radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2022-25-2-29-39radioelectronics-616Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESАнализ состава нелинейных искажений при видеоимпульсных воздействиях с применением поведенческих нелинейных моделей электрических цепейAnalysis of the Structure of Nonlinear Distortions at Baseband Pulse Impacts Using Behavioral Nonlinear Models of Electrical Circuitshttps://orcid.org/0000-0001-5470-1185СеменовЭ. В.SemyonovE. V.

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

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

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

2/3, Akademichesky Av., Tomsk 634055, Russia 

edwardsemyonov@narod.ruИнститут сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук; Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиРоссияInstitute of High Current Electronics SBRAS; Tomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian Federation2022270420222522939Copyright © Семенов Э.В., 20222022Семенов Э.В.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/616

Введение. Измерение нелинейных искажений видеоимпульсных сигналов представляет проблему, поскольку они имеют сплошной спектр. Для селекции сигнала нелинейных искажений в указанном случае применяют сравнение двух откликов объекта на два различных тестовых сигнала или сравнение отклика реального объекта и его линеаризованной модели. Такой подход не позволяет разделить различные физические факторы, приводящие к возникновению нелинейных искажений, что затрудняет последующую оптимизацию устройств.Цель работы. Рассмотреть метод, который позволяет определить вклад различных источников в нелинейные искажения видеоимпульсных сигналов устройством.Материалы и методы. Принцип рассматриваемого метода состоит в построении нелинейной поведенческой модели объекта и сравнении выходных сигналов модели при линеаризации некоторых (или всех) ее характеристических функций. Это дает возможность оценить вклад безынерционной, емкостной нелинейностей и нелинейности, связанной с рециркуляцией сигнала в обратных связях. Исследование выполнено на примере трехкаскадного усилителя видеоимпульсных сигналов (тестовые сигналы – ступенчатые функции), для которого синтезирована поведенческая модель в виде нелинейного рекурсивного фильтра второго порядка.Результаты. Полный сигнал нелинейных искажений, полученный рассмотренным методом, оказался близок к сигналу, получаемому при вычитании откликов на два различных тестовых воздействия. Разделены искажения, обусловленные нелинейностями статической амплитудной характеристики и реактивностей емкостного характера, а также рециркуляцией энергии между реактивными накопителями разных типов. Установлено, что нелинейность амплитудной характеристики сказывается после окончания переходного процесса, нелинейность емкостного характера – в начале переходного процесса, а нелинейность рециркуляции энергии – в его средней части. Проиллюстрировано, что даже части нелинейных искажений ступенчатого сигнала, обусловленные отдельными физическими факторами нелинейности, превышают гармонические искажения радиоимпульсного сигнала.Заключение. Рассмотренный метод представляется наиболее полезным при проектировании широкополосных устройств с обратными связями, поскольку область влияния нелинейности рециркуляции энергии оказывается сдвинутой далеко за пределы визуального окончания переходного процесса.

Introduction. Measuring harmonic distortions of a baseband pulse signal constitutes a problem due to the continuous nature of their spectrum. In order to obtain nonlinear distortions of a signal, a comparison should be conducted either of the object’s responses to two different test signals or those of the real object and its linearized model. However, such an approach does not distinguish between various physical factors that cause nonlinear distortions. This, as a result, complicates the optimization of devices.Aim. To develop an approach capable of determining the contribution of various sources to the nonlinear distortion of baseband pulse signals.Materials and methods. The method under consideration involves a synthesis of a nonlinear behavioral model for an object and a comparison of the model’s output signals when linearizing some (or all) of the characteristic functions in this model. This allows distinguishing the contribution of inertialess, capacitive nonlinearity and nonlinearity associated with signal recirculation in feedbacks. An example of a three-stage baseband pulse amplifier (with step functions as test signals) is provided, for which a behavioral model was synthesized in the form of a second-order nonlinear recursive filter.Results. The aggregate signal of nonlinear distortions obtained using the presented method was found to be similar to that obtained by subtracting the responses to two different test signals. Further, the distortions caused by static amplitude nonlinearity, capacitive reactivity nonlinearity and energy recirculation between different reactive storages were distinguished. The nonlinearity of the amplitude characteristic exhibits its effect at the end of the transient process, the nonlinearity with the capacitive nature – at the beginning of the transient process, and the nonlinearity of energy recirculation – in the middle part of the transient process. It is shown that even parts of the nonlinear distortions at step impact, caused by individual physical nonlinearity factors, exceed the harmonic distortions of a RF-pulse signal.Conclusion. The considered method is particularly useful when designing wideband devices with feedbacks, since the nonlinearity of energy recirculation takes effect long after the visual end of the transient process.

