（通信与信息系统专业论文）软件无线电中射频功率放大器设计的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ( s d r ) h a sb e e np r o p o s e da san e wc o m m u n i c a t i o n a r c h i t e c t u r ei nr e c e n ty e a r s i th a sb e e nr e c o g n i z e da st h en e x tm a j o rl e a pf o r w a r di n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s b e c a u s ei ta c c o r d sw i t ht h ec u r r e n t t h o u g h t o ft h e c o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t ，i th a sb e c o m et h ef o c u so ft h er e s e a r c ho nt h ed e s i g n o fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s r a d i of r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e r sh a v eb e c o m em o r e a n dm o r ei m p o r t a n t 、m t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e sf o r w i d e b a n da n dh i i g hs p e e do fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si nt h ep r e s e n ta n dt h ef u t u r e t h ed e s i g na b o u tp o w e ra m p l i f i e r si sm u c hac h a l l e n g e a b l et o p i c ，e s p e c i a l l yi nt h e m o r ec o m p l i c a t e d p e r f o r m a n c e o fm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i ti s v e r y s i g n i f i c a n tm a k i n g at h o r o u g ha n dc a r e f u ls t u d yo nt h ed e s i g no ft h ep o w e r a m p l i f i e r t h e i n v e s t i g a t i o no f t h er a d i of r e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e rb a s e d o ns d r p r o m o t e s t h e d e v e l o p m e n t o fs d r a tt h es a m et i m e ，s d rp r o v i d e sn e wt e c h n i q u e sa n dm e t h o d s f o rt h ed e s i g no f p o w e r a m p l i f i e r s t h ep a p e rh a sd i s c u s s e dd e e p l yt h ep o w e ra m p l i f i e ri ns d r a n dt h ep r e s e n t d e s i g nm e t h o d s a n dt e c h n i q u e so ft h eb r o a d b a n dl i n e a rp o w e ra m p l i f i e ra r ea n a l y z e d a t l a r g e t h es t u d y o ft h e p o w e ra m p l i f i e r sp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c si s e m p h a s i z e d o n b r o a d b a n d , l i n e a r i t y a n d e f f i c i e n c y o nt h ea s p e c to fb r o a d b a n d ，t h ed e s i g no ft h eb r o a d b a n dp o w e ra m p l i f i e ri s s u m m a r i z e dg e n e r a l l y b e c a u s eo ft h ei m p o r t a n c eo ft h es - p a r a m e t e rt oc h a r a c t e r i z e t h ed e v i c e sp e r f o r m a n c e sa n dd e s i g nt h ep o w e ra m p l i f i e r , t h et h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n f o rt h es - p a r a m e t e ri sd o n ei nt e r m so ft h em o d e lo ff i e l d - e f f e c t t r a n s i s t o r sw i t h m a t l a b 。