云南大学生创新创业训练计划项目.docx

云南省高校生创新创业训练支配项目立项申请表推荐学校：云南高校项目名称：低频射天线阵终端黝据传揄网络谩升项目申报类别：创新训缥所属一级学科名称:一信息与通信工程申人：奉符好所在学院及年级：信良学院2012级指导教师：何生4单位和职称：住文学除1J填表日期：2()13隼4口40日云南省教化厅制2012年2月填表说明1 .中报书各项内容，必需实事求是，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，不得破坏后面衣格的完整和美观。对于填写不合要求、内容模糊不清、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化厅高等教化处网站自行下载或翻印，但格式、内容、大小应与原件相同。一、项目申请人状况印清人姓名李冠君性别男民族汉诞生日期19943-2所在学院信息学院专业、班级电子信息科学与技术12级项目名称低频射大规阵终端数据传输网络设计通讯地址云南省昆明市望更县东外环南路云南新校早.页校区楠院5幢A308电话项目类别创新训练创业训练口创业实践项目周期2年所属学科专业天文技术与方法申请人参与科研的经脸自何年月至何年月参与的项目担当的工作项目组其他成员（不超过5人.不包括申请人和指导老师）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I1.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、拟申报项目状况（一）项目介绍（探讨目标、探讨背景及现状、工作原理和方案设想、支配进度支配等）1、探讨背景、现状及目标低频射大战阵探讨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、伽号成像技术、而辨别探刈器技术（位置辩别和能依辩别和偏振测敏技术、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、红外和无畿电技术，自动限制技术和机械等.如图1所示.甚低颇波网具有丰富的天体文现象和辐射,由于其低频的观测如此之少，在这个波段发觉没有预料到的全新现象的可能性不行低估.Io1.>,1.*Vt1.r星ernwx图I波段的射电波段潦做知谱.左:太阳和银河系.It大行星自1970年头以来，我国射电天文在米波到皂米波频段有了长足的发展，并且在米波段实现了综合孔径陈，在里米波段实现了t氏基线干涉测收（V1.BI）技术，在厘米波段参与了国1.ARMA支配，近年来在国际1平方公里接收面积射电阵、600MHZ75GHZ太阳射电连续谐成像仪、60230MHz固定方向低顺宇宙射电防等观测技术领域也取得了很大的进步.在十米波测量矮域.今年还在空间项目论证，如月面射电阵、空间低痂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的天文台在进行共低频射电天文肺观观测，如乌克兰的UTR-2天线阵、法国南希天文台、日本东北高校f氏侦干涉阵、美国弗罗里达天文fr和爰威夷天文台等.这些天文台目前的空间疥别本"在木星跳离上不足10角分.目前它们和建设中的1.oFAR和SKA澳大利亚方案可以供应的甚低频宽带观测，但是还没有系统开展干涉测量观测，尚未达到建立太K1.CMEWitiff1.设模型和木星射电辐射机制模型的实力.为此发展我国自己的砧基低频射电观测网具有特别虫大的意义。“工欲替其事必先利其器”,要进行低频射电成图观测，首先必需进行单站隹设和初步的观测.那么总站关彼技术问题的议讣将至关曳要.中国科学院云南天文台作为我国晶堪低频射电观测网的Hi要成员，提出研制快:低频单观测站关键技术的探讨.本探讨将主要开展2(MWMHz版段的地基其低版和低颇射电天文技术研发.整体链路图如下：图3拘设计的整体融路框困本创新项目主要探讨上述过程中终端数据数字化处理的部分,我们旨在探时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E1.