深空探测用数字式多普勒接收机的研发与应用

发布时间：2017-10-19 03:31

  本文关键词：深空探测用数字式多普勒接收机的研发与应用

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【摘要】：深空探测领域是当前和未来航天领域的发展重点之一,也是近年来研究的热门课题。深空探测用数字式接收机作为深空无线电科学探测的一部分,实现对深空飞行器下行信号的接收与处理,获取多普勒信号的频率、幅值和相位信息,可用于行星大气掩星反演和深空飞行器的测轨等应用。本文是在数字接收机硬件平台上,利用Verilog HDL语言以及IP核实现多普勒参数的估计,并调试优化整个系统以实现接收机的应用。本文首先介绍了课题的研究背景以及国内外发展现状。在简介数字接收机的系统框架后,详细阐述了相关的一些理论基础。其次着重介绍了多普勒参数估计算法,包括相位差法、Rife算法以及CZT算法等,还比较了这几种算法在不同信噪比下的性能,并对积分总相位处理算法进行了分析和仿真。在上述理论算法研究基础上,在以FPGA为核心的多普勒接收机系统中实现了调频率模块、dual_ram模块、初相位估计模块、幅值估计模块以及串口模块等,并在ISim和Chipscope中进行了仿真,仿真结果表明,各个模块均达到了预期的功能指标。之后把各个模块整合为一个系统工程,并对其进行资源优化。最后对数字接收机进行了实验室测试和现场测试。在实验室环境下,把信号发生器产生的特定信号作为数字接收机的输入,然后对信号的频率、幅值等参数进行估计；在现场环境下,则利用MEX的X波段信号进行多普勒测试。测试结果表明,深空探测用数字式多普勒接收机达到了预期的功能。
【关键词】：数字式多普勒接收机 FPGA Verilog HDL 积分总相位 频率估计
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V556
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 研究背景和意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-12
• 1.2.1 国外研究现状9-11
• 1.2.2 国内研究现状11-12
• 1.3 数字式接收机概述12-13
• 1.4 论文内容及组织结构13-14
• 第二章 深空探测用数字式多普勒接收机与相关技术原理14-30
• 2.1 系统的总体设计14-17
• 2.1.1 系统的总体架构14-15
• 2.1.2 系统的硬件环境15-16
• 2.1.3 系统的软件框架16-17
• 2.2 软件无线电中的相关思想17-18
• 2.2.1 软件无线电的概念和思想17
• 2.2.2 软件无线电的关键技术17-18
• 2.3 多普勒接收机中的数字下变频18-23
• 2.3.1 多普勒接收机中的数字下变频18
• 2.3.2 相关技术原理18-23
• 2.4 多普勒参数估计相关算法23-29
• 2.4.1 Rife算法23-24
• 2.4.2 CZT算法24-26
• 2.4.2.1 CZT思想24-25
• 2.4.2.2 CZT在频率初相估计中的应用25-26
• 2.4.3 初相位估计算法26-28
• 2.4.3.1 初相估计方法26
• 2.4.3.2 初相估计方法对比26-28
• 2.4.4 积分总相位算法28-29
• 2.4.4.1 积分总相位28-29
• 2.4.4.2 积分总相位实现29
• 2.5 本章小结29-30
• 第三章 FPGA关键模块的实现30-46
• 3.1 调频率模块的实现30-36
• 3.1.1 调频率估计算法原理30-31
• 3.1.1.1 信号数学模型30
• 3.1.1.2 算法过程30-31
• 3.1.2 调频率的FPGA实现31-32
• 3.1.3 FIFO IP核32-33
• 3.1.4 FFT的IP核33-35
• 3.1.5 Cordic IP核35-36
• 3.2 dual_ram的FPGA实现36-38
• 3.2.1 dual_ram接口36-37
• 3.2.2 dual_ram类型选择37-38
• 3.2.3 IP核实现dual_ram38
• 3.3 初相位估计实现38-40
• 3.4 幅值估计实现40-41
• 3.5 通讯模块的实现41-43
• 3.5.1 串口通信总体框架41-42
• 3.5.2 FPGA实现串口42-43
• 3.5.3 上位机串口的实现43
• 3.6 系统整体模块43-44
• 3.7 本章小结44-46
• 第四章 系统的调试与优化46-56
• 4.1 调试环境与方法46-47
• 4.2 Rife模块的仿真与调试47-49
• 4.2.1 ISim仿真47-48
• 4.2.2 Chipscope在线仿真48-49
• 4.3 调频率模块的仿真与调试49-51
• 4.3.1 调频率估计仿真50
• 4.3.2 LFM信号调试50-51
• 4.4 dual_ram模块调试51
• 4.5 相位估计模块51-53
• 4.5.1 初相位估计模块51-52
• 4.5.2 积分总相位52-53
• 4.6 串口调试53-54
• 4.7 资源优化54-55
• 4.7.1 模块复用55
• 4.7.2 资源使用情况55
• 4.8 本章小结55-56
• 第五章 系统测试56-64
• 5.1 实验室测试56-60
• 5.1.1 测试方法56
• 5.1.2 多普勒参数估计结果56-60
• 5.1.2.1 频率估计结果分析56-58
• 5.1.2.2 积分总相位结果分析58-60
• 5.1.2.3 幅值估计结果分析60
• 5.2 现场数据分析60-63
• 5.2.1 测试方法60-61
• 5.2.2 测试结果61-63
• 5.3 本章小结63-64
• 第六章 总结与展望64-66
• 6.1 总结64
• 6.2 展望64-66
• 致谢66-68
• 参考文献68-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文70

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1 韩志伟;深空探测用数字式多普勒接收机的研发与应用[D];东南大学;2015年

2 王保民;软件高频多普勒接收机设计与实验[D];中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所）;2006年

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本文编号：1058806