基于FPGA的邻近空间自适应传输关键技术研究与实现

发布时间：2017-08-25 02:05

  本文关键词：基于FPGA的邻近空间自适应传输关键技术研究与实现

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【摘要】：随着人类深空探测活动的日益频繁,对深空通信系统的要求也越来越高,邻近空间链路以其传输信号强度适中、通信时延短、通信过程简短且功能独立等特点逐渐受到广泛关注。由于深空通信环境变化的复杂性,采用同一种传输方式会大大约束整个系统的通信效率。而自适应传输技术能够根据不同的信道状况自适应地对系统参数进行调整,在满足系统误码性能的同时可以有效提高系统频谱利用率。因此,在结合CCSDS邻近空间协议规范的基础上,设计一套适合邻近空间通信的自适应传输系统具有十分重要的意义。本文在研究传统数字通信系统的基础上,结合邻近空间链路环境,对自适应多速率传输系统中的关键技术进行了详细的研究与实现。首先,依据邻近空间链路协议要求及邻近空间环境特点,在分析了传统多速率传输系统基本理论的基础上,对整个自适应算法和自适应多速率传输系统的实现方案进行了分析与设计,并确定了系统的硬件实现平台。其次,为更大程度地提高接收性能,在接收机变频解调之前进行了信号检测和自适应数字AGC过程。信号检测的目的是为了通过检测接收信号的质量来控制接收机工作状态,主要分为信噪比盲估计、自适应双门限设计及循环谱检测三个模块;自适应数字AGC的作用是为了降低接收信号的幅度变化范围,避免接收机同步性能受信号大幅度衰落的影响。然后,对自适应变速率传输中的速率切换、同步算法、信噪比估计算法及速率切换准则进行了分析与设计。本文中采用改变符号采样点数的方式完成信号速率的切换;利用可编程积分梳妆滤波器的可变滤波器带宽和可调整抽取倍数的功能,结合Costas锁相环完成了多速率载波同步;符号同步采用Gardner环,帧同步通过检测帧头ASM位提取有效信息;再在分析经典信噪比估计算法基础上进行仿真对比,设计出了适合本系统的估计方案;速率切换准则以系统误码性能为基础,通过分析不同速率之间接收性能的差异,估算出不同信道环境对应的传输速率及吞吐量性能。最后,对自适应多速率传输系统关键技术进行了硬件电路设计仿真,并将整个系统在FPGA、DSP架构的数字信号处理平台上顺利实现,给出了关键模块的硬件测试结果,验证了本文所设计系统的完整性与可靠性。
【关键词】：邻近空间 自适应变速率 信号检测 同步 现场可编程门阵列
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN791;TN927
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-14
• 缩略词14-16
• 第一章 绪论16-23
• 1.1 本文研究背景与意义16-17
• 1.2 邻近空间通信研究现状17-19
• 1.3 自适应传输产生背景及发展19-21
• 1.4 本文主要研究内容和章节安排21-23
• 第二章 自适应传输系统方案设计23-35
• 2.1 邻近空间通信系统技术要求23-25
• 2.2 基础理论分析25-29
• 2.2.1 接收机采样率分析26-27
• 2.2.2 多速率信号处理分析27-29
• 2.3 自适应传输方案设计29-32
• 2.3.1 自适应算法设计29-30
• 2.3.2 发射机方案设计30-31
• 2.3.3 接收机方案设计31-32
• 2.4 系统实现平台32-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第三章 接收机自适应控制模块设计与实现35-49
• 3.1 信号检测关键技术分析35-38
• 3.1.1 信噪比盲估计36-37
• 3.1.2 自适应双门限37-38
• 3.1.3 循环谱38
• 3.2 信号检测关键模块设计与实现38-42
• 3.2.1 信号检测软件仿真分析39-41
• 3.2.2 信号检测硬件电路实现41-42
• 3.3 自适应数字AGC设计与实现42-48
• 3.3.1 数字AGC关键模块分析43-44
• 3.3.2 数字AGC环路软件仿真分析44-46
• 3.3.3 数字AGC硬件电路实现46-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第四章 码速率自适应传输关键算法设计49-82
• 4.1 码速率自适应切换方法分析49-51
• 4.1.1 变速率的基本方法49-50
• 4.1.2 变速率方案设计50-51
• 4.1.3 自适应变速系统实现原理51
• 4.2 自适应同步算法分析51-65
• 4.2.1 多速率载波同步算法分析52-58
• 4.2.2 符号同步算法分析58-63
• 4.2.3 帧同步与相位补偿算法分析63-65
• 4.3 经典信噪比估计原理与仿真对比65-73
• 4.3.1 二阶四阶矩估计65-67
• 4.3.2 信号方差比估计67-68
• 4.3.3 平方信号与噪声方差估计68-69
• 4.3.4 数据拟合估计69-71
• 4.3.5 仿真结果分析71-73
• 4.4 码速率切换的基本准则73-81
• 4.4.1 信噪比门限值74-76
• 4.4.2 速率切换的吞吐量76-81
• 4.5 本章小结81-82
• 第五章 码速率自适应传输关键模块FPGA实现82-103
• 5.1 多速率发射机FPGA实现82-83
• 5.2 信噪比方案设计与实现83-88
• 5.2.1 信噪比估计方案设计83-85
• 5.2.2 信噪比估计的FPGA实现85-88
• 5.3 自适应同步算法FPGA实现88-100
• 5.3.1 多速率载波同步算法FPGA实现89-94
• 5.3.2 符号同步算法FPGA实现94-97
• 5.3.3 帧同步与补偿算法FPGA实现97-100
• 5.4 同步算法联合测试与资源消耗100-102
• 5.4.1 同步电路联合仿真101
• 5.4.2 同步电路资源消耗101-102
• 5.5 本章小结102-103
• 第六章 硬件测试结果103-113
• 6.1 测试系统设计103-104
• 6.1.1 上层测试软件设计103-104
• 6.1.2 DSP控制单元设计104
• 6.2 多速率发射测试104-107
• 6.2.1 握手信号测试105-106
• 6.2.2 多速率输出信号测试106-107
• 6.3 多速率自适应接收测试107-112
• 6.3.1 多速率载波同步测试107-109
• 6.3.2 时间同步测试109-111
• 6.3.3 速率自适应测试111-112
• 6.4 本章小结112-113
• 第七章 总结与展望113-115
• 7.1 本文主要工作总结113-114
• 7.2 后期工作展望114-115
• 参考文献115-120
• 致谢120-121
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文121

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：734410