轴电缆简单受到温度、湿度、压力以及形变等因素的影响，产生相位变更，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腋颈问题，可设计运用一种眼于可编程门阵列(fie1.dprogranmnb1.egatearray,FPGA)的高速实时数据传输方案“该方案借助Xi1.inxFPGA的ChiPSynC技术，稳定地完成了数据的小化，锦申，以及通信胜路相对延迟的精确测量和谓整.同时，利用提出的数据传输同步方法-系统同步和举行低压差分信号(IOW-VOIIaKCdifferentia1.SignHIIng.1.YDS)总线技术实现板卡间大量数据的拓速传送,可有效地保证了多通道传谕的同步性和军毒性,并大大降低了系统互联的困玳度和系统成本，在数据传输时,针对相位调制格式的调制和解词方法的不成熟以及对相位调制系统中相位噪声的探讨的不完善,对相位调制格式绽开深化的探讨.首先探讨了相位网制器和强度诩制解调器的工作原理，以及DPSK和MPSK的具体调制解调方法，提出了一种推导DQPSK预编码器逻辑衣达式的方法：然后比较了各种相位调制格式的色散容限和非线性容限,仿式结果表明基于CRZ的相位调制格式性能最优：最终对相位噪声进行具体分析，从相位噪声的统计模型动身，如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奉相确发达式，两制相位的儡移.本项目拟研发一款“低频射电天战阵终端数据传输网络系统Z该系统目标是解决因相位变更即无法同步的问即搭建终端数据传输网络.基于此，我们主要探讨内容和目标如卜(I)首先选取适合低版数据采集的ADC芯片，无失真采集低痂射电信号15M1.1.z-75M1.1.z,尽:鼠果纳多bi1.城化，使之能达到良好的抗干扰效果；(2)采纳高性能FPGA作为ADe的限制芯片,实现限制ADe的采样节拍，输入信号的预泄波处理以及编码等功能；(3在EPGA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，然后传入岛逑千兆网芯片，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.我们主要解决的何时1.诲速采样ADC的选取及预处理系统的设计；2、传尬族路扰动引起的相位不检定的矫正：3、构建终端数据传输同络.2、工作原理和方案设想1)片速采样ADC的速取及覆处理系或的设计高速ADC有几个卡要的卷数，1.来科速以fsamp1.e2,输入信号带宽(inputbandwidth)；3.无杂散动态范困(SFDR);量化位数(samp1.ingbits)：采样速度确定了能好处理的信号带宽，B=JINVzz/2:输入信号带宽确定了前湍模拟抗混会谑波器带宽：无奈散动态范围越大确定了该ADC在突发性强信号状况下产生的做i,睦少，提高了抗干扰性能，该参数在无线电环境困难的甚低版观测中极为重要Ift化位数确定fADC能够处理的最大动态范用.依据闻名的量化信噪I匕SNR与量化位数n之间的美系式：SNR=6.02x+1.72(dB)对于甚低频波段50dB左右的RH.至少应选择10位以上的ADC.2)制Wft扰动引起的相位不舞定的矫正低颇射电天线阵具有天线体积大.分布面积广的特点从各天线胞元接收到信号经过低噪声放大器初步放大，通过数控移相器诳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地化.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：对于N阵元的天线阵的加权向求为："1e"JW*in"+(y)a(0)=/，必初心,NIA(AdsindrS)5为相控阵调相参数，在志向状况下，我们认为每根电缆产生的相位差忸定,则3包涵了两部分：1.由移相零引起的相位差&这是天线阵调相所须要的.通过变更必即来调成天线阵指向：2.来自长电缆引起的相位差朱,假如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，心区并不忸定,因此：田”=怎M+aw,+A黑其中，邑,为自然环境影响给整个天践阵加权向量带来的影响，必需修正这个参数，否则无法得到天线阵志向的方向图。传统的方法是通过测域当前的温度，湿度等信息,通过电缆材料在不同潮度、湿度下的变更状况的阅历值来修正Aaw,这种方法无法克服其余电子元件,例如：前端放火器,移相器以及射领接头带来的影响，并且阅历值引入的误差也是无法消退的。