ap o w e ra m p l i f i e rh a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e du s i n gp s p i c e ， m o r e o v e r , w h o s eb a n d w i d t hi sb r o a d e n e db yt h en e g a t i v ef e e d h a c k a sf a ra s l i n e a r i t y a n d e f f i c i e n c y a r ec o n c e r n e d ，s e v e r a l t e c h n i q u e s a n d t h e o r e t i c a la n a l y s e so nl i n e a r i t ya r ee x t e n s i v e l yd e m o n s t r a t e d h y b r i du s eo fl i n e a r t e c h n i q u e s a n da d a p t a t i o nt e c h n o l o g i e si ns d ra r ef u l l ys t u d i e ds ot h a t i tc a l l p r o v i d e sa m p l i f y w i t hb r o a d b a n d ，h i g he f f i c i e n c ya n dl i n e a r i t y t h ep a p e rp r e s e n t sa 西南交通大学硕士研究生学位论文第| li 页 n e ws c h e m eo fa na d a p t i v ef e e d f o r w a r dc o r r e c t i o nc o n n e c t e dw i t hap r e d i s t o r t e rt o a r n p l i f yi ns d r a tl a s t ，t h et r e n do fd e s i g n i n gt h ep ai ns d ru n d e rs o f t w a r ec o n t r o li s f o r e c a s t e d t h e r e f o r e ，t h ed i r e c t i o no f t h ei n t e n d i n gi n v e s t i g a t i o ni sv i e w e d ，w h i c hi s s u i t a b l ef o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n s k e y w o r d s ：s o r a r e - d e f i n e dr a d i o ；r a d i o 丘e q u e n c yp o w e ra m p l i f i e r ；t e c h n o l o g y o f a m p l i f y w i t hb r o a d b a n d ，l i n e a r i t ya n de f f i c i e n c y ：a d a p t i v ea 脚l a s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 软件无线电中的射频功率放大器 软件无线电是近几年在无线电通信领域提出的一种新的通信体系结构，其 中心思想是：构造个具有丌放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将无线 通信的各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协 议等用软件柬完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具 有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。”j l 副 软件无线电被认为将是无线通信的一大飞跃，特别是由于世界范围内目前 己存在大量无线接口标准和提议，移动卫星通信和区域蜂窝通信等技术的交汇 不可避免地需要联合的便携终端，软件无线电先进的设计思想与通信系统的未 来发展相符，得到广泛关注。国际电联i t u 提出p j ，要在第三代i m t - 2 0 0 0 中采 用软件无线电技术，这将大大推动软件无线电技术的发展。 软件无线电是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子 技术为支撑的【4 1 。