基于软件无线电的射电天文接收机设计

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射电天文是天文学的一个重要研究领域。射电天文学以无线电接收技术为观测手段,观测的对象遍及所有天体。对宇宙中各类天体的观测是射电天文学的主要内容之一,对星体的观测活动可以为天体动力学、引力物理、致密天体学、系外行星研究提供重要的科学实验数据。目前很多场景下对数字接收机提出了观测不同波段的信号的要求,而受限于射频前端,很多数字接收机本身只能接受固定频段的信号进行分析和处理;外场射电天文科学观测活动中,往往需要大批量铺设观测设备,这时设备的便携性和成本因素就成了难题。人们对宽频带、多通道、更加灵巧的射电接收机的需求越来越强烈。本文针对现有场景对于射电天文接收机多方面的需求,设计了一款可以支持多频段观测、包含射频前端、六通道输入的灵巧型射电天文接收机系统。首先对国内外在射电天文接收机上的主要研究工作进行了调研,决定采用软件无线电的架构来设计本次射电天文接收机系统。然后完成了接收机系统硬件平台SDR核心板和数字主控板的设计。其中SDR核心板负责六通道射频信号的接收、放大、滤波、下变频到基带并进行模数转换为数字信号。数字主控板则负责接收来自SDR核心板的数据,并进行后续信号解析处理。核心板和主控板接口使用了与实验室设计的ARM-RSR等设计中使用的其他大规模信号处理FPGA等模块同样的高速接口,以便在以后的应用中可以和那些模块一起构成规模更大的射电信号处理系统,应对更复杂要求更高的应用场景。接着完成了FPGA内部数字信号处理逻辑设计,实现了六路通道数据的解码、同步、封装、传输给上位机的功能。之后对软件系统进行了设计,包括基于PS端的主控模块和上位机软件两部分。主控模块通过C语言实现对底层硬件的控制以及LWIP通信模块,上位机软件部分采用Matlab实现了GUI设计,集成了多种指令集。用户可以通过发送指令和主控模块实现数据交互,从而直接对硬件的各类寄存器实现参数读写,从而配置系统不同的工作模式。最后对整个系统进行了细致全面的测试,包括上位机软件测试,外部射频本振测试,系统接收通路测试等多方面进行了系统验证,实验结果表明所设计的射电天文接收机系统满足指标要求。
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