Анализ состава нелинейных искажений при видеоимпульсных воздействиях с применением поведенческих нелинейных моделей электрических цепей

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.

1. Brockbank 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-3-2.1945.0011

2. Total 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.2007.904548

3. Nonlinear 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. 2021.3092398

4. Characterization 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.2014.2302745

5. Lavrador 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.2004.823543

6. Martins 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. 2007.896794

7. Семенов 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.

8. 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: 10.5772/16867

9. Иванов И. Ф., Трофимов В. С. О едином методе измерения нелинейности импульсных устройств // Радиотехника. 1963. Т. 18, № 2. С. 52–60.

10. 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)

11. 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)

12. 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.2005.845723

13. Pedro 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. 2003.1210584

14. Nonlinear 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: 10.1109/22.554605

15. Semyonov 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.2020.3048819