它涉及的领域多，技术发展快。软件无线电的理论基础有信 号采样理论、多速率信号处理基本理论、软件无线电中的高效数字滤波及信号 正交变换理论等，相关的接收机、发射机的数学模型是丌展软件无线电研究与 丌发的理论基础。硬件平台包括模拟前端、宽带a i d 和d a 转换、数字上下变 频器、高速数字信号处理器、智能天线和总线连接等。 实现软件无线电的关键技术之一是宽带射频段。在射频变换部分，宽带、 线性、高效射频放大器的设计和电磁兼容问题的处理是非常重要但也较困难。 放大是整个前端电路中非常重要的一个环节，它的功率消耗也是其中占晟大的。 软件无线电的接收通道是宽带的、线性的，通带内的信号可能有很多，因此对 放大的要求也很高。迄今为止，软件无线电的理论己基本成熟，但对关键的射 频功率放大器的研究仍然处于初步阶段。 无线通信中产生的射频微波功率在应用中对其频率、带宽、负载、功率、 稳定、效率、线性和花销方面都有特别的要求。射频功率通过很多种技术、方 案和有源设备产生，功率放大器也有很多种构成方式组合在发射机中，包括线 丝：k 丛l 鱼鳖埴险塑毯墓2 ：鱼垒邑躔：窑星翅建塑墨箍重笠结也蕉丕! 鎏筐 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 软件无线电中的射频功率放大器 软件无线电是近几年在无线电通信领域提出的一种新的通信体系结构，其 中心思想是：构造个具有丌放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将无线 通信的各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协 议等用软件柬完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具 有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。”j l 副 软件无线电被认为将是无线通信的一大飞跃，特别是由于世界范围内目前 己存在大量无线接口标准和提议，移动卫星通信和区域蜂窝通信等技术的交汇 不可避免地需要联合的便携终端，软件无线电先进的设计思想与通信系统的未 来发展相符，得到广泛关注。国际电联i t u 提出p j ，要在第三代i m t - 2 0 0 0 中采 用软件无线电技术，这将大大推动软件无线电技术的发展。 软件无线电是以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子 技术为支撑的【4 1 。它涉及的领域多，技术发展快。软件无线电的理论基础有信 号采样理论、多速率信号处理基本理论、软件无线电中的高效数字滤波及信号 正交变换理论等，相关的接收机、发射机的数学模型是丌展软件无线电研究与 丌发的理论基础。硬件平台包括模拟前端、宽带a i d 和d a 转换、数字上下变 频器、高速数字信号处理器、智能天线和总线连接等。 实现软件无线电的关键技术之一是宽带射频段。在射频变换部分，宽带、 线性、高效射频放大器的设计和电磁兼容问题的处理是非常重要但也较困难。 放大是整个前端电路中非常重要的一个环节，它的功率消耗也是其中占晟大的。 软件无线电的接收通道是宽带的、线性的，通带内的信号可能有很多，因此对 放大的要求也很高。迄今为止，软件无线电的理论己基本成熟，但对关键的射 频功率放大器的研究仍然处于初步阶段。 无线通信中产生的射频微波功率在应用中对其频率、带宽、负载、功率、 稳定、效率、线性和花销方面都有特别的要求。射频功率通过很多种技术、方 案和有源设备产生，功率放大器也有很多种构成方式组合在发射机中，包括线 丝：k 丛l 鱼鳖埴险塑毯墓2 ：鱼垒邑躔：窑星翅建塑墨箍重笠结也蕉丕! 鎏筐 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性能可以通过反馈、前馈和预失真等技术提高。 1 2 射频功放设计面临的挑战 软件无线电在通信系统中，特别是在未来移动通信系统中的应用是越柬越 成为研究的热点。其中的关键技术之一与射频技术有关的功率放大器对通 信系统的发展起重要作用。 移动通信由第二代发展到第三代，会给相应的信息处理带来一系列新课题 和难题，如工作频段由8 0 0 , - - 9 0 0 m h z 提高到2 g h z ；信号带宽由g s m 2 0 0 k h z ( i s - 9 5 的1 2 5 m h z ) 提高到5 m h z 。软件无线电工作的所有方方面面都由可配 置的单元决定，它的基本点是对任何已有的移动通信无线标准实现实时配置。 这意味着此结构中所用器件是频率独立，且不依赖于所用调制方式。因此软件 无线电的射频前端必须能在宽频范围内工作；也必须对所用调制方式透明，即 髭对高速率多电平调制进行线性放大。在这体系结掏中射频前湍模块中的 重要部件射频功放的设计面临了提高带宽，线性化，提高效率，降低功耗，易 于集成以及电磁兼容等挑战。目前器件还不具备在高频、宽带下直接进行数字 化处理条件，要靠传统的高频模拟器件的硬件设备来完成射频段的主要功能， 也可用软件程序控割的方法对功能及参数进行设置。 软件无线电及其射频功率放大器的研究是相互促进的，基于软件无线电束 研究射频功率放大器为软件无线电的发展能起推动作用；同时，软件无线电为 射频功率放大器提供了新的设计思想和技术途径。