高速数字下变频关键技术研究与设计
这是一篇关于软件无线电,数字下变频,专用集成电路,自动化设计平台的论文, 主要内容为软件无线电系统中,模数转换芯片的采样速率随着半导体技术的发展快速升高,而后端数字信号处理芯片的工作速率是处理高速采样信号的瓶颈,数字下变频系统是解决这一问题的主要方法。数字下变频(Digital Down Converter,DDC)作为软件无线电系统的核心组成部分,可将高速信号转化为低速信号,并进行频谱搬移。设计开发一款高速率、多通道的数字下变频系统一直是研究的热点。本文深入研究了数字下变频的关键技术,运用专用集成电路设计方法实现了一种多路并行高速数字下变频系统,并基于软件编码与硬件电路相结合的思想设计出参数可变的数字下变频自动化设计平台。主要内容如下:首先,分析讨论了用于实现数字下变频系统的相关理论,并重点研究了数字下变频系统的重要组成部分,包含数字控制振荡器、数字混频以及抽取滤波器等模块,为后续高速数字下变频系统设计提供理论支撑。其次,利用硬件描述语言设计了四路并行结构的高速数字下变频系统,对主要模块进行了优化改进,包括基于坐标旋转数字计算算法的四路数字控制振荡器模块,四路正交调制混频器模块和四路并行流水线结构的四级半带抽取滤波器模块。最后,对设计完成的高速数字下变频系统进行了逻辑综合,并根据设计完成的硬件电路代码,采用Python与MATLAB联合编程的方法创建了参数可变的数字下变频自动化设计平台,实现了高速数字下变频系统的自动生成。本文的研究成果主要包括:设计了一个高速数字下变频系统,能够实现将中频信号搬移到基带,同时可实现2倍、4倍、8倍和最高16倍降采样的功能,基于某工艺厂商65 nm标准单元库综合,综合后工作速率可达1 GHz,面积为310984.92μm2,功耗为26.59 m W。创建了数字下变频自动化设计平台,该平台可根据配置参数自动生成相应的数字下变频系统的RTL代码,并输出滤波器的系数及其幅频响应曲线,可降低人工设计代码的出错概率、缩短电路设计周期,大幅提升高速数字下变频系统的设计效率。
软件无线电中调制、模式识别及解调的实现
这是一篇关于软件无线电,模式识别,调制解调,System Vue,数字上/下变频的论文, 主要内容为传统的通信系统是针对于特定的调制样式、特定的带宽的单一型系统,一旦硬件固定,参数也就固定了,所以,其应用范围非常有限,很不适应现在的多调制、多服务的通信系统。可以说,传统的通信系统有许多不足,它的这种事先约定性给它的功能扩展带来了不便。软件无线电要解决的也是这种事先约定性,它具有多功能、多调制、多频段的特性。由于多调制的存在,就要有自动的多调制的识别方法,如何将自动调制识别方法与软件无线电的解调方法相结合,同时实现信号的自动接收和解调,是实现软件无线电的关键技术之一,具有重要的应用前景。 本文通过研究软件无线电的基础理论,依据决策理论给出的决策树识别方案,探讨了软件无线电中基本调制制式信号的自动识别问题。同时对基于软件无线电的模拟、数字通信信号调制解调通用结构进行了研究,推导出了PSK、FSK、ASK、FM、AM信号的调制解调算法,并使用System Vue对这些算法进行了快速仿真,从而证明了算法的正确性和可行性。本文设计了基于FPGA+DSP的软件无线电通信平台,采用专用通信芯片AD9752和数字下变频器AD6654为核心器件。用VHDL、Verilog HDL和C语言作为编程语言进行模块化设计,设计了调制解调模块与调制信号模式识别模块等软件程序。 本文给出的软件无线电设计方案,可以大大简化数字通信系统的硬件设备,同时提高其通用性和灵活性,通过修改系统参数和配置程序,可以适应不同的通信模式和信道状况,充分体现软件无线电的优势。
