radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2025-28-4-109-118radioelectronics-1056Research ArticleМЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫMETROLOGY, INFORMATION AND MEASURING DEVICES AND SYSTEMSИзмерение нелинейных и динамических характеристик устройств основной полосы частот с выбросом на плоской вершине переходной характеристикиMeasuring the Nonlinear and Dynamic Characteristics of Baseband Devices with an Overshoot at the Flat Top of Transient Responsehttps://orcid.org/0000-0002-2149-1035ПолторыхинК. М.PoltorykhinK. M.

Полторыхин Кирилл Михайлович – магистр по специальности "Информатика и вычислительная техника" (2024, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники), младшийнаучный сотрудник; аспирант кафедры радиоэлектроники и систем связи

пр. Академический, д. 2/3, Томск, 634055

Kirill M. Poltorykhin, Master’s degree in Computer Science and Engineering (2024, Tomsk State University ofControl System and Radioelectronics), Junior Researcher; Postgraduate student of the Department of Radioelectronics and Communication Systems

2/3, Akademichesky Ave., Tomsk 634055

kpoltorykhin@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5470-1185СеменовЭ. В.SemyonovE. V.

Семенов Эдуард Валерьевич – доктор технических наук (2012), доцент (2009), старший научный сотрудник; профессор кафедры радиоэлектроники и систем связи

пр. Академический, д. 2/3, Томск, 634055

Edward V. Semyonov, Dr Sci. (Eng.) (2012), Associate Professor (2009), Senior Researcher; Professor of the Department of Radioelectronics and Communication Systems

2/3, Akademichesky Ave., Tomsk 634055

edwardsemyonov@narod.ruИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиРоссияInstitute of High Current Electronics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences; Tomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian Federation202509102025284109–118Copyright © Полторыхин К.М., Семенов Э.В., 20252025Полторыхин К.М., Семенов Э.В.Poltorykhin K.M., Semyonov E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1056

Введение. Расширение полосы частот и усложнение формы сигналов приводит к тому, что современными поведенческими моделями невозможно адекватно описать устройства основной полосы частот (до модулятора и после демодулятора). Для измерений устройств с выбросом на плоской вершине переходной характеристики (ПХ) можно использовать нелинейно-инерционную модель в виде нелинейного рекурсивного фильтра второго порядка, характеристики которой в настоящее время находятся вариационным методом. В данной статье представлен подход к измерению характеристик устройств основной полосы частот с выбросом на плоской вершине ПХ, в рамках которого обработка результатов не требует применения вариационных алгоритмов и может быть квалифицирована как косвенные измерения характеристических функций нелинейного рекурсивного фильтра второго порядка.Цель работы. Рассмотреть подход к определению характеристик нелинейно-инерционных устройств основной полосы частот с выбросом на плоской вершине ПХ посредством безытерационных вычислений из результатов прямых измерений.Материалы и методы. Устройство с выбросом на плоской вершине ПХ представляется в виде эквивалентной схемы, которая выглядит как последовательное соединение катушки индуктивности и резистора, параллельно соединенных с конденсатором. Задача сводится к определению характеристических функций для каждого элемента: вольт-амперной (ВАХ), кулон-вольтовой (КВХ) и вебер-амперной (ВбАХ) характеристик посредством установления точки стробирования в разные моменты времени ПХ. В качестве объекта измерения был выбран осциллограф National Instruments PXI-5114.Результаты. Разработанный метод измерения позволил безытерационно по косвенным измерениям определить ВАХ, КВХ и ВбАХ для устройства с выбросом на плоской вершине. Погрешность смоделированных с помощью этих характеристик ПХ по отношению к измеренным составила не более 9 %, что является удовлетворительным результатом.Заключение. Предложенный безытерационный метод вычисления характеристических функций позволил определить независимо нелинейные характеристики устройств с выбросом на плоской вершине ПХ посредством установления точки стробирования в разные моменты времени и имеет перспективы к дальнейшему применению.