软件无线电中射频功放的设 计，即在总结传统身于频功率放大器设计方法的基础上，采用软件无线电这新 的有效的技术，对它在带宽和线性等性能进行研究和改进。射频功放虽然现在 仍采用很多传统的设计方法，但随着通信系统的巨大发展，无疑会有很多新的 技术变革其设计以满足软件无线电技术的要求。 1 3 本文的研究工作 日a i ，基于软件无线电的射频功率放大器的研究不是很多，公丌发表的软 件无线电文献资料中论述更多的是含调制解调、信源信道编码等的通信理论和 数字信号处理。很少系统地分析软件无线电中的射频功放的相关理论及其实现 技术。有关基于软件无线电的射频莳端仅有少量文献报道，例如，文献 5 提出 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性能可以通过反馈、前馈和预失真等技术提高。 1 2 射频功放设计面临的挑战 软件无线电在通信系统中，特别是在未来移动通信系统中的应用是越柬越 成为研究的热点。其中的关键技术之一与射频技术有关的功率放大器对通 信系统的发展起重要作用。 移动通信由第二代发展到第三代，会给相应的信息处理带来一系列新课题 和难题，如工作频段由8 0 0 , - - 9 0 0 m h z 提高到2 g h z ；信号带宽由g s m 2 0 0 k h z ( i s - 9 5 的1 2 5 m h z ) 提高到5 m h z 。软件无线电工作的所有方方面面都由可配 置的单元决定，它的基本点是对任何已有的移动通信无线标准实现实时配置。 这意味着此结构中所用器件是频率独立，且不依赖于所用调制方式。因此软件 无线电的射频前端必须能在宽频范围内工作；也必须对所用调制方式透明，即 髭对高速率多电平调制进行线性放大。在这体系结掏中射频前湍模块中的 重要部件射频功放的设计面临了提高带宽，线性化，提高效率，降低功耗，易 于集成以及电磁兼容等挑战。目前器件还不具备在高频、宽带下直接进行数字 化处理条件，要靠传统的高频模拟器件的硬件设备来完成射频段的主要功能， 也可用软件程序控割的方法对功能及参数进行设置。 软件无线电及其射频功率放大器的研究是相互促进的，基于软件无线电束 研究射频功率放大器为软件无线电的发展能起推动作用；同时，软件无线电为 射频功率放大器提供了新的设计思想和技术途径。软件无线电中射频功放的设 计，即在总结传统身于频功率放大器设计方法的基础上，采用软件无线电这新 的有效的技术，对它在带宽和线性等性能进行研究和改进。射频功放虽然现在 仍采用很多传统的设计方法，但随着通信系统的巨大发展，无疑会有很多新的 技术变革其设计以满足软件无线电技术的要求。 1 3 本文的研究工作 日a i ，基于软件无线电的射频功率放大器的研究不是很多，公丌发表的软 件无线电文献资料中论述更多的是含调制解调、信源信道编码等的通信理论和 数字信号处理。很少系统地分析软件无线电中的射频功放的相关理论及其实现 技术。有关基于软件无线电的射频莳端仅有少量文献报道，例如，文献 5 提出 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 性能可以通过反馈、前馈和预失真等技术提高。 1 2 射频功放设计面临的挑战 软件无线电在通信系统中，特别是在未来移动通信系统中的应用是越柬越 成为研究的热点。其中的关键技术之一与射频技术有关的功率放大器对通 信系统的发展起重要作用。 移动通信由第二代发展到第三代，会给相应的信息处理带来一系列新课题 和难题，如工作频段由8 0 0 , - - 9 0 0 m h z 提高到2 g h z ；信号带宽由g s m 2 0 0 k h z ( i s - 9 5 的1 2 5 m h z ) 提高到5 m h z 。软件无线电工作的所有方方面面都由可配 置的单元决定，它的基本点是对任何已有的移动通信无线标准实现实时配置。 这意味着此结构中所用器件是频率独立，且不依赖于所用调制方式。因此软件 无线电的射频前端必须能在宽频范围内工作；也必须对所用调制方式透明，即 髭对高速率多电平调制进行线性放大。在这体系结掏中射频前湍模块中的 重要部件射频功放的设计面临了提高带宽，线性化，提高效率，降低功耗，易 于集成以及电磁兼容等挑战。目前器件还不具备在高频、宽带下直接进行数字 化处理条件，要靠传统的高频模拟器件的硬件设备来完成射频段的主要功能， 也可用软件程序控割的方法对功能及参数进行设置。 软件无线电及其射频功率放大器的研究是相互促进的，基于软件无线电束 研究射频功率放大器为软件无线电的发展能起推动作用；同时，软件无线电为 射频功率放大器提供了新的设计思想和技术途径。软件无线电中射频功放的设 计，即在总结传统身于频功率放大器设计方法的基础上，采用软件无线电这新 的有效的技术，对它在带宽和线性等性能进行研究和改进。射频功放虽然现在 仍采用很多传统的设计方法，但随着通信系统的巨大发展，无疑会有很多新的 技术变革其设计以满足软件无线电技术的要求。 1 3 本文的研究工作 日a i ，基于软件无线电的射频功率放大器的研究不是很多，公丌发表的软 件无线电文献资料中论述更多的是含调制解调、信源信道编码等的通信理论和 数字信号处理。很少系统地分析软件无线电中的射频功放的相关理论及其实现 技术。有关基于软件无线电的射频莳端仅有少量文献报道，例如，文献 5 提出 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 了软件无线电应用的基于射频预失真的宽带线性功率放大器方案。 本文对软件无线电中的射频功率放大器进行了较深入的讨论，系统详尽地 分机了目i # 宽带线性射频功放的设计方法和技术。