射电脉冲星观测数字终端软件设计与实现

摘要

在当前深空探测前沿研究中，脉冲星可谓“浑身是宝”。它高稳定度的“周期脉冲”发射不仅提供了一种天然的时间计量工具，而且还可以成为探测星际电子密度、星际磁场和引力波的有效探针。脉冲星研究的发展中，核心问题是观测能力和方法的提高。其中射电脉冲星观测系统是观测脉冲星的关键设备。因此，射电脉冲星观测接收数字终端的研制对脉冲星观测具有重要的应用价值。
　　本文首先介绍了射电脉冲星观测的研究背景以及数字终端在国内外的研究现状。并根据不同应用需求，分别提出了基于PCI+V5构架和基于ARM+V6构架的两种射电脉冲星观测接收数字终端平台的设计方案。随后对基于PCI+V5构架的数字终端的信号处理算法进行了研究，给出了硬件易实现的数字下变频算法，并对其进行了仿真分析，验证其能满足设计的需求。随后分别完成了两种平台下的数字终端软件设计。
　　将第一种平台下的软件功能细分为硬件控制、数据封包存储、绘制功率谱图和用户业务四个部分，并分别对各部分进行设计并实现。硬件控制是基于PCI总线映射的方式实现，数据封包存储和功率谱图的绘制是基于独立线程的方式实现，用户业务是基于MFC中的定时器实现。软件实现中涉及到的关键技术有线程的封装和时间函数的选择。第二套软件的功能模块和第一套类似，但实现方式不同。在分析C/S架构和B/S架构的基础上，论文选择基于B/S的Web软件设计方案，完成了包含驱动软件、服务软件和数据存储软件三部分的设计和实现。驱动软件是基于混杂设备驱动开发，服务软件采用面向对象思想和多线程技术，数据存储软件基于Winpcap库设计。
　　最后，对数字终端进行了测试，包含数据的完整性测试和功能性测试，并在上海天文台进行现场测试。结果验证系统指标满足了设计的需求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 美国的CPSPER开发的平台

1．2．2 德国马普研究所开发的FFT功率谱计算平台

1．2．3 欧盟RadioNet的UniBoard平台

1．2．4 国内研究现状

1．3 论文研究内容和安排

第二章 射电脉冲星观测数字终端设计分析

2．1 系统需求设计

2．2 基于PCI+V5构架的数字终端结构

2．2．1 VGA系统

2．2．2 ADC模块

2．2．3 时钟模块

2．2．4 信号处理模块

2．2．5 总线控制模块

2．3 基于ARM+V6构架的数字终端结构

2．3．1 信号处理模块

2．3．2 控制模块

2．4 芯片配置

2．4．1 ADC芯片的配置

2．4．2 时钟芯片配置

2．5 本章小结

第三章 基于PCI+V5构架的数字终端算法研究

3．1 算法分析

3．2 数控振荡器

3．3 数字滤波器

3．3．1 积分梳妆滤波器

3．3．2 半带滤波器

3．3．3 FIR滤波器

3．4 整数倍抽取

3．5 多相滤波

3．6 数字下变频系统仿真

3．6．1 NCO设计仿真

3．6．2 多相滤波算法验证

3．7 本章小结

第四章 基于PCI+V5构架的数字终端软件设计

4．1 软件需求分析

4．1．1 MFC技术

4．1．2 CFITSIO技术

4．2 硬件控制设计

4．2．1 芯片配置

4．2．2 硬件参数设置

4．2．3 系统信息监测

4．3 数据封包存储设计

4．3．1 数据格式

4．3．2 数据封包存储线程设计

4．4 功率谱图绘制设计

4．5 用户业务设计

4．5．1 界面设计

4．5．2 软件自动执行功能设计

4．6 关键技术

4．6．1 特定功能的封装

4．6．2 时间函数的选择

4．7 本章小结

第五章 基于ARM+V6构架的数字终端软件设计

5．1 需求分析

5．1．1 C／S架构

5．1．2 B／S架构

5．1．3 体系结构的选择

5．2 服务软件设计

5．2．1 开发环境

5．2．2 服务软件框架

5．2．3 数据库管理模块设计

5．2．4 逻辑控制模块设计

5．3 驱动软件设计

5．3．1 驱动软件开发

5．3．2 驱动软件应用

5．4 数据存储设计

5．4．1 网络包数据格式

5．4．2 数据存储软件设计

5．5 本章小结

第六章 系统测试

6．1 射电脉冲星观测数字终端软件操作

6．1．1 基于PCI+V5构架的数字终端软件操作

6．1．2 基于ARM+V6构架的数字终端软件操作

6．2 基于PCI+V5构架的数字终端测试

6．3 基于ARM+V6构架的数字终端测试

6．4 实地测试

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文