3、支配进度支配2014.1-2014.5完成云南天文台本部的无燃电环境测试资料收柒和整理2014.6-2014.8完成不同源波器的设计，包括软件仿真、电路板设计等,通过试脸检测:同时依据滤波器增益/衰减状况，估计放大器增益：同时起先ADC、FPGA等数字器件的选型与选购：2014.92014.12完成放大器设计,包括软件仿真、电路板设计等，通过微波测试检测其增益、噪声状况等,同时连接延波器模块检测相位响应状况：设计完成两种相位校正电路样机设计：2015.1- 2015.5完成放大器+源波港+相位校正电路的测试2015.6- 2015.9完成系统集成以及试验样机的制作2015.10- 2015.12完成相关俺料的整理以及论文的撰写，项目的验攸（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<>本项探讨重在耨决低脓天线即中里要的关城部件：数字采样电路和终端观测：< 2>由于低频天线阵具有天线数埴大、须要接收机电路多的特点,为此须要在统一化和成本上做出考虑.本项探讨4从系统上考虑上述问应，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.同时本项探讨的成果可以作为将来批Jft化天线阵接收单元，大大降低成本。< 3）云南天文价重要的天文观测台站.在云南天文台首先实现单价站观测具有很大的现实意义.可以在技术枳累、人才培育上做出贡献.< 4）在试验硬件器材中，像FPGA套件可以借用我们信息学院创新试验室购买的器件,可以节的经费,解决经费中试的器材费用不足的问起.2、拟实行的探讨方案及可行性分析1）无线电干扰M测故共低频无线电干扰如下图所示:长Ie济于大现快I-E图9无线电干扰测嫉系统图无找电干扰溯眠须饕溺状两个旋项,同时由于阵子天段的方向图较宽只须要测吊4个方向即可.同时调整可调衰减涔.使得1.NA不至于饱和.依据IOfar和1.WA的监测无线电环境的阅历,此项工作须要连续测敢一个月以上。2）多油波号方案选舞通过无设电环境监测得到的频谱数据设计多个谑波器通带方案，并通过数控微波开关选通须要的港波器：raio乡这波器选挣方案微波开关IMaSU.8P】QSdFrequencyM图11多滤波JMfi出痂谓图3）商速采样电路的设计首先选择合适的ADC芯片，共有3“款ADC符合在100MHZ以下的信号采集：芯片名称果样速度（MSPS）量化位数SFDR(dB)输入带塞（MHZ）X12152501275700AD923O-25O2501279700xD9626-2502501280700ADS62P492501485500这些器件全部来纳IVDS接I1.输出，有效地保证了输出数字信号的完整性并旦降低了混合信号电路板中数字部分对模拟部分开关噪声的干扰.项目组也将在本项目中采纳1.VDS接I】技术提高采样点路的信噪比。采样结果数字信号的接1.1.、缓冲和传给部分,项目组将采纳FPGA+ARM的方式实现.FPGA（A1.tera公司的CyC1.OneIV系列）负击通过WDS接口读取和缓冲ADC采样得到的数据：板我的ARM处卉器（ST公司的ConeX-M3系列ARM处理器）则例贲从FPGA畿冲中读取数据，并将其通过以太网传黜至数据存谛、分析中心,同时完成对时钟琮合器的限制.在PCB设计方面，本项目将来纳“多内层覆铜技术”降低PCB电源内阻和板内EMeF扰，井米纳在46层射频PCBI：艺，依据现有资料和前期试验结果,可以保证上衣中的ADC达到技术手册规定的技术指标.4）相位校正技术的探讨关于相位矫正技术我们拟采纳两种方案来进行探讨A.采纳GPS信号授权信号源初始状态+相位检测芯片的方案：如F图所示：图门必JGPS+>nsG弓源运行相位延迟测策采纳GPS按时限制把阵元定标信源信号，使之达到相t源的I1.的；采纳相位检测芯片，将两两信号的相位差转换为与之对应的电通过数据采集分析得到相位差.1 .首先各阵元天税定标伯源限制板与GPS接收电路相连，限制板读取并分析GPS接收伯号的时间信息。通过在限制板上预置定标时间，GPS接收电路起到为信源限制板授时的作用。采纳DDS芯片AD9852作为信源产生芯片当定标时间到达时,各个信源限制板向信号源电路写入初始发出相位和频率参数，并同时启动信号源，这样在GPS的I可步限制下，各阵元的定标信源同时刻发出了同相位，同频率信号：2 .