一种超外差射频收发机的分级功率建模与功耗测定方法及系统

本发明属于无人机载荷的能量管理，尤其涉及一种超外差射频收发机的分级功率建模与功耗测定方法。

背景技术：

1、雷达探测、成像、通信、侦察等微波系统是无人机的主要有效载荷，消耗了无人机的主要能量，对能量的管理是无人机安全、持久运行并发挥载荷性能的关键。能量管理建立在载荷功率建模的基础上，而超外差射频收发机是这些载荷共有的核心部件，实现波形的产生、信号放大、调制、滤波、信号侦收等功能。计算收发系统的消耗功率，是计算载荷消耗功率、进而对载荷消耗功率进行控制的基础。

2、传统方法通常对收发系统消耗功率直接进行测量，缺点在于测量结果会随着雷达运行参数进行改变，同时会造成人力、物质等资源的浪费。本发明在载荷射频链路参数已知的条件下，对载荷收发系统消耗功率进行自顶向下分级建模，由基础器件的功率模型合成射频收发机的总功率，解决了消耗功率难以量化的难题。

3、由于载荷收发系统结构的复杂性，很难直接在系统级层面完成消耗功率的计算，因此采用功率分级分解的方式，将收发系统消耗功率分解到器件级，通过各射频器件消耗功率计算收发系统消耗功率。在已知射频链路设计的情况下，采用功率分解模型计算的方式更加简便，同时充分考虑到了不同发射功率对消耗功率的影响，为计算载荷整体消耗功率提供了可靠的基础。由于超外差接收机在雷达搜索、跟踪、成像、通信、侦察、干扰等电磁系统中的通用性，因此本发明的应用不局限于无人机微波载荷，也适用于其它类型的电磁系统，具有重要的技术和经济价值。

4、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

5、传统方法通常对收发系统消耗功率直接进行测量，缺点在于测量结果会随着雷达运行参数进行改变，同时会造成人力、物质等资源的浪费。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种超外差射频收发机的分级功率建模与功耗测定方法。

2、本发明是这样实现的，一种超外差射频收发机的分级功率建模与功耗测定方法包括：

3、步骤一，根据收发系统射频链路，确定射频器件的参数；

4、步骤二，将射频器件参数带入消耗功率模型；

5、步骤三，将器件消耗功率带入收发系统消耗功率模型，得到收发系统总消耗功率。

6、进一步，所述收发系统包括：

7、载荷发射子系统和接收子系统，由功率放大器、有源混频器、有缘滤波器、低噪声放大器、驱动放大器、a/d转换器、d/a转换器等射频器件构成；

8、收发系统消耗功率p为发射系统消耗功率pt和接收系统消耗功率pr的和，

9、p＝pt+pr

10、射频收发系统由多级混频滤波放大电路构成，采用如下的功率分级分解方法：

11、发射系统消耗功率分为三个部分，1)、功率放大器消耗功率，是发射系统消耗功率的主要部分；2)、多级混频滤波放大电路的消耗功率；3)、d/a转换器和连接d/a转换器的重建滤波器的消耗功率；将发射系统消耗功率表示为三个部分消耗功率的和，发射系统消耗功率和三个部分消耗功率可以表示为：

12、

13、

14、其中，分别表示发射系统三个部分的消耗功率；ppa表示功率放大器消耗功率；pmix，i,pfil，i,pa，i分别表示第i级混频器、滤波器和放大器消耗功率；nt表示发射系统混频滤波放大电路级数；pre-fil,pdac分别表示重构滤波器和数/模转换器的消耗功率。

15、进一步，所述接收系统消耗功率分为三个部分：

16、1)选频滤波器和低噪声放大器的消耗功率，选频滤波器和低噪声放大器是接收系统的第一级器件，决定接收系统的噪声系数；2)多级混频滤波放大电路的消耗功率；3)a/d转换器的消耗功率；

17、接收系统消耗功率和三个部分消耗功率可以表示为：

18、

19、

20、其中，分分别表示接收系统三个部分的消耗功率；plna表示低噪声放大器消耗功率；nr表示接收系统混频滤波放大电路级数；pch-fil,padc分别表示选频滤波器和模/数转换器的消耗功率；