基于OTFS调制信号的目标追踪关键技术研究
这是一篇关于雷达通信一体化,正交时频空,软件无线电的论文, 主要内容为在与移动物体进行通信的同时并追踪移动物体的实时位置是车辆、无人机等移动性场景的常见需求。一方面在4G、5G中广泛应用的正交频分多址复用(OFDM)调制技术抵抗时延、多普勒频移能力有限,在复杂移动性场景下通信的可靠性会大大降低从而影响传输速度与通信时延;另一方面无线频段日益拥挤,用于感知与通信的无线信号互相干扰影响了各自的性能,因此用同一个波形集成感知与通信功能的感通一体化技术对未来大规模感知与通信网络的部署具有重要的应用价值。正交时频空(OTFS)调制技术是一种对时变信道具有很强抵抗能力的新型调制方案,OTFS将信息符号定义在时延-多普勒域,在雷达感知中可以通过这个域分析信号传输路径中遭遇的移动反射面的时延与多普勒频移信息,进而得到反射面与发射端的距离信息与相对速度信息。因此本文首先调研OTFS调制技术与感通一体化追踪的技术研究现状,考虑基于OTFS调制的追踪技术在现有通信系统框架下实现的可行性,并在集成了 5G协议的软件无线电平台OpenAirInterface(OAI)上分别对通信流程与追踪感知流程进行实现,验证在现有通信协议下实现基于OTFS通信感知一体化的可行性。论文的主要贡献如下:(1)针对高速场景产生严重多普勒频移造成的5G蜂窝移动网络通信系统通信可靠性下降的问题,本文提出一种在5G协议下基于OTFS的雷达通信一体化收发机设计,在利用蜂窝移动网络覆盖广、发包频率高的优势进行感知的同时,增强系统对高速环境多普勒频移的抵抗能力,提升通信的可靠性。通过对物理下行分享信道(PDSCH)进行OTFS调制,并在3GPPEVA信道的基础上额外加入了多个高移动性的反射路径增强干扰,通过实验验证了 OTFS调制技术在当前通信框架下的可行性以及OTFS调制相较于OFDM调制在高移动场景下为通信带来的更强的可靠性。(2)在实现通信的基础上,用雷达感知方法对OTFS调制的通信信号进行移动参数估计。针对OAI上部署的5G协议架构修改并实现利用OTFS感通一体信号感知移动参数的方案,结合已有的高铁数据集设置基站与用户的无线资源管理(RRC)参数与3GPP EVA信道,模拟高速场景下的雷达感知。本文通过实验证明了在5G协议中实现基于OTFS的感通一体化追踪的可行性,在距离50 m,移动速度为350 km/h的移动目标估计实验中中距离估计的误差为4.56%,速度估计的误差为12.13%。
频率步进探地雷达信号源及信号处理研究与仿真设计
这是一篇关于探地雷达,双曲线拟合,软件无线电,频率步进的论文, 主要内容为探地雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是一种无损探测技术,利用雷达信号在地下不同介质间发生的反射、散射实现地质结构成像、地下目标定位、地下目标探测等。由于探地雷达探测具备高精度、高效率和无损探测的特点,目前主要应用于考古、矿产勘查、灾害地质调查、岩土工程勘察、工程质量检测、建筑结构检测以及军事目标探测等领域。除此以外,借助探地雷达对外星球进行透地遥感探测成为了近年来新的技术热点。Mars Express探测器所携带的MARSIS扫频步进雷达完成了对火星的在轨透地勘探,我国也利用玉兔号和天问号搭载探地雷达对月球和火星进行了探测。目前,天基探地雷达系统通常具备几个特点:采用脉冲信号进行探测、需要大的瞬时带宽和发射功率以获得高分辨率、高速模数转换(ADC)等。由于此类雷达通常应用于深空探测,其硬件上烧写的程序不可变,且硬件不可维护,同时由于有效载荷的重量存在限制,因此对此类探地雷达提出了重量小、硬件结构简单等要求。