非线性器件特性

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1、4.1.1非线性器件特性非线性系统必定含有一个或多个非线性器件。功率放大器，振荡器和各种调制解调器 都是非线性器件。非线性器件有三个特点：工作特性的非线性、具有频率变换能力、不满足 叠加原理。线性器件的主要特点是，器件参数与通过器件的电流或施于其上的电压有关。例如，通 过二极管的电流大小不同，二极管的内阻值便不同。晶体管的放大系数与工作点有关；带磁 心的电感线圈的电感量随着通过线圈的电流而变化。非线性器件的输出信号比输入信号具有更为丰富的频率成分，许多重要的无线电技术正 是利用非线性器件的这种频率变换作用才得以实现的。当信号通过非线性器件时，输出中除 了包含基波分量外，还会出现众多的心的频率分

2、量。例如，输入为单频信号，则产生高次频 波。在窄带接收机中，谐波并不是严重的问题。因为谐波远离信号频率，它们会被滤波器滤 除；但在发射机中，谐波并不是严重的问题。因为谐波远离信号频率。例如，输入激励信号 为双频信号，则输出不仅有高次谐波，还有两个输入频率的和频、差频分量，即非线性产生 的新频率来源于两个频率的线性组合，通常把这些混频后的频率称为交调(IM)分量。4.1.3无记忆基带非线性器件模型设无记忆基带非线性器件的输入为基带实信号x(t)，输出也为实信号y(t),则无记忆 基带非线性器件可以建模为：y(t)=Fx(t)最常用的基带非线性模型是幕级数模型和限幅器模型。幕级数模型定义如下：y(

3、t) = 乂 axk (t)k = 0通用的基带限幅器模型具有如下形式:乙、M sgn x(t) y(t) =声两荷式中，M是输出的限幅值，m是输入的限幅值，s是“成形”参数。m=0对应的是一个硬 限幅器。x(t)表示基带信号，即其功率(能量)谱分布在零频周围，输出y(t)也是基带信 号。上式模型的仿真比较简单。下面MATLAB程序limiter.m给出了仿真过程。图所示为限 幅器的输入-输出曲线。4.1.4无记忆带通模型可以用来表征通信系统仲的多种窄带非线性带通器件。如前所述，无记 忆带通非线性器件可建模为，无记忆非线性器件后跟随一个带状带通滤波器。这里，家丁非线性器件是窄带的，输入信号也是

4、窄带的，即器件的带宽和信号的带宽均 远小于载频fc考虑一下形式的无记忆非线性器件：y(t)=x(t)-0.5xs(t)假设输入信号是一个具有如下形式的带通随机信号：x(t)=A(t)cos2兀f0t+0 (t)fo载波频率。A (t)和0 (t)是低通随机过程，其带宽满足窄带假设。则非线性器件的 输出为：y(t)=A(t)cos2兀 f0t+O (t)-0.5A(t)cos2兀 f0t+0 (t)3=A(t)cos2兀 f0t+0 (t)-，5 A3(t)cos6兀 f0t+30 (t)+3cos2兀 f0t+0 (t)= A(t)-0.375A3(t)cos2 兀 f0t+0 (t)-0.1

5、25A3Cos6兀 f0t+30 (t)式中，第一项的中心频率为载频；第二项的中心频率是载频的删词谐波分量，这一项不在需 要的频率范围内。因此，非线性器件的基波输出可以近似表示为：y(t) = A(t)-0.375A3(t)cos2 兀 f t+0 (t)因此，只要在该无记忆非线性模型后接一个带通滤波器，就可以滤去不需要的谐波分量，只 输出我们感兴趣的基波分量。注意到，在这个例子中，出书信号的幅度受到输入信号幅度的 影响，但相位却没有受到影响。函数称为这个非线性器件的输入幅度到输出幅度的传递特性，或者称为AM-AM传递特性。对以一些无记忆带通放大器，如功率放大器，当输入为单频信号时，输入信号幅

6、度不仅 影响非线性电路基频分量输出的幅度，还影响基频分量输出的相位，该类器件产生的输出具 有以下形式(谐波分量已被滤波器滤除)：y(t)=fA(t)cos2 兀 f t+ (t)+gA(t)fA(t)称为AM-AM特性，gA(t)称为AM-PM特性。式中表示的模型不仅可以包含由非 线性引起的幅度畸变，还包含非线性引起的相位畸变，带通放大器和许多其他的器件的 AM-AM、AM-PM特性，一般通过实验测量确定(而不是通过分析得到)。在仿真过程中，可以 将AM-AM、AM-PM特性的实验结果简单列表，通过查表获得数据，当然，有时候需要插值。 另一种方法就是使用解释表达式，人们往往使用一些典型的解释表

7、达式来逼近 AM-AM和 AM-PM的测量特性曲线，解析式的参数根据与测量曲线最佳拟合确定。4.1.5高频功率放大器的建模与仿真实例功率放大器可以分为低频功率放大器和高频功率放大器。低频功率放大器是一种将直 流电源提供的能量转换器，其作用是获得足够大的低频输出功率。高频功率放大器永贵发射 机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，一满足发送功率的要求，然后经过天线 将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接受到满意的信号电平，并且不干扰相邻 信道的通信。低频功率放大器和高频功率放大器的工作频率和相对频带宽度相差很大：低频 功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽；高频功率放大器的工

8、作频率高，但是相 对频带宽度很窄。在功率放大器中，通过选择静态工作点，使功率管工作在特性曲线的不同区段上，实 现甲类、乙类、丙类等不同运用状态，介于甲类和乙类之间，即成为丁类状态。管子的运用 状态从甲类转向乙类、丙类或丁类，目的都是为了高效率地输出特定措施实现不是真放大。 一般来说，输出功率越大，功率放大器的非线性失真就越大。甲类放大器适合于小信号低功 率放大，乙类和丙类都适用于大功率工作，丁类放大器的效率最高，但最高工作频率受到开 关转换瞬间所产生的器件功耗的限制。低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类状态， 高频功率放大器一般都工作于丙类(某些特殊情况下可工作于乙类)，属非线性器件。对于

9、高频(或带通)功率放大器，最经典的模型成为单盒模型，即采用AM-AM、AM-PM 特性对功率放大器进行建模。例如，行波管功率放大器的AM-AM和AM-PM特性儿科表示成以下形式：fA= 2A(t), A(t)= 1 + A( t)31 + A (t)程序UnlinearAP.m对行波管功率放大器的系统特性进行了仿真。输入信号为高斯调制 脉冲复信号，即g (t)=e-(t-t )2/t 2ejw ta0 c 0图1给出了输入实信号的波形对比，图2给出了输入复信号幅度和输出复信号幅度的 波形对比。单盒模式假定功率放大器是非记忆的。一种更复杂的模型是有记忆的双盒模型，在单 盒模型前面放置了一个滤波器，用于反映功率放大器在小信号范围内的频率响应，而AM-AM、 AM-PM曲线是在中心频率处测量得到的。该模型特别适宜于行波管功率放大器。双盒模型可以进一步扩展为三盒模型，这种模型的结构为滤波器、非线性元件、滤波 器的级联，该模型提高了双盒模型的性能，引入了灵活性，可得到对AM-AMA、AM-PM曲线的 更好匹配。