信息学院

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1、云南省大学生创新创业训练计划项目立项申请表推 荐 学 校： 云南大学项目名称： 低频射天线阵终端数据传输网络设计 项目 申报 类别： 创新训练所属一级学科名称： 信息与通信工程申请人： 李冠君所在学院及年级： 信息学院 2012级指导教师： 何乐生单位和职称： 信息学院 副教授 填表日期： 2013年4月30日云南省教育厅制2012年2月填 表 说 明1.申报书各项内容，必须实事求是，表达要明确严谨，并要求打印或用钢笔填写。页面不够时可加页，不得破坏后面表格的完整和美观。对于填写不合要求、内容含糊不清、字迹潦草者，不予受理。2. 该申报书为A4纸，各单位或个人可以从云南省教育厅高等教育处网站自

2、行下载或翻印，但格式、内容、大小应与原件相同。一、项目申请人情况 申请人姓名李冠君性别 男民族汉出生日期1994-3-2所在学院 信息学院专业、班级电子信息科学与技术12级项目名称 低频射天线阵终端数据传输网络设计通讯地址云南省昆明市呈贡县东外环南路云南大学呈贡校区楠院5幢A308电话1878850327918314565049项目类别 创新训练 创业训练 创业实践项目周期2年所属学科专业天文技术与方法申请人参加科研的经历自何年月至何年月参加的项目担任的工作项目组其他成员（不超过5人，不包括申请人和指导教师）姓名性别年级所在学院专业分工签名王瑞女10级信息学院电子信息科学与技术整体构架和设计王

3、瑞郭靖男10级信息学院电子信息科学与技术硬件平台的搭建郭靖徐枫男11级信息学院电子信息科学与技术硬件平台的搭建徐枫彭革男10级信息学院电子信息科学与技术软件设计彭革二、拟申报项目情况（一）项目介绍（研究目标、研究背景及现状、工作原理和方案设想、计划进度安排等）1、 研究背景、现状及目标 低频射天线阵研究涉及与天文探测相关的高能、紫外、光学、红外和射电技术方法，包括高能X、伽马成像技术、高分辨探测器技术（位置分辨和能量分辨）和偏振测量技术、微弱光电子信号探测、存储和传输技术，与天文望远镜相关的高能、光学、红外和无线电技术，自动控制技术和机械等。 如图1所示，甚低频波段具有丰富的天体文现象和辐射，

4、由于甚低频的观测如此之少，在这个波段发现没有预料到的全新现象的可能性不可低估。图1 甚低频波段的射电波段流量频谱，左：太阳和银河系，右：大行星自1970年代以来，我国射电天文在米波到毫米波频段有了长足的发展，并且在米波段实现了综合孔径阵，在厘米波段实现了甚长基线干涉测量（VLBI）技术，在毫米波段参与了国际ARMA计划。近年来在国际1平方公里接收面积射电阵、600MHz15GHz太阳射电连续谱成像仪、60230MHz固定方向低频宇宙射电阵等观测技术领域也取得了很大的进步。在十米波测量领域，今年还在空间项目论证，如月面射电阵、空间低频领域开展了一些调研、论证和预研工作。国际上长期以来只有为数不多

5、的天文台在进行甚低频射电天文常规观测，如乌克兰的UTR-2天线阵、法国南希天文台、日本东北大学低频干涉阵、美国弗罗里达天文台和夏威夷天文台等。这些天文台目前的空间分辨本领在木星距离上不足10角分。目前它们和建设中的LOFAR和SKA澳大利亚方案可以提供的甚低频宽带观测，但是还没有系统开展干涉测量观测，尚未达到建立太阳CME射电辐设模型和木星射电辐射机制模型的能力。为此发展我国自己的陆基低频射电观测网具有非常重大的意义。图2 甚低频天线阵的空间分布 “工欲善其事必先利其器”，要进行低频射电成图观测，首先必须进行单站建设和初步的观测，那么单站关键技术问题的设计将至关重要。中国科学院云南天文台作为我

6、国陆基低频射电观测网的重要成员，提出研制甚低频单观测站关键技术的研究。本研究将主要开展20-80MHz频段的地基甚低频和低频射电天文技术研发。整体链路图如下：图3 拟设计的整体链路框图本创新项目主要研究上述过程中终端数据数字化处理的部分，我们旨在研究提出了低频射电天线阵终端数据传输网络设计，数据采集后，经高速ADC采样之后，我们用FPGA进行预处理，解决同轴电缆容易受到温度、湿度、压力以及形变等因素的影响，产生相位变化，搭建起数据和PC机之间的联系。 目前信号处理系统中数据传输的瓶颈问题，可设计使用一种基于可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的高

7、速实时数据传输方案。该方案借助Xilinx FPGA的ChipSync技术，稳定地完成了数据的串化/解串,以及通信链路相对延迟的精确测量和调整。同时，利用提出的数据传输同步方法-系统同步和串行低压差分信号(low-voltage differential signaling,LVDS)总线技术实现板卡间大量数据的高速传送，可有效地保证了多通道传输的同步性和可靠性,并大大降低了系统互联的复杂度和系统成本。在数据传输时，针对相位调制格式的调制和解调方法的不成熟以及对相位调制系统中相位噪声的研究的不完善，对相位调制格式展开深入的研究。首先讨论了相位调制器和强度调制解调器的工作原理，以及DPSK和DQ

