云南大学生创新创业训练计划项目.doc

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1、云南省大学生创新创业训练方案工程立项申请表推 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 工程 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 2021级指导教师： 何乐生单位和职称： 信息学院 副教授 填表日期： 2021年4月30日云南省教育厅制2021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好和美观。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育厅高等教育

2、处网站自行下载或翻印，但格式、内容、大小应与原件一样。一、工程申请人情况 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级工程名称 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 工程类别 创新训练 创业训练 创业理论工程周期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工程担任的工作工程组其他成员不超过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

3、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、拟申报工程情况一工程介绍研究目的、研究背景及现状、工作原理和方案设想、方案进度安排等1、 研究背景、现状及目的 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，由于甚低频的观测如此之少，在这个波段发现没有意料到的全

4、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开展，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预测量技术，在毫米波段参与了国际方案。近年来在国际1平方公里接收面积射电阵、60015太阳射电连续谱成像仪、60230固定方向低频宇宙射电阵等观测技术领域也获得了很大的进步。在十米波测量领域，今年还在空间工程论证，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的天文台在进展甚低频射电天文常规观测，如乌克兰的2天线阵、法国南希天文台、日本东北大学低频干

5、预阵、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间隔 上缺乏10角分。目前它们和建立中的和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预测量观测，尚未到达建立太阳射电辐设模型和木星射电辐射机制模型的才能。为此开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，要进展低频射电成图观测，首先必须进展单站建立和初步的观测，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20-80频段的地基甚低频和低频射电

6、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工程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，经高速采样之后，我们用进展预处理，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，搭建起数据和机之间的联络。 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( )的高速实时数据传输方案。该方案借助 的技术，稳定地完成了数据的串化/解串,以及通信链路相对延迟的准确测量和调整。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( )总线技术实现板卡间大量数据的高速传送，

7、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本钱。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化的研究。首先讨论了相位调制器和强度调制解调器的工作原理，以及和的详细调制解调方法，提出了一种推导预编码器逻辑表达式的方法；然后比拟了各种相位调制格式的色散容限和非线性容限，仿真结果说明基于的相位调制格式性能最优；最后对相位噪声进展详细分析，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结合概率分布函数，在此根底上，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。本工程拟研

8、发一款“低频射电天线阵终端数据传输网络系统。该系统目的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的如下：1首先选取合适低频数据采集的芯片，无失真采集低频射电信号 1575，尽量采用多量化，使之能到达良好的抗干扰效果；2采用高性能作为的控制芯片，实现控制的采样节拍，输入信号的预滤波处理以及编码等功能；3在内将采集数据进展编码，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

9、端数据传输网络。2、 工作原理和方案设想1高速采样的选取及预处理系统的设计高速有几个重要的参数，1.采样速度 2. 输入信号带宽 ；3.无杂散动态范围;量化位数 ；采样速度决定了可以处理的信号带宽，；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在突发性强信号情况下产生的假谱越少，进步了抗干扰性能，该参数在无线电环境复杂的甚低频观测中极为重要，量化位数决定了可以处理的最大动态范围，根据著名的量化信噪比与量化位数n之间的关系式： 对于甚低频波段50左右的，至少应选择10位以上的.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

10、元接收到信号经过低噪声放大器初步放大，通过数控移相器进展加权形成综合方向图，再由长电缆将多路信号传到固定点集合并进展数字量化。其中，通过数控移相器进展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展观测：图4 天线阵根本构造图对于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，那么包涵了两部分：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，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，并不恒定，因此：其中，为

11、自然环境影响给整个天线阵加权向量带来的影响，必须修正这个参数，否那么无法得到天线阵理想的方向图。传统的方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历值来修正，这种方法无法抑制其余电子元件，例如：前端放大器，移相器以及射频接头带来的影响，并且经历值引入的误差也是无法消除的。3、 方案进度安排2021.12021.5 完成云南天文台本部的无线电环境测试资料搜集和整理2021.62021.8 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、等数字器件的选型与采购； 2021.92021.12

