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大范围高精度自适应时延估计方法及实现技术

大范围高精度自适应时延估计方法及实现技术

作者：王洋北京理工大学

学位级别：硕士

在雷达、声纳及通信等很多领域中，时间延迟是表征信号的重要参量，准确、迅速地估计接收器所接收到的同源信号之间的时间延迟，对距离、速度等相关参量的确定具有十分重要的意义。随着时延估计在很多领域的广泛应用，时延估计方法需要... 详细信息

在雷达、声纳及通信等很多领域中，时间延迟是表征信号的重要参量，准确、迅速地估计接收器所接收到的同源信号之间的时间延迟，对距离、速度等相关参量的确定具有十分重要的意义。随着时延估计在很多领域的广泛应用，时延估计方法需要更多的考虑各种实际因素，对该技术的研究也呈现出多样性。一般而言，时延估计的精度要求越高，对算法复杂度的需求就越高，因此在对大范围时变时延进行精确估计时，就对算法的高效性提出了挑战。论文结合自适应算法理论和非整周期延时滤波理论，提出一种针对大范围时变时延的自适应时延估计方法，仿真及实现结果表明采用该方法可在使用资源较低的情况下，获得较快的收敛速度以及几十皮秒的估计精度。论文的主要工作如下：1.研究了自适应算法和非整周期延时滤波的相关理论，结合最小均方误差自适应算法和farrow小数延时滤波器结构，提出了一种针对大范围时变时延的估计方法，给出了farrow滤波器和自适应迭代算法中相应参数的公式推导，仿真验证了算法的有效性;2.基于FPGA设计实现所提方法，给出总体设计及各模块的详细设计，Modelsim仿真验证设计的正确性。

关键词：时延估计大范围高精度自适应迭代 farrow滤波器

并行ADC采样通道失配误差的一种实时估计及校正方法研究

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并行ADC采样通道失配误差的一种实时估计及校正方法研究

作者：刘艳茹电子科技大学

学位级别：硕士

多片AD器件并行时间交替采样(TIADC, Time-interleaved ADC)是有效提高系统采样率的方法之一。然而,芯片制作工艺及各通道电路不可能完全一致,因此引入了通道失配误差,其中包括时间误差、增益误差和偏置误差。这些误差严重降低了整个系... 详细信息

多片AD器件并行时间交替采样(TIADC, Time-interleaved ADC)是有效提高系统采样率的方法之一。然而,芯片制作工艺及各通道电路不可能完全一致,因此引入了通道失配误差,其中包括时间误差、增益误差和偏置误差。这些误差严重降低了整个系统的性能,实时、精确估计与校正这些误差是获得高精度信号重建的关键。本文首先详细分析了通道失配引起的三种典型误差,推导出通道失配误差条件下采样信号频谱,进一步建立了三种误差的估计方法。算法通过傅里叶变换、杂散频率位置判断、傅里叶反变换,模与相角计算等运算对三种误差实现快速估计。在误差校正方面,针对每个误差特性提出了相应的校正方法,相较于线性特征的增益及偏置误差,时间误差校正较为困难。本文采用了一种基于farrow结构的分数延时滤波器时间误差校正方法,利用时间误差作为滤波器输入之一,即使时间误差发生变化也无需更新滤波器系数,保证了时间误差校正的实时性。对于实时的通道失配误差估计与校正的硬件实现,论文所述的误差估计算法,以及farrow结构滤波器的校正方法,具有拓扑结构、设计流程简单,资源占用率低的特点,借助于FPGA内部DSP模块及其他逻辑资源,论文完成了误差估计与校正算法的硬件设计及验证。通过测试验证工作,论文进一步分析了误差估计算法的计算精度,探讨了采样率与信号频率比值、farrow结构参数对校正结果的影响,以及基于farrow滤波器的校正方法的适用范围。

关键词：并行时间交替采样误差估计误差校正 farrow滤波器无杂散动态范围

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相控阵超声波束合成技术研究及实现

相控阵超声波束合成技术研究及实现

作者：王文平电子科技大学

学位级别：硕士

超声检测因其具有无创、实时、廉价、可重复等特点，在现代医学影像中发挥着重要的作用。相控阵超声检测通过对各阵元的独立控制不仅可以灵活地控制发射波束形状、优化发射声场，而且在接收时可以有效地对波束进行合成。相比于传统超声... 详细信息

