基于软件无线电技术的超高速实时通信系统

摘要

射频通信技术从其诞生开始便是整个电子系统设计中的难点和热点，传统的基于硬件的射频通信系统的带宽有限，已经逐渐不能完全满足当前各个行业的发展需要，特别是在航天领域。由于近年来我们国家大力发展航天事业，卫星通信要求速率越来越高，特别是中继卫星的出现，需要定制化的超高速通信系统才能满足整个卫星中继链路的搭建。
　　本文提出了一种基于软件无线电方式的超高速实时数据通信系统的实现方法，对于基于软件无线电技术的超高速通信系统进行了硬件平台的搭建和软件算法的设计，算法的仿真以及将算法的软件在系统硬件上进行开发和实施，最终完成了样机的研制并通过各种仪器验证了系统的性能和指标参数。
　　现有的软件无线电系统中，一般分为两种，一种是以高速计算机作为软件无线电算法的实现部分，这种方式对于软件算法的实现来说易于实现，但是系统的功耗较高，运算速度和计算效率较低。另一种方式是使用以FPGA芯片作为系统的运算核心，这样，所有的通信算法可以在FPGA中以一种硬件的方式实现，以空间换取时间，使用这种方式系统的最终运算速率较高，并且系统功耗较低，但是系统的开发较为复杂，并且由于FPGA一般采用HDL语言进行编程，这种语言与其他的计算机开发语言相比，编程思想和代码运行方式是截然不同的，这增加了算法的实现难度，使得开发周期和开发成本大大增高。
　　本文提出了一种使用NI FlexRIO平台配合Labview FPGA软件平台的软件无线电实现方法，大大的降低了系统的实现难度，使得开发周期缩短，节省了系统的开发成本，并且在最终实现的样机中得到了较高的技术指标。
　　论文先以卫星通信中的常用的调制解调算法做出了理论分析。本文所描述的通信系统支持BPSK、QPSK、SQPSK、UQPSK、8PSK这几种调制解调方式，在8PSK通信模式下，可以最高达到800Mbps的通信速率。
　　然后本文对系统的发射机和接收机的硬件平台搭建和软件算法做出了详细介绍。
　　本文的硬件平台以FPGA平台作为实现算法的核心器件，通过使用NI公司的FlexRIO以及FLexRIO所对应的Adapter适配器模块，以及PXIE总线来控制FlexRIO和各个模块设备来完成整个系统的硬件平台搭建。
　　本文详细的描述了整个系统的调制解调算法，包括发射机调制系统的高速串转并模块、相位查找模块、高速并行数字滤波器模块，接收机解调系统的带通采样模块、数字下变频模块、数字AGC模块、载波估计模块、时序恢复模块、载波恢复模块等核心算法。对这些核心算法进行仿真分析，并使用Labview FPGA软件将这些算法在FlexRlO FPGA平台上实现。
　　最后本文还将最终实现样机的调试解调部分作出了详细的测试，并给出了最终的测试结果和测试数据。

目录

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摘要

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表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外现状分析

1．3 论文工作内容

1．4 论文组织结构

第二章 软件无线电通信系统相关理论和技术

2．1 调制解调模式的设计理论

2．1．1 BPSK模式

2．1．2 QPSK模式

2．1．3 SQPSK模式

2．1．4 UQPSK模式

2．1．5 8PSK模式

2．2 软件无线电通信系统相关技术

2．2．1 高速A/D技术

2．2．2 高速D／A技术

2．2．3 高速信号处理器技术

2．3 本章小结

第三章 软件无线电在高速通信系统的实现方法

3．1 软件无线电高速通信系统硬件实现

3．2 软件无线电高速通信系统软件实现

3．3 软件无线电高速通信系统开发分析

3．4 本章小结

第四章 超高速实时调制解调系统详细设计

4．1 系统主要实现功能

4．1．1 发射机调制系统功能

4．1．2 接收机解调系统功能

4．2 系统设计

4．3 发射机调制系统硬件设计

4．3．1 发射机系统嵌入式计算机

4．3．2 低相噪参考时钟电路设计

4．3．3 可编程本地振荡器

4．3．4 正交调制器电路设计

4．3．5 发射机调制算法信号处理模块

4．3．6 基带输出高速D/A模块

4．3．7 程控衰减器电路设计

4．4 发射机系统调制算法设计

4．4．1 发射机工作流程设计

4．4．2 串转并及相位查表

4．4．3 插值及成形滤波

4．4．4 发射机调制算法仿真结果

4．5 发射机系统调制算法的FPGA软件设计

4．6 发射机系统嵌入式计算机控制软件

4．6．1 系统界面

4．6．2 PN码生成模块

4．6．3 发射机网口通信协议

4．7 接收机解调系统硬件设计

4．7．1 高性能服务器及数据流盘系统

4．7．2 PXIE转PCIE转接卡

4．7．3 接收机解调算法信号处理模块

4．7．4 高速A/D采集单元

4．7．5 可编程采样时钟

4．7．6 输入信号放大AGC模块

4．8 接收机系统解调算法设计

4．8．1 接收机工作流程设计

4．8．2 输入带通采样

4．8．3 数字下变频

4．8．4 IQ匹配滤波算法

4．8．5 数字自动增益放大器

4．8．6 基于CFO环路的载波频率估计

4．8．7 时序恢复环路

4．8．8 载波恢复环路

4．8．9 接收机解调系统算法仿真结果

4．9 接收机系统解调算法的FPGA软件设计

4．10 本章小结

第五章 系统实现与测试结果分析

5．1 系统的实现

5．2 系统测试结果

5．2．1 发射机信号输出测试结果

5．2．2 接收机解调测试结果

5．3 结论

5．4 本章小结

第六章 结束语

6．1 论文工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

致谢

作者简介