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；2021 .12021 .5 完成放大器+滤波器+相位校正电路的测试2021 .62021 .9 完成系统集成以及实验样机的制作2021 .102021 .12 完成相关资料的整理以及论文的撰写，工程的验收二工程自我评价创新点、实现的可能性、可操作性、可能存在的问题等1、 本工程的特色和创新点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本钱上 做

13、出考虑。本项研究将从系统上考虑上述问题，研制标准化的接收机系统，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，大大降低本钱。 （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、人才培养上做出奉献。（4） 在实验硬件器材中，像套件可以借用我们信息学院创新实验室购置的器件，可以节 约经费，解决经费中实验器材费用缺乏的问题。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以下列图所示：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

14、较宽只需要测量4个方向即可。同时调节可调衰减器，使得不至于饱和。根据和的监测无线电环境的经历，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择适宜的芯片，共有3-4款符合在100 以下的信号采集：芯片名称采样速度量化位数输入带宽()121525012757009230-25025012797009626-250250128070062P492501485500 这些器件全部采用接口输出，有效地保证了输出数字信号的完好性并

15、且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。工程组也将在本工程中采用接口技术进步采样点路的信噪比。 采样结果数字信号的接口、缓冲和传输部分，工程组将采用的方式实现。公司的 系列负责通过接口读取和缓冲采样得到的数据；板载的处理器公司的3系列处理器那么负责从缓冲中读取数据，并将其通过以太网传输至数据存储、分析中心，同时完成对时钟综合器的控制。 在设计方面，本工程将采用“多内层覆铜技术降低电源内阻和板内干扰，并采用在4-6层射频工艺，根据现有资料和前期实验结果，可以保证上表中的到达技术手册规定的技术指标。4） 相位校正技术的研究关于相位矫正技术我们拟采用两种方案来进展研究A. 采用信号

16、受权信号源初始状态+相位检测芯片的方案：如以下列图所示：图13 基于信号源进展相位延迟测量 采用授时控制多阵元定标信源信号，使之到达相干源的目的；采用相位检测芯片，将两两信号的相位差转换为与之对应的电压，通过数据采集分析得到相位差。1. 首先各阵元天线定标信源控制板与接收电路相连，控制板读取并分析接收信号的时间信息。通过在控制板上预置定标时间，接收电路起到为信源控制板授时的作用。采用芯片9852作为信源产生芯片，当定标时间到达时，各个信源控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，这样在的同步控制下，各阵元的定标信源同时刻发出了同相位，同频率信号；2. 各阵元天线收到的信号

17、和定标信源信号通过一个微波开关可选择的接入到前端中，当进展观测时微波开关接通天线信号，当进展定标时微波开关选择定标信源输入；3. 在每阵元天线接收链路的后端，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，每次选择两输入信号进展相位差比拟，采用相位检测芯片8302作为相位检测系统的核心，将相位差信号转化为与之对应电压信号。5. 同时将中心阵元的定标信号作为参考，计算得到每阵元接收链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信号作为参考，计算得到每阵元接收链路相对于中心阵元相位

18、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. 利用前端直接采集增加时间信息由光纤传输，如以下列图所示：图14 采用光纤组建数据传输取代传统形式该项方案首先选取合适低频数据采集的芯片，无失真采集低频射电信号 1575，尽量采用多量化，使之能到达良好的抗干扰效果；采用高性能作为的控制芯片，实现控制的采样节拍，输入信号的预滤波处理以及编码等功能；三预期成果成果的详细形式，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. 研制成功初步的高速光纤传输前端电路2. 建立起基于的数据处理平台3. 完成三项指标：采集15-75段信号、预