超声检测因其具有无创、实时、廉价、可重复等特点，在现代医学影像中发挥着重要的作用。相控阵超声检测通过对各阵元的独立控制不仅可以灵活地控制发射波束形状、优化发射声场，而且在接收时可以有效地对波束进行合成。相比于传统超声检测技术，相控阵检测具有可控性强、扫描范围广、波束优化力优越等特点。相控阵超声波束合成技术包括发射声场控制和接收波束合成两部分。本文研究内容主要包括以下方面： 1、发射声场控制。首先进行了单阵元圆形孔径和单阵元矩形孔径换能器的研究，分析了换能器的声场特性以及波束指向性;然后对相控阵换能器的阵列设计进行研究，提出了分段发射动态聚焦方法，该方法可以使发射声束的宽度均匀一致，提高系统的成像分辨率。 2、对目前的研究热点编码激励发射技术进行了初探，对常用编码发射进行了仿真实验及性能验证，编码发射提高了系统的鲁棒性。 3、接收波束合成。首先研究了动态孔径和幅度变迹等波束处理技术，比较了不同的孔径参数以及变迹方法对合成波束的影响，提出了接收波束处理方案;然后对延时叠加进行了深入分析，针对不同的分数延时方法首次尝试将farrow分数延时应用于数字超声系统，在节省系统存储资源的情况下提高了波束合成质量;最后对多波束并行接收进行了研究，实现并行接收算法，并对多波束接收过程中产生的波束扭曲进行了矫正。 4、系统实现。利用Sonix MDP超声诊断系统、Sonix DAQ数据采集系统、通用多组织超声模体040GSE以及Field II、MATLAB、Visual Studio2010搭建了硬件平台和软件平台。在该平台上实现对超声成像系统的数据采集，实现和验证了相控阵超声检测的波束合成技术。

关键词：相控阵超声分段发射波束合成分数时延 farrow滤波器

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宽带抗干扰天线中的数字波束合成算法研究

宽带抗干扰天线中的数字波束合成算法研究

作者：王秋实重庆大学

学位级别：硕士

伴随科技进步和时代发展,阵列天线技术已然成为决定我国国防军工建设、航空航天探索,同时关乎民生之利的关键技术之一。抗干扰天线,作为阵列天线技术中的一个主要领域,首当其冲地成为研究的热点。其中,宽带抗干扰天线数字波束合成(Digit... 详细信息

伴随科技进步和时代发展,阵列天线技术已然成为决定我国国防军工建设、航空航天探索,同时关乎民生之利的关键技术之一。抗干扰天线,作为阵列天线技术中的一个主要领域,首当其冲地成为研究的热点。其中,宽带抗干扰天线数字波束合成(Digital Beamforming,DBF)是阵列信号处理中的一个重要内容。它的本质是通过调节阵列天线中各个阵元信号的加权值,改变阵列功率方向图,使波束主瓣指向期望信号方向,零陷对准干扰信号方向。该技术常用于雷达与无线通信等领域,并且从军工应用不断向民用市场扩展,有着巨大的研究价值与发展潜力。以往雷达和通信系统中收发信号一般都是窄带的,但是随着技术进步,宽带信号体制以其特有优势,成为抗干扰天线发展目标之一。因此,本论文选择针对宽带抗干扰天线中的数字波束合成算法展开研究工作。研究内容主要包括四部分:(1)相比于传统雷达及通信系统中使用的窄带信号,宽带体制下要求阵列天线发射与接收宽带信号。阵列信号收发时的幅度与相位变化都需要严谨考虑,不可忽略,因此在构建宽带信号体制下的阵列信号数学模型时,与传统窄带信号数学模型不尽相同。为方便算法解析说明,以均匀线型阵列为基础,作为阵列天线模型,进而建立宽带阵列信号的数学模型。(2)在阐述本文研究的宽带抗干扰天线数字波束合成算法前,首先对常见的宽带抗干扰DBF算法进行介绍分析,作为理论基础与依据。这主要涉及基于空时结构和空频结构的算法。基于空时结构的宽带DBF是采用经典的抽头延迟线结构,通过不同准则下与之适配的空时二维滤波算法进行波束合成。而基于空频结构的宽带DBF有两种:ISM算法和CSM算法。本论文重点研究的是基于空时二维结构的宽带DBF算法。(3)空时二维结构的传统宽带抗干扰DBF算法在工程实现方面,有明显不足;因此提出一种基于数字延时滤波器架构的宽带抗干扰DBF算法。新的设计方案中,首先利用数字延时滤波器对接收的宽带信号数据进行延时补偿处理,使其等效于入射方向垂直于阵面。然后采用无需矩阵求逆运算的,基于LMS迭代的空时二维抗干扰滤波算法(Frost算法)完成数字波束合成。仿真结果证明新算法在宽带信号体制下,能够使主瓣对准期望信号方向,零陷对准干扰信号方向;对期望信号保持高增益,对干扰信号实现有效抑制。同时,降低算法计算量。(4)针对本论文提出的宽带抗干扰天线DBF算法与架构,其实现前提要求宽带阵列信号先通过数字延时滤波器进行延时补偿。因此,本论文研究了数字延时滤波器的设计方案。普通数字延时滤波器虽然结构简单,但系数更新不足以应对实际环境中延时变化的要求。本论文研究了farrow结构数字延时滤波器,能够更加灵活和高效地进行延时滤波,提高延时精度,降低计算量,容易在硬件平台实现。并且,论文中给出一种经过加权优化后farrow滤波器系数的求解方法,使滤波器性能进一步提升。

