数字化测速测距接收机中的超窄带锁相环研究

论文摘要

测速与测距是深空测量中的重要内容,以模拟硬件为基础的传统深空测量系统存在功能单一、参数调整比较困难、可扩展性差等局限。数字硬件的开发和制造技术的飞速发展,信号和数据处理能力的大大提高,促进了深空测量系统由模拟向数字化发展。本文正是为数字化测速测距接收机设计并实现全数字化超窄带锁相环。超窄带锁相环是深空测量中增强微弱信号检测能力、提高测量精度的有效手段,传统的模拟锁相环带宽范围有限且可靠性、稳定性差,数字化锁相环则没有上述限制。本文结合具体的研究项目,对用于中频数字化测速测距接收机中测速与测距使用的锁相环进行系统的研究,并进行了硬件实现,取得一定成果,主要内容为:(1)学习研究锁相环基本理论,着重探讨了适合软件实现的锁相环结构,通过比较模拟锁相环与数字锁相环之间函数关系,得到了设计数字化锁相环的方法,对锁相环进行仿真验证。(2)结合项目实现中的具体指标要求,针对实现中的技术难点进行分析,提出适合本测速测距接收机的数字化超窄带锁相环的实现结构,该结构的主要特点是结合频率引导与二次混频思路,并给出了结构框图。(3)根据设计要求,对数字化超窄带锁相环每个功能模块进行了基于FPGA的设计实现。并对硬件实现后的锁相环进行测试,对实验结果进行了分析。实验结果表明:该数字化锁相环输入信号载噪比门限30dBHz,主侧音锁相环最小环路带宽1.3Hz。(4)总结了本文的主要工作,对后续工作做了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外相关研究
• 1.3 本文的主要工作及结构安排
• 第二章 测速测距接收机相关理论
• 2.1 速度测量原理
• 2.1.1 多普勒效应
• 2.1.1.1 单程非相干多普勒
• 2.1.1.2 双程相干多普勒
• 2.1.2 多普勒频率提取与测量
• 2.2 距离测量原理
• 2.2.1 测距原理公式
• 2.2.2 侧音测距原理
• 2.2.3 侧音测距参数设定
• 2.3 速测距接收机整体架构
• 第三章 锁相环相关理论
• 3.1 锁相环组成及工作原理
• 3.1.1 锁相环工作原理
• 3.1.2 鉴相器
• 3.1.3 环路滤波器
• 3.1.4 压控振荡器
• 3.2 锁相环模型与参数
• 3.2.1 锁相环数学模型
• 3.2.2 描述锁相环的参数
• 3.2.3 参数的计算
• 3.3 锁相环的噪声性能
• 第四章 数字化超窄带锁相环设计与仿真
• 4.1 锁相环主要模块及设计
• 4.1.1 数字化锁相环模型建立
• 4.1.2 数字下变频
• 4.1.3 数控振荡器设计
• 4.1.4 FIR滤波与抽取
• 4.1.4.1 FIR滤波器设计
• 4.1.4.2 抽取设计
• 4.1.5 鉴相器设计
• 4.1.6 环路滤波器设计
• 4.2 锁相环参数设计与性能检验方法
• 4.2.1 锁相环参数设计
• 4.2.2 锁相环性能检验方法
• 4.3 锁相环性能仿真和分析
• 4.3.1 锁相环的仿真模型
• 4.3.2 仿真中的经验处置
• 4.3.3 锁相环的仿真结果及性能分析
• 4.3.3.1 FIR滤波性能
• 4.3.3.2 环路滤波器系数与环路带宽关系
• 4.3.3.3 锁相环锁定状态下性能
• 4.3.3.4 失锁状态锁相环情况与失锁检验
• 4.3.3.5 超窄带锁相环仿真情况
• 第五章 超窄带锁相环FPGA实现
• 5.1 FPGA介绍与Xilinx设计流程
• 5.1.1 FPGA介绍
• 5.1.2 Xilinx设计流程
• 5.2 测速测距接收机结构
• 5.2.1 测速测距接收机硬件组成
• 5.2.2 测速测距接收机各部分通信
• 5.3 数字化超窄带锁相环实现
• 5.3.1 锁相环实现中的经验处置
• 5.3.2 时钟信号产生
• 5.3.3 数字下变频模块
• 5.3.4 数控振荡器模块
• 5.3.5 鉴相器模块
• 5.3.5.1 复数乘法器实现
• 5.3.5.2 基于Cordic算法的反正切鉴相器实现
• 5.3.6 环路滤波器模块
• 5.3.6.1 环路滤波器实现
• 5.3.6.2 环路滤波器系数计算
• 5.3.7 数据统计模块
• 5.3.8 数据的截位与格式转换
• 5.4 锁相环FPGA原理图
• 第六章 测试与结果分析
• 6.1 硬件实物照片
• 6.2 锁相环测试情况
• 6.3 锁相环测试结果
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录 研究生在读期间发表文章情况