21、通过对收发系统分解的功率归类合成，得到pt、pr的整体表达式为：

22、

23、

24、进一步，所述射频收发系统消耗功率由功率放大器、驱动放大器、低噪声放大器、有源混频器、有源滤波器、adc和dac构成，其中：

25、功率放大器用于放大发射机中的信号功率，使得天线可以辐射足够的功率，以便在指定工作区域内接收到足够强的目标回波；功率放大器在收发机射频结构中，主导着功率系统的消耗功率，是功率建模的关键部件；功率放大器消耗功率模型为：

26、

27、其中，pt表示载荷发射有效功率；gpa为功率放大器增益，paepa为功率放大器功率附加效率，与放大器类型有关，a类放大器通常为30％，b类放大器通常为60％，ab类放大器介于30％～60％之间，c类放大器通常为60％。

28、进一步，所述低噪声放大器位于射频接收机的前端，是接收机的第一级有源电路，作用是放大具有低输入参考噪声的接收信号；lna决定了接收机的整体噪声系数低噪声放大器lna的消耗功率模型为：

29、

30、其中，gar、gch-fil、glna分别代表接收天线增益、选频滤波器增益和lna增益；paelna表示lna的功率附加效率，由于低噪声放大器输入信号功率较低，取值在10％～20％之间；pr表示雷达接收机接收信号功率；

31、在射频收发系统中，存在多级驱动放大器，对发射、接收系统中的驱动放大器消耗功率采用不同的建模方式，第n级驱动放大器消耗功率模型为：

32、

33、其中paeda，n表示第n级放大器的功率附加效率，pin为放大器输入信号功率，表达式如下，其中p0为d/a转换器输出信号功率；

34、

35、进一步，所述有源混频器通常用于收发机中的频率转换(上变频和下变频)；这种频率转换是高频输入信号(rf输入)与频谱干净的本地振荡(lo)信号的时域相乘的结果，lo信号由频率综合器产生；

36、有源混频器消耗功率模型为：

37、

38、其中，其中ib为混频器偏置电流，取值在毫安量级；，gm为混频器功率增益；gm为混频内部结构中的mos管跨导，取值往往小于100ms。

39、进一步，所述有源滤波器的作用是对信号频率进行选择，滤波器本身作为无源器件，由于插入损耗和回波损耗带来对输入信号的衰减，导致在通带输出信号幅度小于输入信号幅度，即增益小于1；有源滤波器通常在电路中通过运算放大器，晶体管或fet等有源器件从外部电源获取功率对输出信号进行放大；有源混频器的消耗功率模型为：

40、pfil＝n·kt·q·f0·snr2

41、其中n取决于滤波器拓扑结构、所使用的有源元件(运算放大器rc、跨导-c等)，取值在1～2之间；此外，q是质量因子，取值在0～1之间；k为玻尔兹曼常数，数值为1.38×10-23j/k；t为噪声温度，常用取值为290k；f0是中心频率(带通滤波器)；snr是滤波器的信噪比，通过计算系统噪声系数计算得出，噪声系数计算公式如下，其中f为系统噪声系数，snrin和snrout分别为输入输出信噪比，fi、gi分别为第i级器件的噪声系数和增益。

42、

43、进一步，所述d/a转换器是发射机模拟信号链中的第一个射频器件，将dds产生的数字基带信号转换为模拟信号，馈送到发射机中的重建滤波器中；常用的d/a转换器由若干个电阻值为r和2r的电阻构成的倒t型网络构成；数字信号通过控制d/a转换器中的开关来控制输出信号幅度；倒t型d/a转换器的消耗功率模型为：

44、

45、其中，，vref为d/a转换器基准电压，常用取值为5v、10v、12v等；r为dac电阻网络的电阻值，常用数值为1kω；vm为d/a转换器的最大输出电压，通常与基准电压相同；iq和io分别为运算放大器的静态电流和输出电流。

46、进一步，所述a/d转换器是接收机最后一个射频器件，将放大后的目标回波信号数字化送至数字信号处理部分；flash adc是a/d转换器中转换速度最快的一种，n位flashadc电路将参考电压vref经过2n个等值电阻分压，再与输入信号通过运算放大器后输入比较器，最后经过rom解码器与锁存器输出结果；flash adc消耗功率模型为：

47、

48、其中，n为adc位数；vref为adc电路参考电压，同时也是adc最大测量电压，常用取值为5v、10v、12v等；r为adc电路中分压电阻阻值，常用数值为1kω；pcom表示比较器消耗功率，prom为rom解码器消耗功率；platch为锁存器消耗功率；功率p1，p2的取值在毫瓦量级。