在总结传统射频功率放大器 设计方法的基础上，基于软件无线电这一新思想，着重于在软件无线电的构架 下射频功率放大器的宽带、线性和效率等性能的研究和改进。 首先全面地阐述了传统功率放大器和发射机技术，为后面的研究作好了理 论准备，并提到新技术的涌现必将不断地推动射频功放乃至软件无线电的飞速 发展。 在放大器的宽带设计方面，匹配网络实现阻抗变换是设计宽带放大器的 核心，还具有减小功耗、降低噪声干扰、提高功率容量和提高频率响应的平坦 度等功能。鉴于此，对宽带功放的匹配网络和电路形式进行了论述，具体考虑 了放大器的有源器件及放大器的频率响应和影响带宽的诸多因素。基于s 参量 在表征射频器件和射频电路设计的重要性，运用器件的模型参量和二端口网络 分折对s 参量进行了理论模拟。并且用p s p i c e 仿真软件对实际放大电路进行 仿真，出负反馈对电路性能影响的理论依据。对仿真结果进行了详细的分机讨 论。还对更高频段的宽带放大设计方法进行总结简介。在放大器的线性设计方 面，兼顾高线性和高效率，详尽地分析各种线性技术，全面考虑非线性分析方 法。钎对软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性的特殊要求，提出 了在软件无线电思想下的宽带高效率的线性放大方案，并对进一步研究的改进 方案确定了方向。 论文的主要内容有以下几个部分：第1 章绪论概述软件无线电中射频功放的 背景知 及其设计的重要性和面临的挑战，同时指出了随着无线通信的发展， 软件无线电中射频功放或发射机技术将不断提高：第2 章具体阐述了软件无线 电体系，分圻它对射频功放设计的要求，系绞地总结功率放大器和发射机技术； 第3 章分析宽带放大器设计，由场效应管的模型参量对其散射参量用m a t l a b 进i j 了理论模拟，用p s p - c e 软件对宽带放大器进行仿真，讨论负反馈对带髭， 线性等性能的影响：第4 章分析了放大器的线性和效率，探讨了非线性分析和 宽带、，萄效率的线性放大技术，提出了基于软件无线电的高效线性放大方巢： 结论总结奉文的研究内容，并提出了软件无线电中射频功率放大器今后的研究 方附。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章软件无线电体系及其射频功放 2 1 软件无线电 2 1 1 软件无线电产生的背景 从2 0 世纪7 0 年代丌始，现代微电子技术、控制技术、软件技术及通信技 术的发展，推动了无线电台从模拟到数字的快速跃迁，新体制、新设备、新产 品层出不穷更迭迅速。在军事上，随着快速作战需求的增长及高技术武器大 量出现，采驳了各种方法束获取和传输信息。各军兵种也研制了各种通信设备。 它们能够满足自己的特殊需要，在特定的系统中能很好工作。但在诸兵种、各 种武器系统协同作战的高技术战争中，暴露出了互通难的问题，只能嗣时使用 多种通信工具柬完成作战任务，不仅使效能降低，反映速度减慢，而且使本已 拥挤不堪的无线频谱面临着新的挑战。于是欧洲陆军中负责通信的有关专家丌 始着手研究如何处理不断涌现的通信标准问题，以及如何解决密集的频谱拥挤 问题。随后美国高级研究计划署( a r p a ) 、陆军和空军共同合作提出了丌发软 件无线电的计划。当时他们的目标是要解决跨越多种频段( h f 、v h f 、u h f 和 s h f ) 、多种调制( a m 和f m 、模拟、数字，以及包括跳频和直接序列扩频等) 和多种数掘格式的“互操作性”问题。因此软件无线电应该是具有多频段的、 多模式的无线电台，具有多种通信标准兼容的能力这无疑对解决大量出现的 通信标准问题和频谱饲挤问题带来极大的方便。一j 2 1 2 软件无线电的概念及特点 1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j e om i t o l a 在美国通信会议上，首次明确提 出了软什无线电s d r ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 的概念。其中心思想是：软件 无线f f l 组成架构的中心点是将宽带a d 和d a 变换尽可能地靠近天线，将尽可 能多的电台功能以软件的形式定义，用软件来实现。 软件无线电以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程 来实观无线电台的各种功能。从基予硬件、面向用途的电台设计方法中解放出 鲞! 垃韭鲍塾鲑丝兰狸塑些矍垄熊尘些睦望二：丞适壁羞的焦壁鱼整! 垄墓量 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章软件无线电体系及其射频功放 2 1 软件无线电 2 1 1 软件无线电产生的背景 从2 0 世纪7 0 年代丌始，现代微电子技术、控制技术、软件技术及通信技 术的发展，推动了无线电台从模拟到数字的快速跃迁，新体制、新设备、新产 品层出不穷更迭迅速。在军事上，随着快速作战需求的增长及高技术武器大 量出现，采驳了各种方法束获取和传输信息。各军兵种也研制了各种通信设备。 它们能够满足自己的特殊需要，在特定的系统中能很好工作。但在诸兵种、各 种武器系统协同作战的高技术战争中，暴露出了互通难的问题，只能嗣时使用 多种通信工具柬完成作战任务，不仅使效能降低，反映速度减慢，而且使本已 拥挤不堪的无线频谱面临着新的挑战。