关键词：宽带抗干扰天线数字波束合成空时二维 Frost算法 farrow滤波器

通信数字接收机中载波和定时同步方法的研究与实现

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通信数字接收机中载波和定时同步方法的研究与实现

作者：李非广西师范大学

学位级别：硕士

随着数字通信技术的发展,通信系统的应用场景越来越复杂。在诸多应用中,由于多普勒频偏的影响,数字通信系统接收到的中频信号中往往存在频偏的干扰,使得接收端出现解调错误的问题。此外,由于数字通信系统的发送端和接收端采样时钟晶振... 详细信息

随着数字通信技术的发展,通信系统的应用场景越来越复杂。在诸多应用中,由于多普勒频偏的影响,数字通信系统接收到的中频信号中往往存在频偏的干扰,使得接收端出现解调错误的问题。此外,由于数字通信系统的发送端和接收端采样时钟晶振之间存在时钟偏差,使得接收端出现采样率偏差的问题。这就对数字通信系统的接收端提出了较高的要求,而解决这个问题的核心技术就是同步技术。本文针对上述问题,研究了数字通信系统中的同步技术,主要对其中的载波同步和定时同步技术做了改进,获得了新的方法。本文的主要工作包括如下几个方面:(1)对传统的载波同步技术进行了深入的学习,包括平方环、Costas环等,并对其优缺点进行了分析。在此基础上,提出了一种改进的数字Costas环,包括对鉴相器和环路滤波器的改进,提升了Costas环的跟踪性能和载波捕获的速度。MATLAB和FPGA仿真的结果验证了改进数字Costas环的有效性和可靠性。(2)对传统的Gardner定时同步系统进行了深入的学习,重点对Gardner环中的farrow滤波器结构进行了详细的分析。在此基础上,基于farrow滤波器结构提出了一种基于高阶插值滤波器的定时同步方法,通过MATLAB对其进行了仿真性能分析,并使用FPGA实现了基于farrow结构的高阶内插器定时同步系统。MATLAB和FPGA仿真的结果表明基于farrow结构的高阶内插器定时同步系统可以实现更高精度的定时同步功能。(3)使用Xilinx的xc6slx45t型号的FPGA芯片对上述方法进行了硬件实现,通过Xilinx的Chipscope分别测试了BPSK、QPSK和8PSK三种调制方式以及8MHz、4MHz和2MHz三种符号率。实验结果表明,本文所提方法具有良好的载波同步和定时同步性能。本文在数字通信的载波同步和定时同步方法上的研究取得了一定的成果,达到了研究的预期。

关键词：同步技术符号率检测载波同步定时同步 farrow滤波器

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数字卫星广播系统采样时钟同步方法

通信技术 2011年第1期44卷 11-12,15页

作者：刘斌彬葛启宏王秋生曹晓卫北京泰美世纪科技有限公司北京100097

针对数字卫星广播系统中采样时钟偏差会严重影响接收性能的问题,提出了一种采样频率和相位同步方法。该方法利用迟早门进行采样误差估计,利用farrow滤波器进行插值处理。通过采样频偏调整环路控制farrow滤波器,实现采样频率和相位同步... 详细信息