Introduction. Bandwidth broadening and the growing complexity of the signal waveform result in the inadequacy of modern behavioral models used for simulating baseband devices (before and after the demodulator). To measure devices with an overshoot at the flat top of the transient response (TR), a nonlinear dynamic model in the form of a secondorder recursive filter can be used, whose characteristics are currently determined by the variational method. This article presents an alternative approach to measuring the characteristics of baseband devices with an overshoot at the flat top of TR. In this approach, the processing of results does not involve variational algorithms; instead, it qualifies as an indirect measurement of the characteristic functions of a second-order nonlinear recursive filter.Aim. To consider an approach to determining the characteristics of nonlinear dynamical baseband devices with an overshoot at the flat top of the TR using non-iterative calculations based on the results of direct measurements.Materials and methods. A device with an overshoot at the flat top on the TR is simulated by an equivalent electrical circuit, consisting of an in-series connected inductor and resistor with a parallel connected capacitor. The task is to determine the characteristics of each component: the voltage-current characteristic (VCC), the charge-voltage characteristic (CVC), and the magnetic flux-current characteristic (MFCC). The measurement object was a National Instruments PXI-5114 oscilloscope.Results. The developed measurement technique has made it possible to accurately determine VCC, CVC, and MFCC for a device with an overshoot at the flat top without the need for iterative calculations (using indirect measurements). The error in the simulated TR using these measurements in relation to the actual values did not exceed 9 %, which is an acceptable result.Conclusion. The proposed method for calculating characteristic functions without the need for iterations allows for the independent determination of the nonlinear characteristics of devices with an overshoot at the flat top of TR by setting the strobing point at various moments in time. The method is promising for further applications.

