Метод огибающей схемы ускоряет моделирование РЧ-системы. В Simulink ® моделирование высокочастотных сигналов требует временного шага, пропорционального самой высокой частоте, присутствующей в радиочастотной системе. Однако частота модуляции или огибающая РЧ сигналов может быть на несколько порядков меньше самой высокой частоты. Метод огибающей схемы использует это условие для точного моделирования РЧ-сигналов при сокращении времени моделирования .
Например, на следующем рисунке показано преимущество использования огибающей схемы с сигналом x (t):
Сигнал состоит из изменяющегося во времени модулирующего сигнала на высокочастотной несущей или центральной частоте. Во многих радиочастотных применениях частота модулирующего сигнала A (t) меньше частоты несущей fc.
Программное обеспечение RF Blockset™ обрабатывает несущую cos (2xeonfct) аналитически, поэтому моделирует только модулирующий сигнал. RF Blockset использует два метода для обработки этого моделирования, эквивалентной полосы частот и огибающей схемы. В обоих способах механизм моделирования выполняет временные шаги по шкале модулирующего сигнала вместо несущей.
По сравнению с эквивалентным моделированием основной полосы, огибающая схемы позволяет включать дополнительные нелинейные эффекты за пределами внутриполосного спектрального повторного роста и пригодна для моделирования с множеством несущих.
С помощью моделирования оболочки цепи можно моделировать:
Нелинейные эффекты четного и нечетного порядка, генерирующие внутриполосные и внеполосные гармоники и спектральный повторный рост
Эффекты многопортовой и широкополосной фильтрации (частотно-селективной), такие как эффекты, вносимые S-параметрами, включая несовпадения импедансов
Внутриполосные и внеполосные интерференционные и стимулирующие сигналы, включая эффекты смешения
Преобразование постоянного тока и смещения постоянного тока
Произвольные сигналы гетеродина, включая фазовый шум
Генерация теплового шума
Настраиваемые радиочастотные элементы, управляемые сигналами Simulink (VGA, переключатели, RLC, аттенюатор, фазовращатель и т.д.)
При моделировании огибающей схемы предполагается, что огибающая модуляции сигнала изменяется медленно относительно несущей. Этот тип моделирования предполагает, что огибающие сигнала являются постоянными в течение одного цикла несущей (квазистатическое предположение). Можно предположить, что огибающая сигнала является узкополосной, когда она имеет частоту, по меньшей мере, на порядок меньшую, чем несущая частота.
Для реальных сигналов полосы пропускания и широкополосных модулированных сигналов огибающая схемы обеспечивает правильные результаты. Однако моделирование может быть медленнее, чем традиционные методы моделирования во временной области (переходные), такие как метод, поддерживаемый Simulink. Если ваш вход является ультраширокополосным сигналом, или если вы имеете дело со многими модулированными сигналами, заполняющими спектр моделирования, используйте моделирование полосы пропускания во временной области.
При рассмотрении квазистатического предположения необходимо учитывать влияние нелинейностей, увеличивающих полосу пропускания огибающей сигнала. Огибающие сигнала, включая внутриполосный спектральный повторный рост, должны быть узкополосными по сравнению с несущей частотой. Следовательно, оболочка цепи менее пригодна для моделирования жестких нелинейностей, таких как нелинейности, возникающие в результате эффектов отсечения или насыщения.
В сигналах с несколькими несущими перекрывающиеся огибающие не рекомендуется. Перекрывающиеся огибающие возникают, когда несущие частоты разнесены на расстояние, меньшее, чем ширина полосы огибающей. В этом случае можно уменьшить временной шаг моделирования и разместить информацию о сигнале в пределах одной огибающей. Дополнительные сведения см. в разделе Конфигурация.
Огибающая схемы представляет собой имитацию временной области (переходного процесса), наложенную на анализ гармонического баланса. Анализ выполняется в дискретные моменты времени.
Гармонический баланс - частотно-доменный метод вычисления стационарной характеристики нелинейных цепей при возбуждении конечным числом гармонических тонов. Этот анализ решает систему уравнений в частотной области и подходит для моделирования частотно-определяемых компонентов, таких как S-параметры или линии передачи.
Гармонический баланс используется огибающей схемы для анализа реакции системы на каждом шаге времени. Моделирование извлекает частоты анализа из несущих сигналов. Коэффициенты гармонического тона изменяются во времени и обрабатываются с использованием переходного моделирования. Этот процесс обеспечивает изменяющиеся во времени огибающие вокруг гармонических тонов.
На рисунке ниже показано схематическое представление моделирования оболочки цепи. Модулированный синусоидальный сигнал, центрированный вокруг
, вводится в нелинейную систему. Выход системы имеет множество гармоник, каждая с изменяющейся во времени огибающей.
В огибающей схемы временной шаг должен быть достаточно малым для захвата полосы частот огибающей, а не максимальной частоты (несущей) сигнала. Меньший шаг времени моделирования соответствует большей полосе пропускания моделирования (огибающей) и, таким образом, более медленному моделированию.
Временной шаг моделирования огибающей цепи устанавливается в блоке «Конфигурация». Временной шаг моделирования должен быть достаточно малым, чтобы захватить модуляцию сигнала (полосу пропускания) и внутриполосный спектральный повторный рост, вызванный нелинейностью системы. В то же время временной шаг моделирования должен быть как можно большим для увеличения скорости моделирования. Можно найти компромисс между точностью и скоростью моделирования, используя шаг времени моделирования в пределах этого диапазона значений.
