基于LMS的射电天文大天线抗干扰技术的研究与实现

论文摘要

射电天文观测的电磁频谱通常在10MHz-300GHz,频谱很宽。射电天文观测被动接收宇宙中极其微弱的射电信号,很容易受到人们有源业务活动的影响。选址较好的在建射电天文观测站500米口径球反射面天线（FAST）较难受到地面的电磁干扰,但来自卫星导航信号的干扰不可避免。对于射电天文抗干扰的研究,很多国内外专家和工作者取得了很多成果。经过研究比较,提出射电天文抗干扰的一系列评价标准:信噪比改善度、权值增益的稳定性、残余干扰、实时性与计算量。为了抑制和消除FAST射电望远镜观测过程中出现的导航卫星信号干扰,最后综合目前出现的抗导航频率干扰的方案,比较设计了一种抗干扰方案。本方案采取了自适应滤波算法,利用两个辅助天线来消除导航卫星信号的干扰。在自适应滤波算法实现时,针对合并式LMS（least mean square）算法存在残余干扰较大,信噪比改善不明显的缺陷,本文对它进行改进,提出了分离式LMS算法。对分离式LMS算法、合并式LMS算法进行了仿真,在均方误差、权值增益的稳定性、残余干扰、信噪比改善度、实时性与计算量方面对它们的性能进行比较,最终得出分离式LMS算法在残余干扰和信噪比改善度方面优于合并式LMS算法,表明该算法的可行性。为验证抗干扰算法的可行性,本文设计了试验系统,它采用Altera公司的FPGA,从而实现了分离式LMS算法。为了配合射电天文抗干扰系统的后续使用处理所需,编写了上位机软件,该软件可以运用高速数据采集卡7300板卡,实时显示硬件平台抗干扰过程中的参数,而且可以实现数据的高速保存。还实现了串口传输功能,可以利用RS232接口实现室外测试。最后对试验做了初步的测试,验证了分离式LMS算法抗干扰效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 射电天文简介及课题背景
• 1.1.1 射电天文的简介
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 卫星导航信号
• 1.2.1 卫星导航系统简介
• 1.2.2 GPS 导航信号格式
• 1.3 射电抗干扰研究现状
• 1.3.1 W.A Baan 团队的研究
• 1.3.2 B.D Jeffs 团队的研究
• 1.3.3 A.J Van der Veen 团队的研究
• 1.3.4 目前主要射电天文台抗干扰现状
• 1.4 本文所做的工作
• 第二章 射电天文大天线抗干扰方法
• 2.1 射电天文抗干扰的评价标准
• 2.1.1 信噪比改善度
• 2.1.2 权值增益的稳定性
• 2.1.3 残余干扰
• 2.1.4 实时性与计算量
• 2.2 射电抗干扰常见方法
• 2.2.1 数据消隐法
• 2.2.2 参数模型法
• 2.2.3 辅助天线法
• 2.2.4 焦面阵法
• 2.2.5 辅助天线阵列法
• 2.3 本章小结
• 第三章 自适应辅助天线抗干扰方案与算法研究
• 3.1 射电天文大天线抗干扰方案
• 3.2 自适应算法简介
• 3.2.1 LMS 算法简介
• 3.2.2 分离式LMS 算法
• 3.3 仿真结果
• 3.3.1 稳态误差信号收敛仿真结果
• 3.3.2 权值增益收敛仿真结果
• 3.3.3 残余干扰仿真结果
• 3.3.4 信噪比改善度仿真结果
• 3.4 算法的FPGA 实现
• 3.4.1 分离式LMS 算法的FPGA 实现
• 3.4.2 分离式LMS 算法的FPGA 资源使用分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 射电天文抗干扰系统硬件设计
• 4.1 信号处理板硬件总体设计
• 4.2 时钟模块的设计
• 4.3 AD 模块的设计
• 4.3.1 模数转换器（ADC）的选择
• 4.3.2 AD 模块的组成
• 4.4 DA 模块的设计
• 4.4.1 数模转换器（DAC）的选择
• 4.4.2 DA 模块的组成
• 4.5 电源模块的设计
• 4.5.1 电源模块设计
• 4.5.2 电源器件选择
• 4.6 信号处理模块的设计
• 4.6.1 FPGA 芯片的选择
• 4.6.2 调试接口的考虑
• 4.7 PCB 的完成
• 4.7.1 线层的处理
• 4.7.2 电源的处理
• 4.7.3 数字和模拟共地的处理
• 4.7.4 时钟模块布线的处理
• 4.7.5 PCB 布局
• 4.8 本章小结
• 第五章 抗干扰试验系统设计与测试
• 5.1 原型系统介绍
• 5.2 上位机软件设计
• 5.2.1 软件功能介绍
• 5.2.2 软件的操作流程图
• 5.3 关键模块的实现
• 5.3.1 7300 高速数据采集卡的数据读取
• 5.3.2 RS232 的数据读取
• 5.4 抗干扰试验系统初步测试
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 作者在学期间参与的科研项目