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 Analysis of multirate behavior in electronic systems
Please use this identifier to cite or link to this item http://hdl.handle.net/10773/2227

title: Analysis of multirate behavior in electronic systems
authors: Oliveira, Jorge dos Santos Freitas de
advisors: Pedro, José Carlos Esteves Duarte
Araújo, Adérito Luís Martins
keywords: Engenharia electrotécnica
Multiprocessamento
Processamento digital de sinal
Circuitos de rádio
Circuitos de microondas
issue date: 2009
publisher: Universidade de Aveiro
abstract: Esta tese insere-se na área da simulação de circuitos de RF e microondas, e visa o estudo de ferramentas computacionais inovadoras que consigam simular, de forma eficiente, circuitos não lineares e muito heterogéneos, contendo uma estrutura combinada de blocos analógicos de RF e de banda base e blocos digitais, a operar em múltiplas escalas de tempo. Os métodos numéricos propostos nesta tese baseiam-se em estratégias multi-dimensionais, as quais usam múltiplas variáveis temporais definidas em domínios de tempo deformados e não deformados, para lidar, de forma eficaz, com as disparidades existentes entre as diversas escalas de tempo. De modo a poder tirar proveito dos diferentes ritmos de evolução temporal existentes entre correntes e tensões com variação muito rápida (variáveis de estado activas) e correntes e tensões com variação lenta (variáveis de estado latentes), são utilizadas algumas técnicas numéricas avançadas para operar dentro dos espaços multi-dimensionais, como, por exemplo, os algoritmos multi-ritmo de Runge-Kutta, ou o método das linhas. São também apresentadas algumas estratégias de partição dos circuitos, as quais permitem dividir um circuito em sub-circuitos de uma forma completamente automática, em função dos ritmos de evolução das suas variáveis de estado. Para problemas acentuadamente não lineares, são propostos vários métodos inovadores de simulação a operar estritamente no domínio do tempo. Para problemas com não linearidades moderadas é proposto um novo método híbrido frequência-tempo, baseado numa combinação entre a integração passo a passo unidimensional e o método seguidor de envolvente com balanço harmónico. O desempenho dos métodos é testado na simulação de alguns exemplos ilustrativos, com resultados bastante promissores. Uma análise comparativa entre os métodos agora propostos e os métodos actualmente existentes para simulação RF, revela ganhos consideráveis em termos de rapidez de computação.

This thesis belongs to the field of RF and microwave circuit simulation, and is intended to discuss some innovative computer-aided design tools especially conceived for the efficient numerical simulation of highly heterogeneous nonlinear wireless communication circuits, combining RF and baseband analog and digital circuitry, operating in multiple time scales. The numerical methods proposed in this thesis are based on multivariate strategies, which use multiple time variables defined in warped and unwarped time domains, for efficiently dealing with the time-scale disparities. In order to benefit from the different rates of variation of slowly varying (latent) and fast-varying (active) currents and voltages (circuits’ state variables), several advanced numerical techniques, such as modern multirate Runge-Kutta algorithms, or the mathematical method of lines, are proposed to operate within the multivariate frameworks. Diverse partitioning strategies are also introduced, which allow the simulator to automatically split the circuits into sub-circuits according to the different time rates of change of their state variables. Novel purely time-domain techniques are addressed for the numerical simulation of circuits presenting strong nonlinearities, while a mixed frequency-time engine, based on a combination of univariate time-step integration with multitime envelope transient harmonic balance, is discussed for circuits operating under moderately nonlinear regimes. Tests performed in illustrative circuit examples with the newly proposed methods revealed very promising results. Indeed, compared to previously available RF tools, significant gains in simulation speed are reported.
description: Doutoramento em Engenharia Electrotécnica
URI: http://hdl.handle.net/10773/2227
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DETI - Teses de doutoramento

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