针对数字卫星广播系统中采样时钟偏差会严重影响接收性能的问题,提出了一种采样频率和相位同步方法。该方法利用迟早门进行采样误差估计,利用farrow滤波器进行插值处理。通过采样频偏调整环路控制farrow滤波器,实现采样频率和相位同步。实验结果表明,该方法能够在高强度噪声干扰和较大载波频偏环境下,快速准确的实现采样时钟同步。该方法还可以广泛应用于数字地面广播、数字移动广播等多个领域。

关键词：数字卫星广播采样时钟同步迟早门 farrow滤波器

数字真延时宽带波束形成原理的硬件演示和验证

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航天电子对抗 2020年第3期36卷 41-45页

作者：郭明张书瑞中国电子科技集团公司第38研究所安徽合肥230088 南京理工大学江苏南京210094

随着带宽需求的增加,使用移相器的数字波束形成技术会出现波束指向偏差等问题,而基于数字真延时的宽带波束形成,可以很好地解决这个问题。为了验证基于数字真延时的宽带波束形成,首先介绍了farrow滤波器,用此滤波器实现数字真延时,并引... 详细信息

随着带宽需求的增加,使用移相器的数字波束形成技术会出现波束指向偏差等问题,而基于数字真延时的宽带波束形成,可以很好地解决这个问题。为了验证基于数字真延时的宽带波束形成,首先介绍了farrow滤波器,用此滤波器实现数字真延时,并引入均衡器来补偿通道间特性的不一致;其次给出了farrow滤波器和均衡器的FPGA设计,构建了数字真延时宽带波束形成验证系统;最后按照实验步骤,得到均衡效果和波束形成结果,验证了基于数字真延时的宽带波束形成能够实现准确的指向,方向图性能优越。为数字真延时宽带波束形成的应用提供了理论和技术支持。

关键词：宽带数字波束形成数字真延时 farrow滤波器通道均衡

OFDM系统采样钟补偿算法及其FPGA实现

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电讯技术 2007年第4期47卷 32-36页

作者：吴炜钱良徐友云上海交通大学无线通信研究所上海200240

利用数字内插滤波器完成全数字域采样钟同步已广泛应用于OFDM数字接收机中。文中利用两个farrow结构的内插滤波器,同时提高工作时钟对过采样信号进行数字域内插,完成接收端和发送端之间的采样时钟的完全匹配,并且根据硬件器件的特性和... 详细信息

利用数字内插滤波器完成全数字域采样钟同步已广泛应用于OFDM数字接收机中。文中利用两个farrow结构的内插滤波器,同时提高工作时钟对过采样信号进行数字域内插,完成接收端和发送端之间的采样时钟的完全匹配,并且根据硬件器件的特性和算法结构,逐级进行模块变量定点处理。基于实测数据的分析表明,该FPGA数字域采样钟补偿算法不仅有稳定的性能,而且其模块化设计也有利于更高阶算法或多通道系统的实现。

关键词： OFDM系统数字接收机内插采样钟同步 farrow滤波器

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一种高效、灵巧的多通信信号产生方法

电子设计工程 2014年第8期22卷 142-144,148页

作者：常琪韩煜黄雅峥王飞通信信息控制和安全技术重点实验室中国电子科技集团公司第三十六研究所解放军93575部队

针对通信对抗复杂战场电磁环境模拟的要求,设计并实现了一种资源高效利用、样式灵活可变、参数实时可控的多通信信号产生方法。该方法经过高速缓存循环读取、通用数字正交调制、法罗滤波器内插和多通道信号合成后,产生多路不同体制、不... 详细信息

针对通信对抗复杂战场电磁环境模拟的要求,设计并实现了一种资源高效利用、样式灵活可变、参数实时可控的多通信信号产生方法。该方法经过高速缓存循环读取、通用数字正交调制、法罗滤波器内插和多通道信号合成后,产生多路不同体制、不同样式的通信信号来模拟复杂战场电磁环境。在XC6VLX240T FPGA上,对信号产生方法进行了软硬件[1]实现,通过DAC5688在140 MHz中频,60 MHz带宽内输出多路信号模拟。结果表明,该方法能够同时产生10路样式、码速率、幅度、频率均实时可变的常规、扩频、数据链或跳频通信信号,中频带外抑制优于60 dB,带内互调失真优于40 dB。

关键词：多信号产生 farrow滤波器数字正交调制 FPGA实现 digital quadrature modulation (DQM)