模型與行為模型輸出信號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足精度要求，驗證行為模型的準確性；如滿足，說明建立的行為模型準確描述了功放底層電路；如不滿足，說明建立的行為模型未能準確描述功放底層電路，需要返回S2，重新調整行為模型，直至歸一化均方誤差滿足精度要求，實現(xiàn)行為模型對功放底層電路輸入輸出特性的準確描述。

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

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

其中，a_2n-1,m為待估計的系數(shù)。

選取階數(shù)N＝5，記憶長度M＝4，待估計的系數(shù)少于采集到的輸入信號和輸出信號的實驗數(shù)據(jù)數(shù)，利用進行辨識，得到估計的f(·)函數(shù)的系數(shù)矩陣并計算得到功放底層電路模型與行為模型輸出信號間的歸一化均方誤差為-37.8dB，其小于-35dB，因此滿足精度要求，完成功放底層電路的行為級建模與驗證。

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

1、利用數(shù)學行為模型準確描述功放底層電路的功能特征，對功放底層電路的簡化將大大提高仿真速度，并減小計算資源；

2、建立的數(shù)學行為模型具有通用性，模型參數(shù)調整方便，快速的從上往下提出功放電路的指標要求，根據(jù)實際需求進行功放非線性特性的分析與評估；

3、行為級仿真滿足功放電路設計廠商的技術保密要求，不必給出功放內部詳細電路，只需要提供功放的行為模型，即可用于整個通信電路系統(tǒng)級仿真；

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

盡管本發(fā)明的內容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。