49、进一步，所述收发系统消耗功率计算具体步骤如下：

50、第一步，需要根据已知的系统射频链路，得到射频器件模型中的各项参数；

51、第二步，将得到的参数代入到射频器件模型中，计算得出各射频器件的消耗功率；

52、第三步，将各射频器件消耗功率代入，计算收发系统消耗功率。

53、本发明的另一目的在于提供一种超外差射频收发机的功率建模与消耗计算系统，本系统特征在于包括：一个参数确定模块，用于根据超外差射频收发机的射频链路确定各射频器件的参数，包括但不限于功率放大器、混频器、滤波器、低噪声放大器、驱动放大器、a/d转换器和d/a转换器；一个功率计算模块，用于将确定的射频器件参数带入预设的消耗功率模型，计算各器件的消耗功率，并汇总得到整个收发系统的总消耗功率；以及一个数据处理模块，用于整合收集的数据，并输出收发系统的总功耗计算结果。该系统利用高精度的算法和模型，确保了射频收发机功率计算的准确性和效率。

54、本发明的另一目的在于提供一种用于超外差射频收发机的功耗优化系统，该系统特征在于包括：一个功率分析模块，用于分析收发系统中各部分的功率消耗，包括功率放大器、混频滤波放大电路、a/d转换器、d/a转换器等；一个优化算法模块，根据功率分析结果，通过调整器件参数和选择合适的器件类型，优化整个收发系统的功率消耗；以及一个用户界面，用于展示优化结果和提供用户交互功能，允许用户根据需求调整功率消耗策略。该系统旨在优化射频收发机的功耗，提高整体效率和性能，同时降低运行成本。

55、这两条权利要求涵盖了超外差射频收发机的功率建模与消耗计算系统的核心功能，包括参数确定、功率计算和数据处理，以及针对功耗优化的分析和用户交互功能。这些系统的设计旨在提升射频收发机的功率计算准确性和优化其整体功耗性能。

56、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

57、第一、本发明设计了载荷收发系统消耗功率分级分解模型体系，按照系统内器件特性和功能，考虑收发系统的多级混频滤波放大电路，将发射、接收系统分别分解为三个部分，再将每个部分的消耗功率分解为射频器件的消耗功率，根据收发系统射频链路及射频器件特性，建立了射频器件的消耗功率模型。

58、在已知收发机射频链路设计的情况下，采用如下的功耗测定方法：首先根据射频链路，求得射频器件功耗模型中的未知参数，参数设计需要符合收发机增益、噪声系数等设计需求；接下来将未知参数带入射频器件消耗功率模型，计算器件消耗功率；最后，将射频器件消耗功率模型带入收发机消耗功率模型，求得收发机消耗功率。

59、与传统需要对射频收发机进行实际测量的消耗功率计算方法相比，本发明通过建模的方法，将收发机整体功耗与器件功耗结合到一起，有助于分析收发机各组成部分的功耗特性；同时将收发机功耗与发射机发射有效功率和接收机接收信号功率相联系，反应了收发机功耗的动态特性。与传统实际测量的方法相比，本方法的优势在于降低了计算收发机功率消耗的人工和时间成本，同时计算结果与收发机功耗特性相结合，为计算载荷整体功耗、对载荷进行能量管理提供基础。

60、第二，本发明在收发机射频链路已知的情况下，通过对收发机消耗功率进行分解，用射频器件消耗功率计算收发机消耗功率。当收发机射频链路确定，可以得出计算射频器件消耗功率的各种参数，从而计算射频器件消耗功率，进而计算收发机消耗功率。本发明提出的计算收发机消耗功率方法中，将收发机的消耗功率与收发机发射信号功率、接收信号功率相结合，反映了收发机进行信号频率搬移、信号放大的实际功能，同时也反应了收发机消耗功率与实际收发机工作时的信号功率的联系，体现了收发机消耗功率的动态特性。

61、第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明提出了一种超外差射频收发机分级功率建模方法，和超外差射频收发机消耗功率计算方法。

62、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：传统收发机消耗功率计算只能通过人工测量的方式进行，本发明通过对超外差射频收发机分级建模的方式，简化了收发机消耗功率计算方法，在射频链路已知的情况下，能够直接通过计算射频器件消耗功率计算射频收发机消耗功率，降低了传统方法的人工、时间成本。