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应用于深空探测的多通道软件无线电接收机系统的研究

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缩略词对照表

第1章 绪论

1.1 课题背景吸研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 美国MARK系列接收机

1.2.2 欧洲ESA接收机方案

1.2.3 美国STRS标准平台

1.2.4 国内RSR接收机方案

1.3 研究内容与结构安排

第2章 扩展的RSR-ARM接收机系统概述

2.1 系统需求分析

2.2 系统设计硬件平台基础

2.2.1 RSR-ARM系统架构

2.2.2 ADC信号采集模块

2.2.3 FPGA信号处理模块

2.2.4 ARM控制模块

2.3 具有四通道千兆以太网的扩展RSR-ARM系统方案

2.4 本章小结

第3章 四通道千兆以太网通信模块设计

3.1 以太网技术简介

3.2 四通道千兆以太网通信模块物理层设计

3.2.1 四通道千兆以太网扩展模块需求分析

3.2.2 模块物理层结构设计

3.2.3 GMII接口电路连接

3.2.4 RGMII接口电路连接

3.2.5 光口端电路连接

3.2.6 电口端电路连接

3.2.7 状态显示模块设计

3.2.8 配置模块设计

3.2.9 电源模块设计

3.3 千兆以太网通信模块PCB设计

3.4 千兆以太网通信模块MAC层设计

3.5 千兆以太网通信模堤调试

3.6 本章小结

第4章 系统高速数据处理部分设计

4.1 RSR-ARM信号处理流程概述

4.2 高速ADC数据接口模块

4.2.1 串并转换模块

4.2.2 可编程一致性调节模块

4.3 数据处理模块

4.3.1 高速分组下变频

4.3.2 多级降采样

4.3.3 数据包封装

4.3.4 数据帧封装

4.3.5 总线地址映射

4.4 本章小结

第5章 系统软件部分及系统测试

5.1 控制软件系统架构

5.2 控制软件系统驱动层

5.3 控制软件系统服务层

5.3.1 Server程序模块

5.3.2 Web服务器端

5.4 控制软件系统客户层

5.5 上位机数据存储软件设计

5.6 系统测试

5.6.1 千兆以太网传输速度测试

5.6.2 不同传输介质下数据存储测试

5.6.3 不同介质无关接口下数据存储测试

5.6.4 双通道同步工作下系统测试

5.6.5 与已有设计的兼容性测试

5.7 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

附录

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

深空探测是人类对宇宙空间资源的研究与探索,深空探测接收机系统接收、处理、存储、转发来自探测器的下行信号,通过对这些无线电信号进行分析处理可以确定探测器轨道,开展多种行星科学研究,而多通道接收机系统可以进行跨波段观测和多目标跟踪,具有重要的研究价值。
  本文首先介绍了一种层叠式结构的深空探测接收机系统RSR-ARM以及其中的ADC信号采集模块、FPGA信号处理模块和ARM系统控制模块,在此基础上提出了一种带有四通道千兆以太网口的扩展RSR-ARM方案,将系统的数据通信能力扩展了4倍,解决了系统在数据传输上遇到的瓶颈,同时,这种扩展系统实现了与原有RSR-ARM系统应用设计的无缝连接,原有的设计可以不加修改地在扩展系统上正常工作,从而使得对系统功能扩展的设计和调试的工作量降低到了最小。在此基础上,完成了四通道千兆网通信模块硬件的设计,该功能扩展模块以四片88E1111为核心,根据实际应用中不同场景需求设计了SFP光模块接口和RJ-45网线接口,与MAC层连接兼容GMII和RGMII两种方式。论文完成了该模块的8层高速PCB设计,并在FPGA硬件平台内基于V6EMAC IP核实现了千兆以太网的数据链路层的设计,通过该模块对上层模块处理过的系统数据进行千兆以太网传输。此外,论文还对该模块进行了传输能力测试,结果表明每个通道均可达到千兆。
  然后,论文在扩展的RSR-ARM平台中完成了2路模拟输入、8路数据输出的数据处理系统,使得系统可以实现跨波段观测和多目标跟踪。论文通过Verilog语言构建了高速数据接口解决了数据速率高于FPGA工作时钟上限以及分路数据间不同步等问题,通过构建高速并行下变频使得系统可以对GS/s级别的数据实现下变频,此外系统通过链式结构实现多种速度的数据输出,各模块接口软件可编程使得系统满足灵活性强的要求。接着,介绍了ARM硬件平台Linux操作系统的控制设计,基于B/S架构的远程控制软件系统按照功能划分为三个部分:实现软硬件间的传输接口的驱动层;解析指令完成相应的对硬件的控制操作的服务层;实现系统与用户间的交互的客户层,并在VisualStudio开发环境下使用C语言实现千兆以太网数据存储任务,其与系统的控制软件系统分离,可以减小系统运行压力。
  最后,本文在不同传输介质下、不同介质无关接口下和双通道同步等情况下对系统进行测试,测试结果表明,系统可以满足各项预定指标。

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