深空通信调制技术研究与仿真
发布时间：2017-03-21 03:02
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【摘要】：深空探测将是21世纪人类进行空间资源开发与利用、空间科学与技术创新的重要途径,已经成为各航天大国航天活动的热点之一。2007年我国探月工程计划——嫦娥奔月的成功是中国走向深空探索的第一步,标志着我国深空探测的开始,也是未来进行更远深空探测的必然要求。2013年我国“嫦娥3号”取得的巨大成功,使中国成为世界上第3个独立实施月球软着陆的国家,标志着我国已进入世界具有深空探测能力的国家行列。但是,随着空间探测技术不断深入与发展,深空探测任务越来越复杂,需要将大量采集的工程数据与图像信息实时传输到地面接收站,这样就要求星上数传系统的传输速率越来越高,使射频频谱变得越来越拥挤。深空探测中,通信系统对完成地面站与深空站之间的信息连接且承担着非常关键的任务,通信系统的正常运行、链路通畅准确、信息可靠是整个深空探测任务得以正常运转的重要保证。由于深空探测具有通信距离远、传输时延很长、功率损耗严重及环境复杂等特点,必须研究深空通信的信道特性以及适合于深空通信的调制技术、信道编码、天线技术和深空通信网等关键技术。调制技术作为数字带通传输系统中的关键一步,很大程度上决定了通信系统中的信号传输质量。合适高效的调制技术能改善深空通信中的接收信号信噪比和传输误码率,并提高频带利用率,减小邻道干扰,以充分保障深空任务的进行。因此研究深空通信中的调制技术对促进深空探测发展,具有十分重要的现实意义。深空通信系统中,深空信道是功率和带宽受限的,而且也是非线性的,这就要求探测器采集到的实时大量工程数据和图像信息在经过信道之前,调制后的信号波形尽量保持(准)恒包络特性,以便地面接收站接收到的信息有效可靠。因此,(准)恒包络特性是保证信号质量在深空信道传输的关键要点,比如QPSK调制、IJF-OQPSK调制、SQORC调制、FQPSK调制等。其中,Feher专利的FQPSK调制作为一种高频带利用率且功率效率优良的(准)恒包络调制方式,十分符合未来深空通信的发展要求并且已被CCSDS建议使用。本文首先介绍了数字调制技术在深空通信中的发展前景,指出准恒包络特性的优势。然后分析了深空通信系统环境的复杂性,根据复杂的深空信道重点考虑太阳闪烁和太阳噪声对信号传输的影响并建立了适合于深空通信的Rician信道仿真模型,并对信道模型进行了仿真验证。再有分析了FQPSK产生的由来以及其调制技术的特性,并对FQPSK调制原理、解调方案进行了较为深入的研究,分析了在深空通信中FQPSK调制技术虽提高的频带利用率,但应确保功率效率与QPSK调制技术相比,其牺牲功率效率较小。仿真结果表明,FQPSK调制技术相对于QPSK调制能以较小的功率效率代价换取更高的带宽效率,在兼顾系统可靠性的同时能提供很高的频带利用率,适合当前及未来深空通信的发展。最后介绍了Matlab与Quartus II之间的数据转换,以QPSK调制为例,引入现代DSP技术,直接将Matlab代码转换成VHDL(Verilog HDL)代码,嵌入到Quartus II开发环境中,不仅能够缩短程序运行周期,而且提高软件仿真与硬件设计的灵活性和通用性。
【关键词】：深空通信 太阳闪烁 FQPSK调制 MAP接收
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN927
【目录】：
- 摘要4-6
- Abstract6-10
- 第1章 引言10-18
- 1.1 课题研究背景与意义10-11
- 1.2 国内外现状分析11-15
- 1.2.1 深空通信现状与发展11-13
- 1.2.2 深空调制技术发展与现状13-15
- 1.3 论文章节安排15-18
- 第2章 深空通信及信道特性分析18-34
- 2.1 深空通信系统18-23
- 2.1.1 深空通信系统组成18-19
- 2.1.2 深空通信特点分析19-21
- 2.1.3 深空通信关键技术21-23
- 2.2 深空信道特性分析23-32
- 2.2.1 深空链路23-28
- 2.2.2 弱太阳闪烁下的深空信道分析28-29
- 2.2.3 弱太阳闪烁对信号传输的影响29-30
- 2.2.4 弱太阳闪烁下信道模型验证30-32
- 2.3 本章小结32-34
- 第3章 FQPSK调制技术研究34-52
- 3.1 FQPSK由来及发展现状34-35
- 3.2 FQPSK调制原理35-45
- 3.2.1 IJF-OQPSK调制35-38
- 3.2.2 SQORC调制38-39
- 3.2.3 FQPSK调制39-41
- 3.2.4 FQPSK调制的改进型41-45
- 3.3 FQPSK信号的解调45-48
- 3.3.1 逐符号检测45-46
- 3.3.2 MAP检测46-47
- 3.3.3 逐符号与MAP检测性能比较47-48
- 3.4 深空通信中FQPSK调制性能分析48-51
- 3.4.1 AWGN信道FQPSK调制分析48
- 3.4.2 Rician信道FQPSK调制分析48-49
- 3.4.3 太阳闪烁对FQPSK调制影响49-51
- 3.5 本章小结51-52
- 第4章 QPSK调制技术的验证52-60
- 4.1 系统开发工具及FPGA设计流程52-55
- 4.1.1 系统开发工具52-54
- 4.1.2 FPGA开发流程54-55
- 4.1.3 Matlab与Quartus II数据交换55
- 4.2 系统仿真与硬件实现55-58
- 4.2.1 QPSK调制的Matlab仿真56-57
- 4.2.2 QPSK调制的FPGA实现57-58
- 4.3 本章小结58-60
- 结论60-62
- 致谢62-63
- 参考文献63-65
- 攻读学位期间取得学术成果65
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