各阵元天线也到的信号和定胡信源佶号通过一个微波开关可选择的接入到前用1.NA中，当进行观测时微波开关接通天践信号，当进行定标时微波开关选齐定标信源输入；3 .在每阵元天线接收处路的后却，用一个二功分器.一路接入合路器,另一路全部接入微波开关：4 .通过微波开关的选择，旬次选择两输入信号进行相位差比较,我纳相位株测芯片AD8302作为相位检测系统的核心,符相位差信号转化为与之对应电某信号.5 .同时将中心阵元的定标信号作为参考，计算得到姆阵元接收钺路相对于中心阵元相位差，这个相位差减去在当前加权条件下的两阵元的相位差即是受自然条件影响产生的相位差。6 .同时将中心阵元的定标估号作为参考,计第得到每阵元接收陵路和时于中心阵元相位差，这个相位差减去在当前加权条件下的两阵元的相位差即是受自然条件影响产生的相位差。B.利用前端干正采集增加GPS时间信息由光纤传输,如下图所示：图14次燃光纤组建教据传取代传统模式该项方案首先选取适合低频数据来嬖的ADC芯片,无失真聚集低频射电信号15MHz-75MHz.尽量采纳妥bit"：化.使之能达到良好的抗干扰效果：果纳岛性能FPGA作为ADC的限制芯片，实现限制ADC的采样节抽.输入信号的预泄波处理以及编码等功能：<）预期成果（成果的具体形式，如：申请专利、公开发表论文、制作科技实物（含软件程序）等,可以同时有多种成果形式）1 .研制胜利初步的面速ADC一光纤传输前端电路2 .建立起基于FKiA的数据处理平台3 .完成三项指标：采集15-75MHZ段信号、按处理以及光纤传输4 .实现网络的访问和移动设符上对采集数据的读收5 .完成对采集数据的监控平台6,川终完成一部试脸样机，为将来大规模大战阵和天文观测打卜基础7 .发龙高顶里论文34篇,专利I-2项.(四)参考文献1.S.E1.1.ingson.'*1.ongWave1.engthArrayStationArchitectunjVS1.OJ1.WAMemo119.Nov19.2007.J1.phys.unm.edu,'*1.wa'menos/.(2 S.E1.1.ingsonM.HaruntK.1.ee,oEvaIuationoftheAD9230andAD9211Ana1.og-Io-Digita1.ConvertcrsJ'1.WAMemo112.Dec32007.:/phys.unmedu,>>1.wa,men>s.z.(3 R.DUninandP.S.Ray,RadioFrequencyInterference.Ana1.ysisofSpectrafromtheBigB1.adeAntennaatthe1.WDSitCJ1.wAMemoX4.March23,2007.(4 D,W,A.Tiiy1.ofIII.DesignOfUIiniwidebandDigitizingReceiversfor(heVHF1.owBa1.M.S.Thesis.VirginiaPo1.ytechnicInstitute&Stateuniversity.2006.5JP.S.Ray.e<a1.>Speci.caiionsOfIheGSEAinennas."1.WMemo40.June14.2006.(6JN.Paravastu.,AntcnnaDesignfor1.WA-1."1.WAEngineeringMemoAN11XK)7,Aug29.2008.(17) B.Hicks,B.Erickson,Bias-TDesignConsiderationsforIhcIAVAZ1.WAMcmo135,Apr29(18) M.Harun.S.E1.1.ingson.DesignandDeve1.opniun1.ofaPaHotypeADCfor1.WA.*'1.WAMemo(19) SV.E1.1.ingson,VAntennasfor(heNexcGenerationof1.owFtvquencyRadioTe1.escopes."1.WA(20) H.V.Cane."SpectraofIhCnon1.heE1.a1.radioradia1.沁nfromtheGa1.acticpo1.arregions.