用于微弱信号检测的数字相关解调器设计

论文摘要

随着当今科学技术的不断发展,对于信号检测,尤其是微弱信号的检测提出了更高的要求。如何在一些极端条件下进行测量,检测出湮没在强背景噪声中的微弱信号并获得正确的数据,是一个十分重要的课题。基于锁相放大技术的锁定放大器是一种用来测量强背景噪声下微弱正弦信号的专用仪器。然而,传统的模拟锁定放大器存在着诸多不足,例如输出结果受到温漂的影响大,抗干扰性差,测量精度低等等,无法满足高标准的测量要求。以数字信号处理器(DSP)实现的数字锁定放大器将模拟信号转化为数字信号进行处理。这虽然在一定程度上改善了器件性能,提高了测量精度,但仍然存在不足之处。例如在空间技术中,要检测的高频微弱信号需要足够的数据位宽来保证测量的精度。而DSP处理器中传输数据总线的宽度却是固定的,增加后的数据位宽的上限就等于数据总线的宽度,所以测量精度的提高也是有上限的。这时就会不能满足要求。然而高集成度的可编程逻辑器件(PLD)器件却拥有丰富的内部逻辑资源,不存在类似DSP处理器的数据总线宽度限制,为这一问题提供了解决方案。本文在对微弱信号检测的基础理论与核心处理算法——相关解调算法研究的基础上,提出了用IP核技术来构建以相关解调算法为核心的微弱信号检测系统。文中所做的工作包括:1.研究了微弱信号检测的基本理论和实现技术相关解调算法。2.建立了相关解调算法的模型及其改进方案,并在MATLAB/Simulink上仿真。3.IP模块设计:将已通过仿真的算法模型,转换成IP模块。(1)整个IP模块分成三个功能模块——数字低通滤波模块、幅度/相位求解模块和有符号小数乘法模块。这其中,幅度/相位求解模块采用了CORDIC旋转算法。(2)对三个功能模块编写Verilog HDL代码,并用ModelSim进行前端仿真。(3)用Actel Libro IDE工具进行系统综合,最终生成网表和版图。(4)下载到Actel ProASIC3系列的M7A3P1000 FPGA芯片上完成硬件实现。所使用的硬件资源占整个芯片总资源的一半左右。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 微弱信号检测的目的与意义
• 1.2 微弱信号检测的基本方法与内容
• 1.3 论文研究动机
• 1.3.1 微弱正弦信号检测器的发展与现状
• 1.3.2 IP 核复用技术
• 1.3.3 用FPGA 实现微弱信号检测的优势
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 信号检测与相关解调原理
• 2.1 噪声中信号参量的估计
• 2.1.1 最大似然估计
• 2.1.2 噪声中波形已知信号的幅度估计
• 2.2 信号相关理论与相关函数
• 2.2.1 能量信号与功率信号
• 2.2.2 相关原理与相关函数
• 2.2.3 相关检测技术
• 2.2.4 模拟信号的相关解调
• 第三章 数字相关解调算法仿真及其改进
• 3.1 数字相关解调算法
• 3.1.1 基本原理与结构
• 3.1.2 建模与仿真
• 3.2 双通道数字相关解调器
• 3.2.1 数字相关解调器的改进方案
• 3.2.2 建模与仿真
• 第四章 数字相关解调器设计
• 4.1 数字低通滤波器
• 4.1.1 数字滤波器概述
• 4.1.2 无限脉冲响应（IIR）数字滤波器
• 4.1.3 IIR 数字低通滤波器设计
• 4.2 幅度/相位求解模块
• 4.2.1 CORDIC 算法概述
• 4.2.2 CORDIC 算法基本原理
• 4.2.3 用CORDIC 算法实现幅度/相位求解模块
• 4.3 有符号小数乘法器
• 第五章 数字相关解调器的实现
• 5.1 硬件描述语言与FPGA 设计流程
• 5.2 系统设计与模块实现
• 5.2.1 低通滤波模块实现
• 5.2.2 幅度/相位求解模块实现
• 5.2.3 有符号小数乘法器实现
• 5.3 系统综合结果
• 第六章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文