电路包络仿真器

1、附录 C：电路包络仿真器对调制的瞬态高频信号， 电路包络仿真提供给设计者一个有效的方法去分析 放大器、混频器、 振荡器和反馈环。 这个仿真器能对当前通信电路和子系统中复 杂的调制信号进行有效的和精确的分析。 这种仿真技术结合了时域和频域方法的 优点，克服了谐波平衡法仿真和 SPICE 仿真器的限制。电路包络仿真过程 电路包络仿真将谐波平衡法的元素和时域仿真技术结合在一起。 类似谐波平 衡法，电路包络仿真描述了电路的非线性行为和信号包含的谐波成分。 然而，电 路包络仿真在时域中得到扩展， 它不被局限在仅描述稳态行为。 电路包络仿真有 效地描述了谐波平衡结果的时间变化级数。Nv(t) real(

2、Vk(t)ej kt) k0 在电路包络仿真中，输入波形被描绘成带有调制包络的 RF 载波，调制包络 用时域状态表示。 输入波形由载波项和时间变化项组成， 时间变化项描述了对载 波的调制。幅度、相位和频率调制， 或这些调制的联合运用， 不再要求信号被描绘成正 弦曲线的总和或是稳态。 这使得在实际中描绘数字调制 (伪随机) 输入波形成为 可能。步长大小和停止时间在电路包络仿真中，步长大小(时间步)和仿真的总时程( stop time)影响 仿真的时间和需要的空间。 这两个参数都关系到仿真中点的个数。 时间步也能影 响精度 ，如果时间步太大则不能对波形精确取样。在一些电路包络仿真中，全 部的时间间

3、隔必须的包括一个或几个完整的波周期以避免傅立叶分析中的数学 误差电路包络法同 SPICE 法相比的一个优点是时间步长由调制带宽决定。在电 路包络仿真中， 带宽相对较窄， 一般只有几兆赫兹， 因此可以采用相对较大的时 间步长而不会增加取样误差。在 SPICE中，时间步长依赖于 RF 载波频率或它的谐波频率， 有些频率非常181高。因此，为了达到相对应的精度，必须采用更多的时间步，这就大大增加了计 算时间和存储容量的要求。仿真器理论在电路包络仿真中， 输入信号按照时域中载波的调制被定义中。 时间步和仿 真中总的时间间隔也被定义。当仿真运行时， 输出端和其它希望节点的频谱在每个时间点被计算出来。 这

4、使得任意频谱分量的幅度和相位都可得到，频谱分量是关于时间的函数。计算傅立叶系数 在电路包络仿真中，任一节点的电压 v(t) 由下式给出：Nv(t) real( Vk(t)ej kt)k0其中, v(t)是电路中包括输入端的任一节点电压，傅立叶系数 vk(t) 可以随时间变 化，代表了每个载波的任意的调制。由于每个时变频谱 vk (t)都可看作是具有中 心频率 fk的调制波，经常把 t 作为“包络”。这个频谱可以表述具有低音频谱的瞬 态信号，例如对 RF 载波的数字调制包络或是具有离散谱线的周期信号，像这种 对两个 RF 的调谐需要进行互调失真分析。在通常的谐波平衡仿真中， 系数是复常数。 当电

5、路包络仿真运行时， 仿真器 在时域中对载频的调制包络取样， 在间隔一个时程的每个时间点计算载频和它的 谐波的离散谱。如果电路中含有频率的混频， 在每个时间点上也需要计算互调项。电路包络和载频 电路包络仿真在所需的时间和空间上都有较高的计算效率。 调制波直接在时 域中描述而不采用正弦曲线求和的形式。 取样率(时间步) 由相对较窄的调制带 宽决定而与 RF 信号频率无关。182在谐波平衡仿真中， 调制信号必须以正弦曲线和的形式表示， 调制波形越复 杂，正弦曲线求和项就越多。因此，特别是当必须考虑高次产物时，仿真所需的 存储空间很容易超出可用空间。在 SPICE 中，信号必须以足够快的速率抽样使它能

6、够捕获最高的频率。因 为频率非常高， 需要很多短的时间步， 因此在仿真中就需要很多的时间和很大的 空间 。如果只对电路包络感兴趣， 那么使用电路包络仿真是一个比较好的选择。在电路包络仿真中，每个节点的电压用具有时变傅立叶系数的离散谱表示。 用户自定义一组谱频率。 每个谱频率的幅度和相位都能随时间变化。 在谐波平衡 法中，代表谐波的信号不再局限于是一个常量。 每个谱频率都能看作是一个频谱在很多情况中， 调制信号的带宽与用户自定义的谱频率 （它和载波频率相对 应）相比较非常小。 每个频谱内的带限信号能获得周期性的、 瞬态的或者是随机 性的调谐。像 SPICE 这样的时域仿真器在高频情况下数字积分精

