Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2026, № 2 · RADIO ENGINEERING

Simulation of nonlinear baseband device with higher-order transient characteristics via a second order nonlinear recursive filter

K.M. Poltorykhin1,2, E.V. Semenov1,2

1 Institute of High Current Electronics of Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk, Russia
2 Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, Tomsk, Russia
Full text DOI: 10.30898/1684-1719.2026.2.11 UDC 621.317.6 EDN VUPQGI

Abstract

It is shown that, when approximating the order of transient responses of baseband devices, the initial segment of the rising edge has the dominant influence. For the digitization device under test, the transient response exhibits an order higher than two. Although this effect is negligible in simulation, it significantly impacts the accuracy of measuring the model’s characteristic functions. A method is proposed in which higher-order transient responses are satisfactorily approximated by the response of a second-order nonlinear recursive filter through the addition of a Gaussian linear filter. The influence of placing the Gaussian filter either at the input or at the output of the nonlinear recursive filter on the characterization quality is analyzed. It is shown that applying the Gaussian filter at the input reduces the error in determining the characteristic functions (the charge-volt and magnetic flux-current characteristics) from 28 % to 1 %, while the accuracy of transient-response modeling relative to measurements reaches 3 %, which overall represents a satisfactory result.

  • nonlinear dynamic model
  • baseband device
  • "black box" type model
  • ultra-wideband signals
  • Device characterization
Аннотация (на русском)

Моделирование нелинейных устройств основной полосы частот с переходными характеристиками высших порядков посредством нелинейного рекурсивного фильтра второго порядка

Отмечено, что переходные характеристики реальных устройств основной полосы частот могут иметь сглаженный переход к крутой части фронта, что формально указывает на необходимость применения фильтра высокого порядка для моделирования таких переходных характеристик. Этот эффект сам по себе незначителен (переходная характеристика в целом удовлетворительно моделируется нелинейным фильтром второго порядка), однако показано, что он значительно увеличивает погрешность измерения характеристик моделирующего нелинейного фильтра. Предложено на входе нелинейного фильтра второго порядка дополнительно включить линейный фильтр Гаусса. Допустимость такого решения обусловлена тем, что участок максимальной невязки реальной переходной характеристики и переходной характеристики второго порядка является малосигнальным. На примере нелинейно-инерционной модели устройства оцифровки с верхней граничной частотой около 100 МГц показано, что такой прием позволяет уменьшить погрешность измерения характеристик моделирующего нелинейного рекурсивного фильтра второго порядка с 28 % до величин не более 1 %. При этом погрешность моделирования переходных характеристик устройства оцифровки уменьшается с 14 до 3 %.

For citation

Poltorykhin K.M., Semenov E.V. Simulation of nonlinear baseband device with higher-order transient characteristics via a second order nonlinear recursive filter // Journal of Radio Electronics. – 2026. – No. 2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2026.2.11

References

  1. Root D. E., Wood J., Tufillaro N., Schreurs D., Pekker A. Systematic Behavioral Modeling of Nonlinear Microwave/RF Circuits in the Time Domain Using Techniques from Nonlinear Dynamical Systems // Proc. of the 2002 IEEE Intern. Workshop on Behavioral Modeling and Simulation. Santa Rosa. 8 Oct, 2002. - P. 71-74. https://doi.org/10.1109/BMAS.2002.1291060.
  2. Root D. E., Verspecht J., Sharrit D., Wood J.,Cognata A. Broadband Poly-Harmonic Distortion (PHD) Behavioral Models from Fast Automated Simulations and Large-Signal Vectorial Network Measurements // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. - 2005. - Vol. 53, No. 11. - P. 3656-3664. https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.855728.
  3. Odonyev O., Izhutkin V. Development of Broadband Transceiver Module for S-band Antenna Array using mathematical model of X-parameters: Transmission Path // 2020 International Youth Conference on Radio Electronics. Moscow, Russia, 12-14 Mar. 2020. - P. 1-6. https://doi.org/10.1109/REEPE49198.2020.9059184.
  4. Лабутин С.А. Коррекция нелинейно-инерционных искажений импульсных сигналов в измерительных преобразователях // Техника средств связи. Сер.: Радиоизмерительная техника. - 1989. - Вып.1. - С.9-15.
  5. Лабутин С. А. Оценивание и коррекция динамических искажений сигналов на основе нелинейных моделей средств измерений // Измерительная техника. Метрология. - 1986. - №12. - С.22-29.
  6. Ланнэ А. А. Синтез нелинейных систем. Нерекурсивные системы, детерминированный случай // Электронное моделирование. - 1980. - №1. - С.60-68.
  7. Sobhy M. I., Hosny E. A., Ng M. W. R., Bakkar E. A. Nonlinear System and Subsystem Modeling in the Domain // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. - 1996. - vol. 44, No. 12. - P. 2571-2579. https://doi.org/10.1109/22.554605.
  8. 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, No. 4. - P. 1150-1163. https://doi.org/10.1109/TMTT.2005.845723.
  9. Назаров М. А., Семенов Э. В. Минималистичная система характеристик нелинейных видеоимпульсных устройств и ее измерение // Изв. высших учебных заведений России. - 2023. - Т. 26, № 4. - С. 123-132. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2023-26-4-123-132.
  10. 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, No. 6. - P. 2192-2196. - https://doi.org/10.1109/TCSII.2020.3048819.
  11. Назаров М. А. Анализ нелинейно-инерционных свойств устройств оцифровки с использованием их модели в виде нелинейного рекурсивного фильтра / М. А. Назаров, Э. В. Семенов // Доклады ТУСУР. - 2022. - Т. 25, № 4. - С. 110-114. https://doi.org/10.21293/1818-0442-2022-25-4-110-114.
  12. Полторыхин К.М., Семенов Э.В. Измерение нелинейных и динамических характеристик устройств основной полосы частот с выбросом на плоской вершине переходной характеристики // Изв. высших учебных заведений России. 2025. - Т. 28, № 4. - С. 109-118. https://doi.org/10.32603/1993-8985-2025-28-4-109-118.
  13. Семенов Э.В. Моделирование влияния нелинейно-инерционных искажений в тракте основной полосы частоты цифровых систем связи на целостность сигнала// Сборник тезисов 10-й Научной конференции "ЭКБ и микроэлектронные модули". Сочи, Научно-технологический университет "Сириус", 23-28 сентября 2024 г. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2024. - С. 159-160.
  14. Артищев С.А., Семенов Э.В. Диагностика качества электрических контактов методом нелинейной видеоимпульсной рефлектометрии с учетом термоэлектрических эффектов // Известия вузов. Физика. - 2013. - № 9. - С. 60-65.
  15. Semyonov E.V., Nazarov M.A., Berezin A.A., Fateev A.V. Features and behavioral modeling of ultra-wideband signals nonlinear scattering by small-sized electronic devices // IEEE Transactions on Radar Systems. - 2025. - vol. 3. - P. 843-851. https://doi.org/10.1109/TRS.2025.3575462.