*Mon1.h1.yNoticeRoya1.Astnnomica1.Society,vo1.189,p.465,1979I引J.Craig,S.W.E1.1.ingson.X1.aboratoryMeasurementsoftheBrassboardARXj1.WAEngineeringMemoARX(K)14.October9.214S.E1.1.ingson,UnSi1.uEva1.uationof(heETAAna1.ogSigna1.Paikw1.WAMemo46.Aug11.2006.(15S.EJIingson.J.Simonc1.ti.andC.Patterson.'DesignandEva1.uationofanActiveAntennafora29-47MHzRadioTe1.escopeArrayj1.WAMeno60»IEEETrans.11.andProp.,Vo1.55,No.(16J.Craig.ARXStrawmanDesign."1.WAEngineeringMemoARXOO(MA.May1.2008.三、指导老师倚况及对申请人和申报项目的评价姓名何乐生性别男民族白政治面貌中共党员“湫36最终学历博士职务无职称辟期技专业信号采集与处理所在学院信息学院探讨方向信号处理通讯地址昆明市翠湖北路2号云大信息学院m650091电话电子信箱(C-mai1.)H当前从事的教学、探讨工作简介：当前主要从4'嵌入式系统”、“数字信号处理涔二“虚拟仪器”和“现代数字信号处理实践”等课程的教学工作.主要从事现代信号采集、处理方法和理论的探讨.以及嵌入式系统理论及应用等方面的探讨，作.对中诂人的专业基础、工作看法、学风及探讨实力的评价：申请人专业邮础扎实，学习成果优异，多次获得三好学生和奖学金，是信息学院一群优秀的学生，'1'请人在前期的预研工作中方法仔细,并呈现出肯定的科研实力,应当有实力完成申请书所规定的探付工作.学习看法端正,学风优良,具有成为科研人员的潜鲂.对申请课题的价值、探讨方案的可行性、工作基础等方面的W价：低频天线阵的探讨是近年来射电天文探讨领域的热点,大批的天体物埋学家和无线电专家在这个制域庆祝了大状的精力，并取得了较大的进展。本课从信息学院学生所学专业入手，鹿依据“软件无线电”的探讨思路本著尽量将数字化部分前移的胆路.对低频天线阵的数字终端进行探讨具有重要的意义和价值”虽然低频天斑阵本身是设计领域广，旦碓度很大的探讨领域,但本课应旨在探讨低频天线阵元的数字终珀问题，贴近卬清者专业，具有很强的可行性.在中谛本课胞之前，申i?t者己经在指导老师指导下学习了软件无线电的基本学问.以及EKiA编程基础.并对数字终端的核心AD转换器的限例进行了肯定的预研工作，因此巾清者对于本课题具有.肯定的工作基础。指导老师(签名)：何乐生2013年5月8日四、申请资助金额和经费预算0经费资金总额及来源（单位：万元）共计上级部门立项资助学校配套经费学院配套经费21.01.0预算支出科目支出金额预算依据及理由1、测试费、分析费0.3云南省天文台的数据测试和分析等2,图H、资料费03大瞅关于天文、数据同步、滤波和RndriOd系统开发等的书籍和资料3、小型会议0.1与导师之间小里会议汇报完成迸度、优化方案等4、交通费0.1查找资料、云南天文台测试数据等的交通费用S、试脸材料由0.4ADC.FpGA等6、参观考查费0.2参观、考察云甜省天文台等7、专家指导的0.3寻求专家指导和解决实际遇到的困难等8、其他03发表高质乐论文版面费等总计2.0（注：质量工程领导小组办公室将依据项目申请资助金额凹凸分批次评审遇选，且同一批次不合格项目不再进入下批次遴选，请各高等学校对经费检合理预算五、审核看法申请人所在学院审核看法：该项目申报书中各项状况真实可信,经费预算合理,学院在经物和试验条件I,.将给与支持。学院将负由各方关系，给课鹿组成员供应最大便利，保证课SS版当进行。学院同意立项.学院负贲人签名：学院公章：2013年S月8日学校审核看法：该项F1.经我校高校生创新性试验支配专家委员会评审、论证，该项目难度适合本科学生,符合创新性试验支理的理念,同意举荐该项目立项.假如该项目立项获批.学校将赐予1：1的经费配套支持，学校负责人签名：学校公章：2013年5月811云南省高校生创新创业训练支配工作领导小组审核看法：同意该项目为云南省高校生创新创业训练支配资助立项项目，资助金额元。口不同意立项建设。云南省高校生创新创业训练支航工作领导小组办公室（高教处代章年月日