闪电VHF辐射相位干涉测向系统的数字化实现

摘要

闪电探测在国民生活中有着重要的意义,VHF频段的信息对于雷电探测和预警有着尤为重要的意义。本文对VHF闪电辐射相位干涉测向系统的数字化实现进行了研究,利用软件无线电思想搭建FPGA+DSP的信号处理平台,采用数字复解调技术取代传统的模拟方式实现的VHF相位干涉仪,极大提高了系统的运算精度和抗噪声性能,并且可以实时改变接收频点。采用FPGA实现数字中频,能够很好的协调处理能力和灵活性之间的矛盾。本文详细讨论了数字中频的原理以及在FPGA上的实现,最后给出了测试结果,验证了系统的性能。
　　 本文主要完成的工作如下:
　　 1.研究了软件无线电和数字中频的基本理论,包括信号的多速率处理理论、高效数字滤波器等,并探讨了FPGA实现时常用的CORDIC算法和DA算法。
　　 2.根据具体的参数要求,确定了系统方案,采用FPGA+DSP的架构完成了相位干涉测向系统的数字化实现。并详细讨论了FPGA部分数字复解调方案的实施。
　　 3.重点探讨了作为前端信号预处理的FPGA部分,并就各个模块比如数字混频模块和抽取滤波模块等,在FPGA中的具体实现结构进行了研究。在数字混频部分,给出了查找表法和CORDIC法经过资源优化后的实现结构并讨论了对传统DDC结构的改进,分别探讨了若干种优化结构；讨论了NCO的设计和滤波器类型的选择,NCO混频模块采用了CORDIC算法来实现,FIR滤波器部分采用DA算法实现。在抽取滤波部分,探讨了各种滤波器的实现结构及其适用范围。对于CIC滤波器,讨论了其频谱特性,并给出了多级级联的FPGA实现；对于FIR滤波器,主要研究了基于资源和速度的改进。
　　 4.对前面讨论的各个模块进行了性能仿真验证,然后在FPGA芯片上实现了信号预处理单元并进行测试,验证了设计的正确性。

目录

文摘

英文文摘

图目录

1 绪论

1.1 论文的选题及意义

1.2 论文的主要工作

1.3 论文的结构和内容安排

2 软件无线电的理论基础和算法

2.1 软件无线电(SDR)的基本思想和结构

2.1.1 射频低通采样软件无线电结构

2.1.2 射频直接带通采样软件无线电结构

2.1.3 宽带中频带通采样软件无线电结构

2.2 信号处理理论基础

2.2.1 信号采样理论

2.2.2 多速率数字信号处理

2.2.3 高效数字滤波器

2.2.4 数字混频正交变换

2.3 FPGA实现的相关算法

2.3.1 坐标旋转数字计算(CORDIC)算法

2.3.2 分布式(DA)算法

3 系统总体设计

3.1 五元均匀圆阵干涉仪测向

3.2 系统设计

3.2.1 设计思想

3.2.2 系统硬件平台的组成框图

3.3 性能指标

3.3.1 灵敏度

3.3.2 接收机的工作频带

3.3.3 动态范围

3.3.4 工作稳定性和频率稳定度

3.3.5 波形数字化参数

4 FPGA单元的设计

4.1 FPGA单元组成框图

4.2 时钟管理模块

4.3 通信控制模块

4.4 信号处理模块

4.4.1 数字正交混频单元

4.4.2 抽取单元

4.4.3 窄带滤波单元

4.4.4 坐标转换单元

5 FPGA单元的实现与仿真验证

5.1 时钟管理模块的仿真验证

5.2 信号处理模块的仿真验证

5.2.1 数字下变频单元

5.2.2 抽取单元

5.2.3 窄带滤波单元

5.2.4 坐标转换单元

5.3 外场实测结果

5.3.1 脉冲波的幅度解调结果

5.3.2 系统的线性验证

6 结论和展望

6.1 论文总结

6.2 研究展望

参考文献

附录1

附录2 英文缩写注释

致谢