本课题采用步进频率信号作为信号源,以基于通用软件无线电外设(USRP)的软件式步进扫频探地雷达为目标,对雷达的信号体制、系统架构和数据处理方法进行了设计,并对该设计进行了仿真验证。为了降低对雷达瞬时带宽的要求,同时获得大发射功率和高时空分辨率,雷达信号采用步进频率连续波(Stepped Frequency Continuous Wave,SFCW),将雷达回波信号进行处理,合成具有高分辨率的距离像。本研究中,基于雷达信号传输的物理模型和信号体制的数学模型,开发了MATLAB仿真程序,对频率步进信号的测距功能进行了数值模拟,对频率步进连续波应用于探地雷达的可行性进行了分析。在此基础上,完成了基于GNU Radio软件无线电平台的软件式雷达架构设计开发与闭环实验,设计了雷达的数据处理方法,并基于GRPMAX对该雷达的信号处理、数据处理,特别是去除干扰、目标检测、图像偏移、波速估计等功能进行了仿真测试。测试结果表明,该设计可基于步进频率连续波和软件雷达架构实现高时空分辨率的地下结构探测。本研究为后续基于通用软件无线电平台的探地雷达的系统实现打下了基础。
基于雷达与ESM的低空目标跟踪技术
这是一篇关于软件无线电,主被动融合,ESM,PMHT,跟踪平台的论文, 主要内容为近几年无人机飞速发展,不仅取得了成功,也产生了安全隐患。为了能够对无人机进行更好地监视和管理,本文开展了无人机跟踪的信号和信息处理研究。基于软件无线电平台与目标跟踪软件,初步形成一套无人机主被动融合跟踪系统。论文首先讨论了主动雷达与电子支援测量(Electronic Warfare Support Measure,ESM)融合在无人机领域的研究进展,为后续采取相应的算法提供了相关依据,并分析和明确了项目需求。本文研究重点为无人机跳频信号的检测分析、多普勒频率参数估计与目标跟踪。传统关联算法中一个量测只允许关联一个目标,其计算复杂度在多目标跟踪中与目标数及量测数呈指数增长。而概率多假设跟踪算法假设一个目标可与多个量测相关联,很好地解决了这一问题。将并行融合模型融入到概率多假设跟踪算法(Probabilistic Multiple Hypothesis Tracking,PMHT)中是本文研究重点之一。本文主要内容为:1、介绍无人机跳频信号模型,着重分析无人机跳频信号相关参数,并通过功率谱对消算法和非相干累加算法进行信号检测。研究短时傅里叶变换、维格纳维利分布(Wigner-Ville Distribution,WVD)、伪维格纳维利分布(Pseudo Wigner-Ville Distribution,PWVD)和平滑伪维格纳维利分布(Smoothed Pseudo Wigner-Ville Distribution)等时频分析方法对跳频信号进行分析,仿真不同时频分析方法对跳频信号进行分析。研究常用的测频方法,对比分析各测频方法对不同调制方式信号的测频性能。2、讨论PMHT算法和并行融合模型。根据主被动传感器量测产生不同,主动传感器包含距离、方位和多普勒量测,被动传感器包含多普勒与方位量测,利用测频得出的多个频率值得出多个多普勒量测。将并行融合模型融入PMHT算法,通过该模型计算出综合量测与综合协方差,再传入扩展卡尔曼滤波器完成跟踪。仿真分析展示了主被动融合PMHT算法的有效性和优越性。3、介绍硬件平台和目标跟踪软件。研究并阐述目标跟踪软件的设计思路与整体框架。设计目标跟踪软件的用户界面、数据结构和文件系统等。目标跟踪软件能够完成仿真场景设置,包含目标、传感器和跟踪器等。同时能够接收外部数据进行目标跟踪。
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