Используйте значение временного шага моделирования менее 1/( 2 * полоса пропускания), чтобы выполнить критерий Найквиста и правильно выполнить выборку модуляции сигнала.
Используйте значение шага времени моделирования, большее или равное 1/( 8 * пропускной способности), чтобы иметь максимальную точность на краях огибающей. Эти диапазоны значений можно использовать при моделировании блоков S-параметров, фильтров и частотно-определяемых компонентов. Это значение временного шага также фиксирует внутриполосный спектральный повторный рост, вызванный нечетной нелинейностью порядка.
Схема огибающей сочетает моделирование во временной области с анализом в частотной области, существуют два краевых случая, представляющих особый интерес.
Если несущая частота всех источников сигнала равна 0, то моделирование сводится к чисто переходному (реальному) моделированию с фиксированным шагом времени. Гармонический баланс не выполняется. Эта конфигурация не ускоряет моделирование радиочастотной системы.
Если время остановки моделирования равно 0, то моделирование сводится к чисто статическому нелинейному анализу (гармоническому балансу) системы. Моделирование во временной области не выполняется. Эта конфигурация полезна для стационарного анализа РЧ-системы, например, для понимания результирующего распределения энергии от многих сигналов или для анализа системы переменного тока.
Рассмотрим схему RF Blockset. Эту схему можно разделить на три секции: формирование входного сигнала, радиочастотная подсистема, визуализация выходного сигнала.
Можно использовать два типа источников входного сигнала:
Источник сигнала Simulink
Источник сигнала RF Blockset
При использовании источника сигнала Simulink необходим шлюз в подсистему RF (блок Inport). Входной сигнал Simulink представляет модуляцию радиочастотного сигнала. Сигнал может быть сложным или реальным на основе информации, которую он несет. Для моделирования постоянной модуляции на несущей в среде моделирования огибающей цепи используйте блок непрерывной волны. Можно также моделировать шум с помощью источника шума тока или напряжения в радиочастотных системах с помощью блока шума.
Если входной сигнал является вектором, каждый элемент вектора представляет сигнал огибающей, модулированный вокруг определенной несущей частоты. В блоке Inport задаются несущие частоты входного сигнала.
Радиочастотная подсистема (выделена синим цветом) состоит из трех основных блоков: Inport, Configuration и Outport. В подсистему RF можно включить столько блоков Inport или Outport, сколько необходимо.
InportБлок Inport выполняет идеальный сдвиг частоты входного сигнала вокруг несущей частоты путем осуществления комплексного умножения частоты. Если входной сигнал является вектором с каждым элементом, представляющим отдельную огибающую, для каждого из них можно указать отдельные несущие частоты.
Можно также указать нулевую несущую частоту, соответствующую действительному сигналу полосы пропускания. В этом случае мнимой частью входного сигнала пренебрегают.
Дополнительные сведения см. в разделе Inport.
Configuration: Блок «Конфигурация» используется для указания следующего:
Временной шаг моделирования, который определяет полосу пропускания моделирования огибающей. Все огибающие сигналов имеют одинаковую полосу пропускания. Чтобы избежать повторной выборки входного сигнала и наложения псевдонимов, используйте тот же шаг времени, что и входные сигналы Simulink для нескольких систем ввода. Для отдельных систем ввода используйте более медленные входные сигналы с флажком интерполяционного фильтра.
Гармонический порядок моделирования, определяющий общее количество частот моделирования, используемых для выполнения анализа гармонического баланса. Опция auto дает консервативный выбор гармонических частот. Время моделирования прямо пропорционально общему числу частот моделирования. Если схема работает в нелинейных условиях, можно ускорить моделирование, уменьшив гармонический порядок.
Нормализация мощности несущей, используемой для масштабирования средней мощности сигнала относительно его корневого среднего квадратичного значения. Используйте эту опцию для масштабирования средней мощности огибающей сигнала относительно среднеквадратической мощности корня его представления в реальном диапазоне пропускания.
Температура и затравка, используемые для создания теплового шума.
Дополнительные сведения см. в разделе Конфигурация.
Outport: Блок Outport - это обратный шлюз из оболочки схемы в среду Simulink. Если указать несущую частоту, отличную от нуля, блок возвращает комплексную огибающую сигнала вокруг указанной несущей. Блоки выходных портов используются для проверки модулированных сигналов на указанных несущих для просмотра с помощью Spectrum Analyzer или для дальнейшей обработки сигналов.
Дополнительные сведения см. в разделе Выход.
Для визуализации радиочастотных сигналов можно использовать приемники Simulink. Для доступа к сигналам огибающей схемы в Simulink необходим блок исходящего порта для выполнения функций шлюза вне радиочастотной подсистемы. Блок Outport зондирует огибающие сигналы, центрированные вокруг заданных несущих частот.
Используя область времени, можно проверить изменяющееся во времени содержание модулированных сигналов без построения графика соответствующей несущей частоты.
Используя анализатор спектра, можно проверить спектральное содержание модулированных сигналов, которые неявно центрированы вокруг различных несущих частот.