нелинейные искажениявидеоимпульсные сигналынелинейные поведенческие моделибезынерционная нелинейностьреактивная нелинейностьnonlinear distortionbaseband pulse signalsnonlinear behavioral modelsinertialess nonlinearityreactive nonlinearityРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FWRM-2021-0015).The work was carried out within the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (the project no. FWRM-2021-0015).ReferencesBrockbank R. A., Wass C. A. A. Non-linear distortion in transmission systems // J. of the Institution of Electrical Engineers. Pt. III: Radio and Communication Engineering. 1945. Vol. 92, № 17. P. 45–56. doi: 10.1049/ji-3-2.1945.0011Brockbank R. A., Wass C. A. A. Non-Linear Distortion in Transmission Systems. J. of the Institution of Electrical Engineers. Part III: Radio and Communication Engineering. 1945, vol. 92, no. 17, pp. 45–56. doi: 10.1049/ji-3-2.1945.0011Total harmonic distortion measurement system of electronic devices up to 100 MHz with remarkable sensitivity / T. Komuro, S. Sobukawa, H. Sakayori, M. Kono, H. Kobayashi // IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement. 2007. Vol. 56, № 6. P. 2360–2368. doi: 10.1109/TIM.2007.904548Komuro T., Sobukawa S., Sakayori H., Kono M., Kobayashi H. Total Harmonic Distortion Measurement System of Electronic Devices Up to 100 MHz with Remarkable Sensitivity. IEEE Trans. On Instrumentation and Measurement. 2007, vol. 56, no. 6, pp. 2360–2368. doi: 10.1109/TIM.2007.904548Nonlinear dynamic RF system characterization: envelope intermodulation distortion profiles – a noise power ratio-based approach / R. Figueiredo, N. B. Carvalho, A. Piacibello, V. Camarchia // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2021. Vol. 69, № 9. P. 4256–4271. doi: 10.1109/TMTT. 2021.3092398Figueiredo R., Carvalho N. B., Piacibello A., Camarchia V. Nonlinear Dynamic RF System Characterization: Envelope Intermodulation Distortion Profiles – A Noise Power Ratio-Based Approach. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2021, vol. 69, no. 9, pp. 4256–4271. doi: 10.1109/TMTT.2021.3092398Characterization of intermodulation and memory effects using offset multisine excitation / S. Farsi, P. Draxler, H. Gheidi, B. K. J. C. Nauwelaers, P. Asbeck, D. Schreurs // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2014. Vol. 62, № 3. P. 645–657. doi: 10.1109/TMTT.2014.2302745Farsi S., Draxler P., Gheidi H., Nauwelaers B. K. J. C., Asbeck P., Schreurs D. Characterization of Intermodulation and Memory Effects Using Offset Multisine Excitation. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2014, vol. 62, no. 3, pp. 645–657. doi: 10.1109/TMTT.2014.2302745Lavrador P. M., Pedro J. C. Evaluation of signal-tonoise and distortion ratio degradation in nonlinear systems // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2004. Vol. 52, № 3. P. 813–822. doi: 10.1109/TMTT.2004.823543Lavrador P. M., Pedro J. C. Evaluation of Signal-To-Noise and Distortion Ratio Degradation in Nonlinear Systems. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2004, vol. 52, no. 3, pp. 813–822. doi: 10.1109/TMTT.2004.823543Martins J. P., Carvalho N. B., Pedro J. C. Intermodulation distortion of third-order nonlinear systems with memory under multisine excitations // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2007. Vol. 55, № 6. P. 1264–1271. doi: 10.1109/TMTT. 2007.896794Martins J. P., Carvalho N. B., Pedro J. C. Intermodulation Distortion of Third-Order Nonlinear Systems with Memory under Multisine Excitations. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2007, vol. 55, no. 6, pp. 1264–1271. doi: 10.1109/TMTT.2007.896794Семенов Э. В., Семенов А. В. Использование разности сверток тестовых сигналов и откликов объекта для исследования нелинейности преобразования сверхширокополосных сигналов // Радиотехника и электроника. 2007. Т. 52, № 4. С. 480–485.Semyonov E. V., Semyonov A. V. Using the Difference Between Convolutions of Test Signals and Responses of an Object to Study the Nonlinearity of the Conversion of Ultra-Wideband Signals. J. of Communications Technology and Electronics. 2007, vol. 52, no. 4, pp. 480–485. (In Russ.)Semyonov E., Loschilov A. Measurements of the nonlinearity of the ultra wideband signals transformation / ed. by M. Matin // Ultra Wideband Communications: Novel Trends – System, Architecture and Implementation. Rijeka, Croatia: InTech, 2011. P. 3–16. doi: 10.5772/16867Semyonov E., Loschilov A. Measurements of the Nonlinearity of the Ultra Wideband Signals Transformation. Ultra Wideband Communications: Novel Trends – System, Architecture And Implementation; ed. by M. Matin. Rijeka, Croatia, InTech, 2011, pp. 3–16. doi: 10.5772/16867Иванов И. Ф., Трофимов В. С. О едином методе измерения нелинейности импульсных устройств // Радиотехника. 1963. Т. 18, № 2. С. 52–60.Ivanov I. F., Trofimov V. S. On a Unified Method for Measuring the Nonlinearity of Pulsed Devices. Radiotekhnika [Radio engineering]. 1963, vol. 18, no. 2, pp. 52–60. (In Russ.)The IM microscope: a new approach to nonlinear analysis of signals in satellite communications systems / D. S. Arnstein, X. T. Vuong, C. B. Cotner, H. M. Daryanani // COMSAT Technical Review. 1992. Vol. 22, № 1. P. 93–123. URL: http://www.comsatlegacy.com/COMSAT Technical Review/CTR Spring 1992, INT-VI and Sig Process, V. 22-1.PDF (дата обращения 07.12.2021)Arnstein D. S., Vuong X. T., Cotner C. B., Daryanani H. M. The IM Microscope: a New Approach to Nonlinear Analysis of Signals in Satellite Communications Systems. COMSAT Technical Review. 1992, vol. 22, no. 1, pp. 93–123. Available at: https://www.comsatlegacy.com/COMSAT%20Technical%20Review/CTR%20Spring%201992,%20INT-VI%20and%20Sig%20Process,%20V.22-1,.PDF (accessed 07.12.2021)Calculating passive intermodulation products with IM Microscope method / W. Haining, L. Jiangang, W. Jiqin, Z. Chenxin // J. of Air Force Engineering University: Natural Science Edition. 2005. Vol. 6, № 3. P. 47–49. URL: http://kjgcdx.ijournal.cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20050314 (дата обращения 07.12.2021)Haining W., Jiangang L., Jiqin W., Chenxin Z. Calculating Passive Intermodulation Products with IM Microscope Method. J. of Air Force Engineering University: Natural Science Edition. 2005, vol. 6, no. 3, pp. 47–49. Available at: http://kjgcdx.ijournal.cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20050314 (accessed 07.12.2021)Pedro 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.2005.845723Pedro J. C., Carvalho N. B., Lavrador P. M. Modeling nonlinear behavior of band-pass memoryless and dynamic systems // IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest. Philadelphia, USA, 8–13 Jun. 2003. Vol. 3. P. 2133–2136. doi: 10.1109/MWSYM. 2003.1210584Pedro J. C., Carvalho N. B., Lavrador P. M. Modeling Nonlinear Behavior of Band-Pass Memoryless And Dynamic Systems. IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest. Philadelphia, USA, 8–13 Jun. 2003, vol. 3, pp. 2133–2136. doi: 10.1109/MWSYM.2003.1210584Nonlinear 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: 10.1109/22.554605Semyonov 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.2020.3048819

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