видеоимпульсные сигналынелинейные поведенческие моделикосвенные измерениянелинейные искажениякулон-вольтовая характеристикавебер-амперная характеристикаultra-wideband signalsnonlinear behavioral modelsindirect measurementsnonlinear distortionscharge-voltage characteristicmagnetic flux-current characteristicРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FWRM-2024-0001).The work has performed within the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (the project no. FWRM-2024-0001).ReferencesAl-kanan H., Li F., Tafuri F. F. Extended Saleh model for behavioral modeling of envelope tracking power amplifiers // IEEE 18th Wireless and Microwave Technology Conf. (WAMICON), Cocoa Beach, USA, 24−25 Apr. 2017. IEEE, 2017. P. 1-4. doi: 10.1109/WAMICON.2017.7930244Al-kanan H., Li F., Tafuri F. F. Extended Saleh model for Behavioral Modeling of Envelope Tracking Power Amplifiers. IEEE 18th Wireless and Microwave Technology Conf. (WAMICON), Cocoa Beach, USA, 24−25 Apr. 2017. IEEE, 2017, pp. 14. doi: 10.1109/WAMICON.2017.7930244Tafuri F. F., Larsen T. Extended Cann model for behavioral modeling of envelope tracking power amplifiers // Intern. Symp. on Intelligent Signal Processing and Communication Systems, Naha, Japan, 12–15 Nov. 2013. IEEE, 2013. P. 670–673. doi: 10.1109/ISPACS.2013.6704633Tafuri F. F., Larsen T. Extended Cann Model for Behavioral Modeling of Envelope Tracking Power Amplifiers. Intern. Symp. on Intelligent Signal Processing and Communication Systems, Naha, Japan, 12–15 Nov. 2013. IEEE, 2013, pp. 670–673. doi: 10.1109/ISPACS.2013.6704633Gao X., Zhou Z. L., He M. J. SPICE modeling of wideband RF front-end for electromagnetic coupling analyses // IEEE 5th Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility (EMC-Beijing), Beijing, China, 28–31 Oct. 2017. IEEE, 2017. P. 1–4. doi: 10.1109/EMC-B.2017.8260410Gao X., Zhou Z. L., He M. J. SPICE Modeling of Wideband RF Front-End for Electromagnetic Coupling Analyses. IEEE 5th Intern. Symp. on Electromagnetic Compatibility (EMC-Beijing), Beijing, China, 28–31 Oct. 2017. IEEE, 2017, pp. 1–4. doi: 10.1109/EMC-B.2017.8260410Nonlinear System and Subsystem Modeling in the Domain / M. I. Sobhy, E. A. Hosny, M. W. R. Ng, E. A. Bakkar // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1996. Vol. 44, № 12. P. 2571–2579. doi: 10.1109/22.554605Sobhy M. I., Hosny E. A., Ng M. W. R., Bakkar E. A. Nonlinear System and Subsystem Modeling in the Domain. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1996, vol. 44, no. 12, pp. 2571–2579. doi: 10.1109/22.554605Pedro J. C., Maas S. A. A Comparative Overview of Microwave and Wireless Power-Amplifier Behavioral Modeling Approaches // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53, № 4. P. 1150–1163. doi: 10.1109/TMTT.2005.845723Pedro J. C., Maas S. A. A Comparative Overview of Microwave and Wireless Power-Amplifier Behavioral Modeling Approaches. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005, vol. 53, no. 4, pp. 1150–1163. doi: 10.1109/TMTT.2005.845723Systematic Behavioral Modeling of Nonlinear Microwave/RF Circuits in the Time Domain Using Techniques from Nonlinear Dynamical Systems / D. E. Root, J. Wood, N. Tufillaro, D. Schreurs, A. Pekker // Proc. of the IEEE Intern. Workshop on Behavioral Modeling and Simulation, Santa Rosa, USA, 08 Oct. 2002. IEEE, 2002. P. 71–74. doi: 10.1109/BMAS.2002.1291060Root D. E., Wood J., Tufillaro N., Schreurs D., Pekker A. Systematic Behavioral Modeling of Nonlinear Microwave/RF Circuits in the Time Domain Using Techniques from Nonlinear Dynamical Systems. Proc. of the IEEE Intern. Workshop on Behavioral Modeling and Simulation, Santa Rosa, USA, 08 Oct. 2002. IEEE, 2002, pp. 71–74. doi: 10.1109/BMAS.2002.1291060Broad-band Poly-Harmonic Distortion (PHD) Behavioral Models from Fast Automated Simulations and Large-Signal Vectorial Network Measurements / D. E. Root, J. Verspecht, D. Sharrit, J. Wood, A. Cognata // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53, № 11. P. 3656–3664. doi: 10.1109/TMTT.2005.855728Root D. E., Verspecht J., Sharrit D., Wood J., Cognata A. Broad-band Poly-Harmonic Distortion (PHD) Behavioral Models from Fast Automated Simulations and Large-Signal Vectorial Network Measurements. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2005, vol. 53, no. 11, pp. 3656–3664. doi: 10.1109/TMTT.2005.855728Adonyev O., Izhutkin V. Development of Broadband Transceiver Module for S-band Antenna Array using mathematical model of X-parameters: Transmission Path // Intern. Youth Conf. on Radio Electronics, Moscow, Russia, 12–14 March 2020. IEEE, 2020. P. 1–6. doi: 10.1109/REEPE49198.2020.9059184Adonyev O., Izhutkin V. Development of Broadband Transceiver Module for S-band Antenna Array using mathematical model of X-parameters: Transmission Path. Intern. Youth Conf. on Radio Electronics, Moscow, Russia, 12–14 March 2020. IEEE, 2020, pp. 1–6. doi: 10.1109/REEPE49198.2020.9059184Amini A. R., Boumaiza S. Time-invariant behavioral modeling for harmonic balance simulation based on waveform shape maps // IEEE MTT-S