7、度与在低频或直流情 况下相比较，精度一般会恶化。 例如，用标准的梯形二阶积分法仅能计算在给定 频率下流过电容器的电流，对 1%的精度，需要 10 倍于载频的抽样率；对 0.1% 的精度，需要大约 32 倍于载频的抽样率。对调制载波的应用，最好的精度是在 载波频度， 而不是 DC，这是因为载波频段的信息比较集中。 对这些时域仿真器， 在 DC 段精度最高，在高频段精度减小。对包络仿真器，对载波频率周围的每个 中心进行多重积分。 因此，每个载波都能取得最好的精度。 由时域积分引起的减 少仅能影响每个载波周围的外层调制频率。 包络时间步长必须设置的足够小以维 持期望的包络频谱精度。 但是，在非常靠近

8、实际载波处的精度与稳态时的基本谐 波平衡仿真器的精度相同。电路包络仿真器的另外一个优点是每个载波的瞬时幅度， 相位、输入输出信 息随时可用。因此，它可以在仿真器中产生有效的项目模型，如幅度，功率，相 位或者频率检测器等； 或者方便地给使用者显示期望的结果。 毫无例外的， 如果 过长时间和误差引入计算则需要将时域波形转换成包络信息。183这说明了电路包络仿真器能够从稳态方式开始。 它可以在所有载波， LO,RF, 和直流波形处在稳态值的情况下进行仿真。 正如绝大数的时域仿真器一样， 使用 者没有必要等电路达到稳态。 因此，仿真器能够一起随时间变化的调制包络来进 行仿真，而没必要去等待瞬态信号的消

9、失。 但是它不会跟具有局限性的谐波平衡 器来共同仿真这些瞬态信号。 RF、LO，甚至直流源都可以在 t0 时刻开始，从 而所有突发的信号都可以被检测到。 由于时域与频域技术的结合应用， 包络仿真 器具有时域和频域仿真器的绝大多数优点。时域输出 在电路包络仿真器中， 离散的随时间变化的载波频普及其谐波， 在间隔一个 时程的每个时间点被仿真。 如果电路包含的频率中混有互调项则也可以在每个时 间点被计算出来。仿真器中每个时间点的幅度和相位数据就被读入到数据集中。 这些结果， 对电路的输出和其它任何期望的节点来说， 在时域中表现为幅度， 相 位，I/O 和谐波的时间函数。快速傅立叶变换输出 拿所有频谱

10、分量的仿真数据中幅度和相位的傅立叶变换来说， 频谱分量周围的 频域结果也能被描述。 傅立叶变换是用来把仿真结果中的幅度和相位时间信号转 换为频域信号。 这就可以使仿真器有可能对诸如频谱再生， 相邻信道功率， 互调 失真和相位噪声进行检测。184电路包络仿真技术电路包络仿真通过将时域和谐波平衡技术结合在一起提高了HP EEsofs电路仿真的能力，它在检测瞬态行为和数字调制信号响应方面特别有用。在频域中， S参数分析说明了线性效果， 谐波平衡仿真说明了非线性效果。 两种方法都说明了稳态行为。 电路包络仿真将谐波平衡法扩展到时域。 它允许设 计者检测时变的输出频谱和包括谐波的瞬态行为。 在时域中，

11、SPICE 对集总参数 元件是有效的， 卷积仿真器对分布参数元件和集总参数元件都有效。 电路包络仿 真通过允许对分布参数元件的分析和减小对时间、 空间的需求扩展了这些分析方 法。作为一种仿真工具， 电路包络仿真具有许多其它工具所具有的功能。 类似其 它工具，电路包络仿真重复和增加了其它仿真器的功能， 但是不能完全替代它们， 也不具有其它仿真工具的全部功能。电路包络仿真能做谐波平衡能做的同样仿真。然而，对非调制信号 谐波平衡法更加有效。电路包络仿真能做 SPICE 能做的大部分仿真。然而，对任意回路电 路，大的逻辑和模拟电路， SPICE 更加有效。电路包络仿真有较广泛的应用范围。 在分析瞬态和调制的高频性信号当中非 常有用 。它在电路当中有很广的应用范围。185 放大器 放大器启动的瞬态包含有谐波成分， 能被作为时间的函数进行分析， 它是对 脉冲数字调制 RF 信号的响应。频谱再生和邻近信道功率也能被研究。只有当用电路包络仿真的时候， 在时域中才能对谐波进行分析。 在时域中用 SPICE或谐波平衡仿真的时候不能对谐波进行分析。混频器 混频器的非线性特性按照三阶截距（ TOI,IP3）和更高阶截距的方法能被快 速有效的刻画出来。用余弦调制的方法将单一频谱的 RF 输入分成两个间距为 2 倍调制频率的信号。类似于放大器，频谱再