遥测中频数字接收机关键技术的研究

论文摘要

随着软件无线电技术的快速发展和集成电路制造水平的提高，中频数字接收机能够在多种通信体制中工作，一些通信任务由软件承担，可以灵活地进行开发，成为科研技术人员关注的重点。本文研究的重心是中频数字接收机在遥测领域的应用，故而又有其特殊性。本文从遥测中频数字接收机入手，重点研究分析了数字下变频、载波同步和位同步技术三个关键技术。利用多相滤波正交变换和多速率信号处理技术的结合实现了数字下变频器功能，在充分分析锁相环基本原理的基础上，设计了数字锁相环来实现载波同步功能，利用过零检测技术完成了位同步功能，结果证明系统完全可以工作在遥测接收机工作范围。从接收端输入的射频信号经过带通采样变成中频信号，其高速采样数据流加重了后续信号处理器件的负担，巨大的数据量难以保证实时处理的要求，因此有必要对该中频信号进行降频和抽取降速处理。多相滤波正交变换不需要正交本振，结构简单，易于实现；积分梳状滤波器级联半带滤波器后可实现任意整数倍的抽取，结构灵活，运算量低。因此，本文采取多相滤波正交变换器和抽取滤波器组组合的方式，将接收信号转变为基带信号再进行后续处理。在MATLAB平台上对各部分分别进行了性能仿真，然后在Quartus II环境编译、时序仿真。由于通信载体高速运动，信号的频率会因为多普勒效应而产生偏移，因此，准确地去除频偏，产生精准的本地载波信号，对于恢复原始信号是非常有必要的。本文根据实际需要设计了科斯塔斯环来完成载波同步功能。在分析模拟锁相环基本组成原理的基础上，将模拟域映射到数字域，采用了数字锁相环的设计方法，利用MATLAB完成了数字锁相环的仿真，并在Quartus II环境下进行了时序仿真。位同步技术是数字通信技术中非常重要和关键的技术，只有位同步脉冲能够准确地对基带码元进行抽样判决，恢复出原始的信号，才能保证整个系统的正常工作。所以搭建一个性能良好的位同步系统是非常重要的。遥测系统必然会受到来自周围环境的大量噪声的干扰，遥测接收机接收到的信号具备低信噪比这一特征，依靠传统的位同步算法建立的接收机无法满足正常的工作需要，因此有必要对这一领域进行深入的研究。本文利用过零检测技术搭建了一个能够在低信噪比的环境中实现通信的同步系统，经过仿真验证了该系统符合遥测接收机的工作标准。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 遥测技术的发展情况
• 1.2.2 中频数字接收机研究现状
• 1.2.3 数字下变频技术的研究现状
• 1.2.4 载波同步技术的研究现状
• 1.2.5 位同步技术研究现状
• 1.2.6 锁相环技术的发展现状
• 1.3 论文主要内容
• 第2章 中频数字解调的理论基础
• 2.1 带通信号采样理论
• 2.2 基于多相滤波的数字正交变换技术
• 2.3 积分梳状滤波器
• 2.4 半带滤波器
• 2.5 位同步分析
• 2.6 数字中频接收机系统框架
• 2.7 数字中频接收机系统技术指标
• 2.8 本章小结
• 第3章 数字下变频器的分析
• 3.1 数字下变频器的MATLAB仿真
• 3.2 数字下变频器的FPGA实现
• 3.2.1 系统的顶层设计
• 3.2.2 基于多相滤波的数字正交变换器
• 3.2.3 CIC 滤波器
• 3.2.4 半带滤波器
• 3.3 本章小结
• 第4章 载波同步技术
• 4.1 环路动态方程的建立
• 4.2 一阶锁相环的仿真
• 4.3 二阶数字锁相环的原理及仿真
• 4.4 科斯塔斯环原理及设计
• 4.4.1 科斯塔斯环原理及仿真
• 4.4.2 科斯塔斯环 FPGA 模块的设计及仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 位同步算法的仿真与实现
• 5.1 位同步算法分类
• 5.1.1 滤波位同步法
• 5.1.2 锁相环同步法
• 5.2 位同步信号的性能要求
• 5.3 位同步信号的提取算法
• 5.4 算法仿真
• 5.4.1 基带信号的产生
• 5.4.2 信号调理
• 5.5 位同步仿真
• 5.6 位同步模块的设计
• 5.6.1 信号源设计
• 5.6.2 过零检测设计
• 5.6.3 零点调整设计
• 5.6.4 补全同步点设计
• 5.6.5 Quartus Ⅱ仿真结果
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