航天CCSDS标准中GMSK改进技术研究

摘要

随着深空探测任务在国内的进一步开展，深空中的高质量远距离通信更成为航天人目前亟待解决的问题之一。由于目前国内深空通信存在传输速率低、多普勒频移大、功率受限等问题，深空通信中的调制解调等关键技术的研究就变得尤为重要。本文研究具有恒包络特性的连续相位调制技术，可以满足未来不断增长的功率高效和频谱高效的深空通信发展需求。
　　本文是在航天通信CCSDS标准GMSK调制技术的基础上，提出了一种具有恒包络特性的三进制GMSK调制解调方案，对其关键技术进行了理论分析、算法仿真以及基于FPGA硬件平台的实现，最后完成指标测试。
　　论文首先建立三进制GMSK调制方式的数学模型，在高斯白噪声信道的基础上研究了全响应和部分响应情况下的相干解调算法，并分析性能。其次对接收系统中的载波同步恒包络进行了研究，分析了环路参数的设计方法，确定了三进制GMSK信号的锁相环路数学模型，并对其进行了算法级的MATLAB仿真。接着研究了定时同步中比较常用的两种算法:迟早门算法和Gardner算法，并将研究重点放在了Gardner算法上，对其各个模块进行了原理性分析，数值仿真和性能分析。最后在FPGA硬件平台上对三进制GMSK信号调制解调算法进行了功能验证和指标测试，证明了系统设计的可行性。
　　本课题成功实现了三进制GMSK信号发射和接收的数据传输系统，为深空通信中下行系统的高速数据传输做了技术储备。

目录

摘要

注释表

缩略词

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状和发展趋势

1．4 研究内容

第二章 三进制GMSK调制解调原理

2．1 GMSK调制解调原理

2．1．1 MSK调制原理

2．1．2 GMSK调制解调原理

2．2 三进制GMSK调制解调理论

2．2．1 三进制GMSK调制原理

2．2．2 三进制GMSK解调原理

2．3 三进制GMSK最优检测理论

2．3．1 L=1全响应的情况

2．3．2 部分响应调制信号

2．4 本章小结

第三章 数字化载波环路

3．1 锁相环理论

3．1．1 锁相环组成

3．1．2 鉴相器

3．1．3 环路滤波器

3．1．4 压控振荡器

3．1．5 锁相环锁定下的锁相环路数学模型

3．1．6 锁相环锁定状态下的暂态响应

3．2 数字化载波同步环(COSTAS Loop)

3．2．1 数字鉴相器

3．2．2 数字环路滤波器

3．2．3 数控振荡器

3．2．4 数字锁相环模型

3．3 数字COSTAS的应用

3．3．1 BPSK调制信号的COSTAS环

3．3．2 QPSK调制信号的COSTAS环

3．3．3 三进制GMSK调制信号的COSTAS环

3．4 差分编码

3．5 本章小结

第四章 数字化定时同步环

4．1 定时同步原理

4．1．1 迟早门算法

4．1．2 Gardner算法

4．2 插值滤波器

4．2．1 插值滤波器原理

4．2．2 插值滤波器的选取以及实现

4．3 基于Gardner算法的定时恢复环路

4．3．1 定时误差信号检测器

4．3．2 环路滤波器

4．3．3 数字控制器振荡器(NCO)

4．3．4 另一种控制方法

4．4 Gardner算法性能仿真及分析

4．4．1 第一种控制方法

4．4．2 第二种控制方法

4．5 本章小结

第五章 系统FPGA实现

5．1 硬件平台介绍

5．1．1 FPGA发射开发平台

5．1．2 FPGA接收开发平台

5．2 程序流程

5．2．1 功能设计整体框图

5．2．2 系统VHDL设计

5．3 系统FPGA硬件调试以及结果

5．3．1 理想情况下的系统仿真验证

5．3．2 发射信号仿真

5．3．3 接收信号仿真

5．3．4 系统指标测试

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文