Intern. Conf. on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), Ottawa, Canada, 11–14 Aug. 2015. IEEE, 2015. P. 1–3. doi: 10.1109/NEMO.2015.7415098Amini A. R., Boumaiza S. Time-invariant Behavioral Modeling For Harmonic Balance Simulation Based On Waveform Shape Maps. IEEE MTT-S Intern. Conf. on Numerical Electromagnetic and Multiphysics Modeling and Optimization (NEMO), Ottawa, Canada, 11–14 Aug. 2015. IEEE, 2015, pp. 1–3. doi: 10.1109/NEMO.2015.7415098Multistate Digital Predistortion of Nonlinear Effect in PD-NOMA System / B. Li, X. Hu, N. Kan, B. Peng, W. Wang, F. M. Ghannouchi // IEEE Microwave and Wireless Technology Let. 2024. Vol. 34, № 1. P. 103–106. doi: 10.1109/LMWT.2023.3333885Li B., Hu X., Kan N., Peng B., Wang W., Ghannouchi F. M. Multistate Digital Predistortion of Nonlinear Effect in PD-NOMA System. IEEE Microwave and Wireless Technology Let. 2024, vol. 34, no. 1, pp. 103–106. doi: 10.1109/LMWT.2023.3333885Лабутин С. А. Коррекция нелинейно-инерционных искажений импульсных сигналов в измерительных преобразователях // Техника средств связи. Сер. Радиоизмерительная техника. 1989. Вып. 1. С. 9-15.Labutin S. A. Correction of Nonlinear Inertial Distortions of Pulse Signals in Measuring Transducers, Communication Equipment. Ser.: Radio Measuring Equipment. 1989, iss. 1, pp. 9–15. (In Russ.)Лабутин С. А. Оценивание и коррекция динамических искажений сигналов на основе нелинейных моделей средств измерений // Измерительная техника. Метрология. 1986. № 12. С. 22–29.Labutin S. A. Estimation and Correction of Dynamic Signal Distortions Based on Nonlinear Models of Measuring Instruments. Measuring Equipment. Metrology. 1986, no. 12, pp. 22–29. (In Russ.)Ланнэ А. А. Синтез нелинейных систем. Нерекурсивные системы, детерминированный случай // Электронное моделирование. 1980. № 1. С. 60–68.Lanne A. A. Synthesis of Nonlinear Systems. Non-Recursive Systems, Deterministic Case, Electronic Modeling. 1980, no. 1, pp. 60–68. (In Russ.)Назаров М. А., Семенов Э. В. Минималистичная система характеристик нелинейных видеоимпульсных устройств и ее измерение // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26, № 4. С. 123–132. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-4-123-132Nazarov M. A., Semenov E. V. Minimalistic System of Characteristics of Non-linear Baseband Pulse Devices and Its Measurement. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2023, vol. 26, no. 4, pp. 123–132. (In Russ.) doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-4-123-132Semyonov E. V. Simple Behavioral Model of Baseband Pulse Devices in the Form of a Second-Order Nonlinear Recursive Filter // IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2021. Vol. 68, № 6. P. 2192–2196. doi: 10.1109/TCSII.2020.3048819Semyonov E. V. Simple Behavioral Model of Baseband Pulse Devices in the Form of a Second-Order Nonlinear Recursive Filter. IEEE Trans. on Circuits and Systems II: Express Briefs. 2021, vol. 68, no. 6, pp. 2192–2196. doi: 10.1109/TCSII.2020.3048819Назаров М. А., Семенов Э. В. Анализ нелинейно-инерционных свойств устройств оцифровки с использованием их модели в виде нелинейного рекурсивного фильтра // Докл. ТУСУР. 2022. Т. 25, № 4. С. 110–114. doi: 10.21293/1818-0442-2022-25-4-110-114Nazarov M. A. Semyonov E. V. Simple Behavioral Model of a Recording Device Using a Second-Order Non-Linear Recursive Filter. Proc. TUSUR. 2022, vol. 25, no. 4, pp. 110–114. (In Russ.) doi: 10.21293/1818-0442-2022-25-4-110-114Singleton H. E. Theory of Nonlinear Transducers // MIT. Research Lab. of electronics. Tech. rep. URL: https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/4896/RLETR-160-04722817.pdf (дата обращения 30.04.2023)Singleton H. E. Theory of Nonlinear Transducers. MIT. Research Lab. of electronics. Tech. rep. Available at: https://dspace.mit.edu/bitstream/handle/1721.1/4896/RLETR-160-04722817.pdf (accessed 30.04.2023).PXI-5114 Specification. URL: https://www.ni.com/docs/en-US/bundle/pxi-5114-specs/page/specs.html (дата обращения 01.11.2022).PXI-5114 Specification. Available at: https://www.ni.com/docs/en-US/bundle/pxi-5114-specs/page/specs.html (accessed 01.11.2022).Waveform Generator Siglent SDG7000A. URL: https://www.siglenteu.com/waveform-generators/sdg7000a-arbitrary-waveform-generator/ (дата обращения 28.08.2024).Waveform Generator Siglent SDG7000A. Available at: https://www.siglenteu.com/waveformgenerators/sdg7000a-arbitrary-waveform-generator/ (accessed 28.08.2024).Семенов Э. В. Анализ состава нелинейных искажений при видеоимпульсных воздействиях с применением поведенческих нелинейных моделей электрических цепей // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. T. 25, № 2. С. 2939. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-2-29-39Semyonov E. V. Analysis of the Structure of Nonlinear Distortions at Baseband Pulse Impacts Using Behavioral Nonlinear Models of Electrical Circuits. J. of the Russian Universities. Radioelectronics. 2022, vol. 25, no. 2, pp. 29–39. (In Russ.) doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-2-29-39

The authors declare that there are no conflicts of interest present.