于是欧洲陆军中负责通信的有关专家丌 始着手研究如何处理不断涌现的通信标准问题，以及如何解决密集的频谱拥挤 问题。随后美国高级研究计划署( a r p a ) 、陆军和空军共同合作提出了丌发软 件无线电的计划。当时他们的目标是要解决跨越多种频段( h f 、v h f 、u h f 和 s h f ) 、多种调制( a m 和f m 、模拟、数字，以及包括跳频和直接序列扩频等) 和多种数掘格式的“互操作性”问题。因此软件无线电应该是具有多频段的、 多模式的无线电台，具有多种通信标准兼容的能力这无疑对解决大量出现的 通信标准问题和频谱饲挤问题带来极大的方便。一j 2 1 2 软件无线电的概念及特点 1 9 9 2 年5 月，m i l t r e 公司的j e om i t o l a 在美国通信会议上，首次明确提 出了软什无线电s d r ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 的概念。其中心思想是：软件 无线f f l 组成架构的中心点是将宽带a d 和d a 变换尽可能地靠近天线，将尽可 能多的电台功能以软件的形式定义，用软件来实现。 软件无线电以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程 来实观无线电台的各种功能。从基予硬件、面向用途的电台设计方法中解放出 鲞! 垃韭鲍塾鲑丝兰狸塑些矍垄熊尘些睦望二：丞适壁羞的焦壁鱼整! 垄墓量 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 减少模拟环节，把数字化处理( a d 和d a 交换) 尽量靠近天线。软件无线电 强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置结构， 实现新的助能。软件无线电采用标准的、高性能的行放式总线结构，以利于硬 件模块的不断升级和扩展。 理想软件无线电的组成结构如图l ，l ： 幽】i 理想软件无线也纽成结构挺幽 软件无线电主要出天线、射频前端、宽带a d d i a 转换器，通用和专用数 字信号处理器以及各种软件组成。实现软件无线电的关键技术之一是宽带射频 段，主要包含组合式多波段天线及智能化天线技术：模块化、通用化收发双工 技术：线性高功率放大器技术；多倍频程宽带低噪声接收放大器技术；宽带上i 下变频器技术。射频段应具有接入多个波段甚至覆盖全波段功能。它具有频率 高、带宽宽的两大特点。 软件无线电可以说是可用软件控制和再定义的电台。选用不同软件模块就 可以实现不同的功能，而且软件可以升级更新，其硬件也可以像计算机一样不 断地升级换代。山于软件无线电的各种功能是用软件实现的，如果要实现新的 业务或调制方式只要增加一个新的软件模块即可。司时，由于它能形成各种调 制波形和通信协议，故还可以与旧体制的各种电台通信，大大延长了电台的使 用周期，也节约了丌支。这是继模拟到数字、固定到移动之后，无线通信领域 的第三次革命。 软件无线电的主要特点可以归纳如下： 1 具有很强的灵活性软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的 功能。呵以与其他任何电台进行通信并可以作为其他电台的射频中继。可以 通过无线加载柬改变软件模块或更新软件。为了降低成本，可以根掘所需功能 的强弱，取舍选用的软件模块。 2 具有较强的丌放性软件无线电出于采用了标准化、模块化的结构，其 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级。 丌放式结构使系统具有实现复杂功能的可能性，可对频带进行实时监控、实时 可编程波形的产生和选择、在线改变信号调制方式以及信号处理方式。 3 丌发周期短、费用低在软件无线电中，软件的生存期决定了通信系统的 生存期。+ 般地，软件丌发周期相对于硬件要短得多，玎发费用也要低得多。 这样就能更快地跟踪市场变化，更迅速地满足新的使用要求，降低更新换代的 成本。 4 系统性能好系统将信号进行了数字化，其主要功能都通过软件利用先进 的数字信号处理技术柬完成，可方便地引用新的数字信号处理理论及计算机研 究成果不断地提高系统性能，迅速响应。 2 1 3 国内外发展现状 软件无线屯概念的提出引起了世界范围的广泛注意。美国为代表的西方国 家对软件无线电技术的发展非常重视，特别是军用软件无线电技术的发展非常 迅速。美国空军r o m e 实验室与h a z e l t i n e 公司签定了研制军用软件无线电 s p e a k e a s y 多频段多功能电台( m b m m r ) 的合同，其目标是实现一个三军通用 的无线电平台，工作频段覆盏2 m h z 2 0 0 0 m h z ，基本上能兼容现有的各类电台。 s p e a k e a s y 能同时处理四个以上不同的调制波形，其一期工程于1 9 9 4 年8 月作 了成功的演示。我国目前装备的无线电台均是面向单一用途设计的单频段电台， 存在着不同频段、不同调制编码方式、不同跳频方案和不同加密算法电台之间 不能通的问题。我国软件无线电的研究刚起步，在不断追踪围外最新发展的 同时，不断地对发展方向和研究重点做着不同角度的分析。我国自行研制的软 件无线电多功能电台也已经问世，软件无线电思想f 被推广应用到各种电子系 统羊【j 军事设备的研制中。 