射頻功放的建模

標簽：射頻電路 模糊邏輯

隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，射頻電路在通信系統中得到了廣泛的應用。功率放大器的研究和設計一直是通信發(fā)展中的重要課題。近年來(lái)，基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的射頻器件和電路建模的研究取得了巨大的成果，對大規模集成電路和復雜電路的建模有著(zhù)巨大的啟發(fā)意義， 成為當今研究的熱點(diǎn)之一，本文將基于這個(gè)理論對射頻放大器進(jìn)行建模和研究。

1 建模方法的介紹

本文將采用模糊邏輯網(wǎng)絡(luò )中的一階Sugeno模型， 為了實(shí)現Sugeno 模糊推理系統的學(xué)習過(guò)程， 一般將其轉化為一個(gè)自適應網(wǎng)絡(luò )，即自適應模糊神經(jīng)推理系統， 如圖1所示。

該自適應網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)多層前饋網(wǎng)絡(luò )， 它可以分為5層， 其中的方形節點(diǎn)需要進(jìn)行參數學(xué)習。下面分別介紹這五層。

圖1 自適應模

糊神經(jīng)推理系統結構

第1層 計算輸入變量的匹配度， 即模糊化過(guò)程。假設模糊集采用高斯函數，那么該層輸出( Oi表示第j層的第i個(gè)輸出)為:

對y 的計算同理， ci， σ i 分別表示高斯函數的中心和寬度， 是模糊規則前提條件中需要調節的參數。

第2 層 計算當前輸入對各條規則的激勵強度，采用對規則前件部分各模糊變量的隸屬度作乘積運算， 即:

第3層 對激勵強度進(jìn)行歸一化:

第4層 計算每條規則的輸出， 一條規則的輸出是給定輸入對該條規則的激勵強度與結論部分的乘積:

第5層 計算模糊系統的輸出， 總的輸出是所有規則輸出之和:

由此可見(jiàn)這一模糊邏輯系統定義了從x、y 到z之間的一個(gè)映射:

通過(guò)對模糊規則中各參數的精心選擇， 可準確地刻畫(huà)變量之間的關(guān)系。

用 模糊邏輯建?？梢园颜麄€(gè)建模過(guò)程分成兩步: 初始模型的建立和模型的后續訓練調整。初始模型的建立除了可根據該領(lǐng)域已有的一些經(jīng)驗、知識外，現在還可以根據一組訓練樣本數據，運用一定的算法確定輸入變量與輸出變量的模糊集個(gè)數與相應的隸屬度函數的形狀， 及一組模糊規則。有了這樣一個(gè)初始模型后，再用學(xué)習算法，如BP算法、DFP算法，來(lái)調整隸屬度函數中的參數， 逐步減小系統的模糊輸出值跟實(shí)際輸出值之間的誤差，可取得較好的效果。

2 建模過(guò)程

在下面的實(shí)例中應用ANFIS進(jìn)行建模的步驟如下:

( 1)在A(yíng)DS中對設計好的功放電路進(jìn)行仿真，這里分別對輸入為單音信號、雙音信號以及調制信號的功放電路進(jìn)行仿真，最終目的是建立一個(gè)描述輸入輸出端口關(guān)系的行為模型，故選擇輸入和輸出的電壓數據用以訓練之用。

( 2)編寫(xiě)程序， 預設ANFIS中的參數值， 確定隸屬度函數的類(lèi)型、模糊規則的條數、迭代次數、模糊集的個(gè)數等，建立初始模型，并完成對訓練數據的學(xué)習;( 3)利用檢測樣本數據檢驗所建立的模型; 采用最小二乘法和梯度下降法對模型的參數進(jìn)行調整。

( 4)觀(guān)察檢測結果， 若檢測誤差滿(mǎn)足精度要求，建模結束， 若不滿(mǎn)足， 繼續調整。

本 文采用一個(gè)三輸入單輸出的初始模型， 輸入變量選為Vin ( k )， Vin ( k- 1)， Vout ( k- 1)三個(gè)輸入變量， 其中Vin ( k ) 為輸入電壓， 變量Vin ( k - 1 ) 用Vin ( k- 1) = Vin ( k ) - Vin ( k - 1)的差分形式來(lái)替換。Vout ( k- 1)為考慮記憶效應而加入的項，即前一刻的輸出量。輸出變量為一單變量Vou t ( k )。這樣可以將整個(gè)需建模的電路輸入輸出的動(dòng)態(tài)關(guān)系用式( 7)予以表達:

模型采用高斯隸屬度函數， 模糊規則條數為[ 2 12]， 共四條， 采用平均分割法。

3 應用實(shí)例

以下是一個(gè)基于SM IC 技術(shù)設計的射頻功率放大器，如圖2所示。它的設計指標如下:

S11 - 15 dB， S21> 20 dB， P1 dB > 20 dBm，PAE 30% ， Pgain > 20 dB。

圖2

電路中選用SM IC 庫中的NMOS管， 其他元件參數如表1~ 3所示。

表1 元件參數單位: pF

表2 元件參數單位: nH

表3 元件參數單位: kΩ

電 路工作在2. 45 GHz下， 輸入功率為RF_input= - 20 dBm~ 10 dBm(間隔1 dBm)的信號，對電路進(jìn)行HB仿真， 并選取時(shí)域下兩個(gè)周期的抽樣輸入輸出電壓抽樣數據作為訓練數據。檢驗數據的選取與上述類(lèi)似，可以選擇輸入功率RF_input= - 19. 5 dBm~10. 5 dBm (間隔為1 dBm )內的一組或多組信號。