8、PSK的详细调制解调方法，提出了一种推导DQPSK预编码器逻辑表达式的方法；然后比较了各种相位调制格式的色散容限和非线性容限，仿真结果表明基于CRZ的相位调制格式性能最优；最后对相位噪声进行详细分析，从相位噪声的统计模型出发，得出非线性相位噪声和接收强度的联合概率分布函数，在此基础上，推导出非线性相位噪声引起的误码概率准确表达式，调制相位的偏移。本项目拟研发一款“低频射电天线阵终端数据传输网络系统”。该系统目标是解决因相位变化即无法同步的问题，搭建终端数据传输网络。基于此，我们主要研究内容和目标如下：（1）首先选取适合低频数据采集的ADC芯片，无失真采集低频射电信号 15MHz75MHz，尽量

9、采用多bit量化，使之能达到良好的抗干扰效果；（2）采用高性能FPGA作为ADC的控制芯片，实现控制ADC的采样节拍，输入信号的预滤波处理以及编码等功能；（3）在FPGA内将采集数据进行编码，包括增加采集信号的天线信息和时间信息等，然后传入高速千兆网芯片，通过光纤传入后端处理计算机PC中。因此，为了完成系统的功能，我们主要解决的问题有：1、高速采样ADC的选取及预处理系统的设计；2、传输链路扰动引起的相位不稳定的矫正； 3、构建终端数据传输网络。2、 工作原理和方案设想1）高速采样ADC的选取及预处理系统的设计高速ADC有几个重要的参数，1.采样速度fsample 2. 输入信号带宽（inpu

10、t bandwidth）；3.无杂散动态范围（SFDR）;量化位数（sampling bits）；采样速度决定了能够处理的信号带宽，；输入信号带宽决定了前端模拟抗混叠滤波器带宽；无杂散动态范围越大决定了该ADC在突发性强信号情况下产生的假谱越少，提高了抗干扰性能，该参数在无线电环境复杂的甚低频观测中极为重要，量化位数决定了ADC能够处理的最大动态范围，根据著名的量化信噪比SNR与量化位数n之间的关系式： （dB）对于甚低频波段50dB左右的RFI，至少应选择10位以上的ADC.2）传输链路扰动引起的相位不稳定的矫正低频射电天线阵具有天线体积大，分布面积广的特点，从各天线单元接收到信号经过低噪声

11、放大器初步放大，通过数控移相器进行加权形成综合方向图，再由长电缆将多路信号传到固定点汇合并进行数字量化。其中，通过数控移相器进行加权而形成方向图是整个相控阵的核心，不同的加权函数，使得天线阵能对不同的天区进行观测：图4 天线阵基本结构图对于N阵元的天线阵的加权向量为：为相控阵调相参数，在理想情况下，我们认为每根电缆产生的相位差恒定，则包涵了两部分：1.由移相器引起的相位差，这是天线阵调相所需要的，通过改变来调整天线阵指向；2.来自长电缆引起的相位差，如果在外界自然条件不变的条件下，该相位差不变。但是，由于温度、湿度以及形变对电缆和其他元件的影响，并不恒定，因此：其中，为自然环境影响给整个天线阵

12、加权向量带来的影响，必须修正这个参数，否则无法得到天线阵理想的方向图。传统的办法是通过测量当前的温度，湿度等信息，通过电缆材料在不同温度、湿度下的变化情况的经验值来修正，这种方法无法克服其余电子元件，例如：前端放大器，移相器以及射频接头带来的影响，并且经验值引入的误差也是无法消除的。3、 计划进度安排2014.12014.5 完成云南天文台本部的无线电环境测试资料收集和整理2014.62014.8 完成不同滤波器的设计，包括软件仿真、电路板设计等，通过试验检测；同时根据滤波器增益/衰减情况，估计放大器增益；同时开始ADC、FPGA等数字器件的选型与采购； 2014.92014.12 完成放大器

13、设计，包括软件仿真、电路板设计等，通过微波测试检测其增益、噪声情况等，同时连接滤波器模块检测相位响应情况；设计完成两种相位校正电路样机设计；2015.12015.5 完成放大器+滤波器+相位校正电路的测试2015.62015.9 完成系统集成以及实验样机的制作2015.102015.12 完成相关资料的整理以及论文的撰写，项目的验收（二）项目自我评价（创新点、实现的可能性、可操作性、可能存在的问题等）1、 本项目的特色和创新点（1）本项研究重在解决低频天线阵中重要的关键部件：数字采样电路和终端观测；（2）由于低频天线阵具有天线数量大、需要接收机电路多的特点，为此需要在统一化和成本上 做出考虑。

14、本项研究将从系统上考虑上述问题，研制规范化的接收机系统，可以到达多天 线系统在相位、增益、通带上的统一。同时本项研究的成果可以作为将来批量化天线阵接 收单元，大大降低成本。 （3） 云南天文台重要的天文观测台站，在云南天文台首先实现单台站观测具有很大的现实意义， 可以在技术积累、人才培养上做出贡献。（4） 在实验硬件器材中，像FPGA套件可以借用我们信息学院创新实验室购买的器件，可以节 约经费，解决经费中实验器材费用不足的问题。2、 拟采取的研究方案及可行性分析1）无线电干扰测量测量甚低频无线电干扰如下图所示：图9 无线电干扰测量系统图无线电干扰测量需要测量两个旋项，同时由于阵子天线的方向图较宽只需要测量4个方向即可。同时调节可调衰减器，使得LNA不至于饱和。根据lofar和LWA的监测无线电环境的经验，此项工作需要连续测量一个月以上。2）多滤波器方案选择通过无线电环境监测得到的频谱数据设计多个滤波器通带方案，并通过数控微波开关选通需要的滤波器：图10 多滤波器选择方案图11 多滤波器输出频谱图3） 高速采样电路的设计首先选