但是软件无线电从概念走向现实的路还很长很多基本问题尚在争论和 探索之中，这一方面是由于软件无线电提出的时间还很短，鳋主要的是目前的 硬件水、f 离理想软件无线电的要求还有很大的距离：另一方面传统的通信系统 的体系结构在很大程度上也影响着目前的软件无线电体制的研究。总之，它需 要一个不断攻克关键技术、提高硬软件水平、完善体系结构的长期努力的过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 硬件可以随着器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要而不断升级。 丌放式结构使系统具有实现复杂功能的可能性，可对频带进行实时监控、实时 可编程波形的产生和选择、在线改变信号调制方式以及信号处理方式。 3 丌发周期短、费用低在软件无线电中，软件的生存期决定了通信系统的 生存期。+ 般地，软件丌发周期相对于硬件要短得多，玎发费用也要低得多。 这样就能更快地跟踪市场变化，更迅速地满足新的使用要求，降低更新换代的 成本。 4 系统性能好系统将信号进行了数字化，其主要功能都通过软件利用先进 的数字信号处理技术柬完成，可方便地引用新的数字信号处理理论及计算机研 究成果不断地提高系统性能，迅速响应。 2 1 3 国内外发展现状 软件无线屯概念的提出引起了世界范围的广泛注意。美国为代表的西方国 家对软件无线电技术的发展非常重视，特别是军用软件无线电技术的发展非常 迅速。美国空军r o m e 实验室与h a z e l t i n e 公司签定了研制军用软件无线电 s p e a k e a s y 多频段多功能电台( m b m m r ) 的合同，其目标是实现一个三军通用 的无线电平台，工作频段覆盏2 m h z 2 0 0 0 m h z ，基本上能兼容现有的各类电台。 s p e a k e a s y 能同时处理四个以上不同的调制波形，其一期工程于1 9 9 4 年8 月作 了成功的演示。我国目前装备的无线电台均是面向单一用途设计的单频段电台， 存在着不同频段、不同调制编码方式、不同跳频方案和不同加密算法电台之间 不能通的问题。我国软件无线电的研究刚起步，在不断追踪围外最新发展的 同时，不断地对发展方向和研究重点做着不同角度的分析。我国自行研制的软 件无线电多功能电台也已经问世，软件无线电思想f 被推广应用到各种电子系 统羊【j 军事设备的研制中。 但是软件无线电从概念走向现实的路还很长很多基本问题尚在争论和 探索之中，这一方面是由于软件无线电提出的时间还很短，鳋主要的是目前的 硬件水、f 离理想软件无线电的要求还有很大的距离：另一方面传统的通信系统 的体系结构在很大程度上也影响着目前的软件无线电体制的研究。总之，它需 要一个不断攻克关键技术、提高硬软件水平、完善体系结构的长期努力的过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 功率放大器和发射机 2 2 1 功率放大器总述 宽带线性射频功率放大器是软件无线电射频丽端模块中的重要部件它对 通信连接的性能有重要作用。近年来涌现了大量创新的射频功放研究和专利 包括半导体技术，电路结构改进和信号处理功能集成等。但对基于软件无线电 概念下的射频功放，目前的研究仍处于起步阶段。 功率放大器( p a ) 是将直流输入功率转化为射频微波输出功率的电路。很 多情况下，功放不只是驱动到饱和状态的小信号放大器。目前存在很多不同类 型的功放，除了简单的线性放大还有大量技术。一个发射机包括一个或多个功 放。还有诸如信号发生器、频率转换、调制、信号处理、线性化和电源等辅助 电路。传统结构应用越柬越大型的功放来放大低电平信号到期望值。但是，很 多种不同的结构基本上都是分离而后重组信号来实现高效率和线性放大。 在无线通信的早期( 1 8 9 5 二十世纪二十年代中期) ，射频功率通过电火 花、电弧和交流_ 电技术产生。随着1 9 0 7 年d e f o r e s t 三极管的来到，热离子真空 管提供了一种产生、控制射频信号的方式，真空管功放在二十世纪二十年代到 二十世纪七十年代很有优势。分布固态射频功率设备在二十世纪六十年代未随 着2 n 6 0 9 3 这样的硅双极晶体管的引入而开始出现。在八十年代它们的优势是带 柬了低电压、高电流和相对低的负载阻抗。九十年代发明了一类很有莳景的器 件包括h e m t 、p i l e m t 、h f e t 和h b t ，采用的是如i n p 、s i c 和g a n 的新材 料。这些器件能放大1 0 0 g h z 或更高频率，很多情况下还能发展为m m i c 形式。 d s p 和微处理器控制的结合允许广泛应用复杂的反馈和预失真技术来提高效率 和线性。 现代的功率放大应用有了很大的改变。通信、航海和广播使用的频率从甚 低频到毫米波。输出上力率从小范围无许可证的无线系统的1 0 毫瓦到大范倒的广 播发射机的大助率。几乎每个可实现的调制类型部在某一系统中使用。功放和 发射机也用在雷达、射频加热、等离子发生器、激光设备、磁共振图像和小型 直流直流转换器中应用。单个的助放或发射机技术不适合所有的应用，许多现 在应用的技术是几十年前设计的。而近年来随着信号处理和控制技术的提高使 新技术得以应用。 西阿交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 2 功率放大器工作方式 功放有各种各样的类型，以它们的工作状态分类，可以分成a 、b 、c 、d 、 e 、f 、g 、h 和s 类。 1 a 类a 类放大中，晶体管在全部时闻内都工作在放大区，器件等效一 个电流源。