基于软件无线电技术的卫星地面站系统研究与设计

摘要

软件无线电是继模拟通信技术、数字通信技术之后的第三代通信技术，是21世纪军用和商用无线电发展的趋势。本论文旨在研究软件无线电卫星地面站系统的设计：以CX-1低轨小卫星地面站系统设计为应用背景，应用软件无线电概念进行系统方案设计并已工程实现；对软件无线电关键技术中的直接数字频率合成器和非整数倍采样情况下的自适应符号同步方法进行了深入研究；并给出了第二代软件无线电卫星地面站系统的初步设计方案。 本文首先对软件无线电技术及其在卫星地面站中的应用的国内、外研究现状进行了详尽的综述，在此基础上，本文提出了将软件无线电概念应用于CX-1低轨小卫星地面站系统设计的新思想，并给出了具体实现方案。CX-1低轨小卫星便携地面站经过投入使用，证明该系统是对传统卫星地面站的改进，可降低系统总投资，增加系统的灵活性和互操作性。 目前，对于采用软件无线电技术的接收机，需要高效、高速的数字上/下变频器。通常数字上/下变频器采用查找表方法实现。本文比较了实现Sine产生器的几种算法，提出采用CORDIC算法来替代传统的查表法，分析了该算法的性能与误差，并给出仿真结果。基于CORDIC算法的直接数字频率合成器克服了DDFS需要非常大的ROM查找表的缺点，它不需要额外的乘法器，非常适合硬件实现。所以CORDIC算法来实现软件无线电直接数字频率合成器有助于节省芯片面积、降低功耗、减少成本。这些优点非常适合第二代软件无线电卫星地面站系统多模多业务的应用。 由于多频段、多模、多业务无线通信系统中每个子系统的传输数据速率都不同，在几个目标系统中使用同一个时钟会导致系统时钟不是所有符号速率的整数倍，而第二代软件无线电卫星地面站系统正是这种应用。针对这种系统时钟不是符号速率整数倍情况，本文采用了一种新的符号定时同步方法，它能够自适应地跟踪最佳符号定时而不用多余的硬件。文中对自适应符号定时同步方法进行原理分析并进行仿真，所得结论对进一步深入研究有较高参考价值。 软件无线电非常适合新算法和新体制的应用。为适应第二代卫星通信接收机能够为用户提供包括通信和定位等多种业务的趋势，本文在现有的CX-1低轨小卫星便携地面站基础上，结合前面的研究，提出了一个第二代卫星地面站通信系统的软件无线电实现方案，从而完善并提高第一代卫星便携地面站功能与性能。 本文的软件无线电关键技术具有实用性和可推广性，基于通信系统的相通性，可广泛应用于卫星移动通信系统、第三代无线通信系统以及无线网络系统中。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1引言

1.2软件无线电的起源和发展

1.3软件无线电的定义

1.3.1功能定义

1.3.2结构定义

1.3.3阶段空间定义

1.3.4矢量空间定义

1.4软件无线电的优势

1.5软件无线电的体系结构及关键技术

1.5.1软件无线电的体系结构

1.5.2软件无线电的关键技术

1.6软件无线电国内外研究现状

1.6.1国内研究现状

1.6.2国外研究现状

1.7软件无线电卫星地面站国内、外发展状况

1.8本论文的研究内容

1.9本章小结

第二章软件无线电卫星地面站系统实现研究

2.1基于软件无线电的卫星便携地面站系统设计方案

2.1.1卫星便携地面站系统总体结构

2.1.2卫星便携地面站系统模块化结构

2.1.3卫星便携地面站系统频谱变换

2.2基于软件无线电的卫星便携地面站系统接收机实现

2.2.1卫星便携地面站窄带19.2K接收部分的FPGA实现

2.2.2卫星便携地面站扩频2.4K接收部分的FPGA实现

2.3基于软件无线电的卫星便携地面站发射系统实现

2.3.1卫星便携地面站发射系统的FPGA实现

2.3.2卫星便携地面站发射系统的电性能指标及测试结果分析

2.3.3卫星便携地面站发射系统的数字滤波器设计

2.4基于软件无线电的卫星便携地面站与传统地面站比较

2.5本章小结

第三章软件无线电卫星地面站的数字变频技术研究

3.1信号采样理论

3.1.1基本采样理论—奈奎斯特采样定理

3.1.2带通信号采样理论

3.2多速率信号处理

3.2.1整数倍抽取

3.2.2抽取内插器的实时处理结构—多相滤波结构

3.3直接数字频率合成器

3.3.1 DDFS概述

3.3.2数字上变频和下变频

3.3.3 Sine/Cosine产生器设计与分析

3.3.4软件无线电地面站中CORDIC-DDS实现及误差分析

3.4本章小结

第四章软件无线电卫星地面站的定时同步技术研究

4.1同步采样

4.1.1混合NCO

4.1.2同步采样中的定时校正

4.2非同步采样

4.2.1反馈恢复方案

4.2.2分段多项式内插器

4.2.3非同步采样定时校正

4.2.4前馈方案的定时校正

4.3多模多业务软件无线电通信系统中的自适应符号定时同步方法

4.3.1新的符号定时同步方法的需求分析

4.3.2共用系统时钟情况下的自适应符号定时同步方法

4.3.3仿真模型和结论

4.4本章小结

第五章第二代软件无线电卫星地面站方案研究

5.1软件无线电的技术挑战

5.1.1接收机结构设计

5.1.2基站设计

5.2多频段、多模、多业务软件无线电结构设计

5.2.1体系结构描述

5.2.2灵活性

5.2.3多频段、多模、多业务无线电特征

5.3第二代软件无线电卫星地面站方案设计

5.3.1射频前端设计

5.3.2收发信机方案设计

5.3.3基于软件可编程的模块化GPS接收机设计

5.4本章小结

全文总结

参考文献

博士研究生期间的工作报告与发表论文

致谢

作者简历