它通过加到栅极的激励信号和偏置来控制，线性放大产生的输出功 率为v o m 2 2 r 。负载上的输出电压幅度v 。不超过电源电压v d d 。输入直流功率 是常数，因此瞬时效率正比于输出功率，输出功率峰值达到5 0 。平均效率反 比于峰值一平均值和漏极直流电压。对调幅信号的放大，静态电流能随着信号的 瞬时包络而变化。a 类功放的归一化功率输出容量( 输出功率对峰值功率归一 化) 为1 8 。它提供了高线性、高增益的放大，可接近晶体管的最大工作频率。 a 类功放电路与小信号放大器电路很像，几乎没有明显分界。当输入信号很大 时，为了提高放大器集电极的效率和输出功率，晶体管就要工作到截止区，下 面的各类就是。 2 b 类b 类功放的门偏置设置使晶体管工作在一半时间内导通，漏极电 流是半个万弦波。因为漏极电流的幅度正比于驱动幅度所以b 类提供了线性 放大。理想功率放大的瞬时效率随着射频输出电压线性变化，在峰值输出功率 达到h 4 ( 7 8 。5 ) 。对低电平信号，b 类比a 类大大提高了效率，b 类的平均 效率在高的峰值平均值比率时是a 类的几倍，与a 类同样为1 8 。b 类广泛用 在高频和甚高频的宽带变压器鹚合功放中。在微波功放中也越来越多地应用， 包括用补偿设备的实验的功放。 3 c 类经典的或者真币的c 类功放的门偏置在门限下晶体管的导通时j 1 i j 小于射频周期的一半。它失去了线性，但能通过导通角降低接近零而提高效率 到1 0 0 。但是，这导致输出功率( 归一化功率输出容量) 趋于零，而驱动功率 趋r 无限大。当驱动到饱和时，效率稳定，输出电压锁定在电源电趣，允许线 性高电平幅度调制。经典c 类功放广泛用在商功率真空晶体管中，但基本上在 围态功放中不实际。 对高频功率放大器的主要要求是高效率和大功率。在提高效率方面，除了 通常的c 类高频功放外，还有两大类高效率( r i 9 0 ) 高频功率放大器。一 类是丌关型高频功放这晕有源器件不是作为电流源，而是作为丌关使用的， 这类功放有d 类，e 类和s 类开关型功放。还有一类高效功放是采用特殊的电 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 路设计技术设计功放的负载回路，以降低器件功耗提高功放的集电极效奉， 这类功放有f 类、g 类和h 类功放。 4 d 类d 类功放用两个或更多的晶体管作为产生方形漏极电压或屯流波 形的丌关。级联调谐的输出滤波器只让基频通过负载，使变压器耦合配置的功 口2 率输出为丢掣。电流只在晶体管导通时流过，理想功放有1 0 0 的效率。归 厅4r 一化功率输出容量( 1 23 i - o 1 5 9 ) 是所有功放中最高的。如果丌关足够快，效 率就不随负载电抗降低。 实际的d 类功放由于饱和、丌关速度和漏极电容而有损耗。有限的开关速 度使晶体管在导通电流时进入工作区。漏极电容必须在射频信号的一周期内充 放电次，产生的功率损耗( j 下比于v d d 3 “，直接随频率而增加) 。输出功率为 1 0 0 瓦到一千瓦的d 类功放在高频已能实现，但由于与漏极电容有关的损耗而 很少使用在高于甚高频的频段。最近，实验用的d 类功放己能工作在1 g h 2 。 开关型d 类放大器的主要优点是集电极效率高，输出功率大。但在工作频率f 艮 高时，随着工作频率的升高丌关转换瞬删的功耗增大，集电极效率下降，高 效助放的优点就不明显了。由于d 类放大器工作在丌关状念因而也不适于放 大振幅变化的信号。 5 ，e 类e 类应用单只晶体管作为丌关工作。漏极电压波形是直流与漏极 分路电容充电电流之和的结果。在最佳e 类功放漏极电压在晶体管丌时降到 零，为零斜率。结果是达i 0 0 的理想效率，消除损耗与d 类漏极电容充电， 丌关损耗降低和器件承受范围有关。e 类最佳工作需要0 1 8 3 6 r 的漏极分路灵 敏度和i 1 5 r 的漏极级联电抗。理想功放有0 0 9 8 的归一化功率输出容量，传送 o 5 7 7 的v d d 2 瓜的输出功率。负载阻抗和分路灵敏度的变化使功放偏离最佳工 作状态。但此时性能的降低没有a 类和b 类糟糕。因为e 类功放可以利用并联 在丌关上的电路，因而可以消除d 类用途中由该电容产生的功率损失。这就提 高了放大器总效率。 工作在漏极电容起重要作用的效率能力使e 类功放在大量应用中有用。一 千跣功率的高效率高频功放能用低丌销m o s f e t 实现，意在玎关而不是射频使 用。e 类已用在k 波段的高效率放大。 6 f 类f 类通过使用输出网络谐振形成漏极波形柬提高效率和输出。电 压波形包括一个或多个奇次波，近似方波而电流包含偶次波，近似半f 弦波。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 也可以是电压近似半f 弦波，电流为方波。由于凿波数量增加，理想功放的效 率从5 0 ( a 类) 增加到接近l ( 例如两个、三个、四个、五个谐波时分别是 0 7 0 7 0 8 1 6 5 ，0 8 6 5 6 ，0 9 0 4 5 ) ，归一化功率输出容量也从i 8 到l ，2 。需要 的谐波自然地从晶体管的非线性和饱和中产生。当f 类需要比其他功放更复杂 豹输出滤波时，“虚拟漏极”的阻抗必须在某些特定频率校正。功放的最大效率 受谐波个数影响。 7 ，其他频段功放在微波频段，集中元件( 电容、电感) 不适合作为调谐 器件，而主要用作开路和短路。因此匹配、调谐和滤波在微波频段通过分布( 传