19、处理以及光纤传输4. 实现网络的访问和挪动设备上对采集数据的读取5. 完成对采集数据的监控平台6. 最终完成一部实验样机，为将来大规模天线阵和天文观测打下根底7. 发表高质量论文3-4篇，专利1-2项。四参考文献1 S. , “ . 1.0, 119, 19, 2007. .2 S. , M. , K. , “ 9230 9211 , 112, 3, 2007. .3 R. . , “ , 84, 23, 2007. 4 . , , . , & , 2006. 5 . , ., , 40, 14, 2006. 6 N. , 1, 0007, 29, 2021. .7 B. , B. , , 1

20、35, 29 2021. 8 M. , S. , a , 127, 4 2021. 9 B. , N. , (G250R), 120, 12 2007.10 . , , 22, 2005. 11 H. V. , , , . 189, p. 465, 197912 E. , : A , 111 7, 2007. 13 J. , . , , 0014, 9, 2021.14 S. , , 46, 11, 2006. 15 S. , J. , C. , a 29-47 , 60, . . ., 55, . 3, 2007, 826-831. 16 J. , , 0004A, 1, 2021. .三、

21、指导老师简况及对申请人和申报工程的评价姓名何乐生性别男民族白政治相貌中共党员年龄36最终学历博士职务无职称副教授专业信号采集与处理所在学院信息学院研究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 650091 电子信箱()263当前从事的教学、研究工作简介：当前主要从事“嵌入式系统、“数字信号处理器、“虚拟仪器和“现代数字信号处理理论等课程的教学工作。主要从事现代信号采集、处理方法和理论的研究，以及嵌入式系统理论及应用等方面的研究工作。对申请人的专业根底、工作态度、学风及研究才能的评价：申请人专业根底扎实，学习成绩优异，屡次获得三好学生和奖学金，是信息学院一群优秀的学生。申请人在前期的预

22、研工作中态度认真，并展现出一定的科研才能，应该有才能完成申请书所规定的研究工作。学习态度端正，学风优良，具有成为科研人员的潜质。对申请课题的价值、研究方案的可行性、工作根底等方面的评价：低频天线阵的研究是近年来射电天文研究领域的热点，大批的天体物理学家和无线电专家在这个领域庆贺了大量的精力，并获得了较大的进展。本课从信息学院学生所学专业入手，题根据“软件无线电的研究思路，本着尽量将数字化部分前移的思路，对低频天线阵的数字终端进展研究具有重要的意义和价值。虽然低频天线阵本身是设计领域广，且难度很大的研究领域，但本课题旨在研究低频天线阵元的数字终端问题，贴近申请者专业，具有很强的可行性。在申请本课

23、题之前，申请者已经在指导老师指导下学习了软件无线电的根本知识，以及编程根底，并对数字终端的核心转换器的控制进展了一定的预研工作，因此申请者对于本课题具有一定的工作根底。指导老师签名：何乐生2021年5月8 日四、申请资助金额和经费预算工程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根据及理由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、图书、资料费0.3大量关于天文、数据同步、滤波和系统开发等的书籍和资料3、小型会议0.1与导师之间小型会议汇报完成进度、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

24、用5、实验材料费0.4、等6、参观考察费0.2参观、考察云南省天文台等7、专家指导费 0.3寻求专家指导和解决实际遇到的困难等8、其他0.3发表高质量论文版面费等总计2.0注：质量工程指导小组办公室将根据工程申请资助金额上下分批次评审遴选，且同一批次不合格工程不再进入下一批次遴选，请各高等学校对经费做合理预算五、审核意见申请人所在学院审核意见： 该工程申报书中各项情况真实可信，经费预算合理，学院在经费和实验条件上将给与支持。学院将负责各方关系，给课题组成员提供最大方便，保证课题顺利进展。 学院同意立项。学院负责人签名：学院公章： 2021年5月8日学校审核意见： 该工程经我校大学生创新性实验方案专家委员会评审、论证，该工程难度合适本科学生，符合创新性实验方案的理念，同意推荐该工程立项。假如该工程立项获批，学校将给予1:1的经费配套支持。学校负责人签名：学校公章： 2021年5月8日云南省大学生创新创业训练方案工作指导小组审核意见：同意该工程为云南省大学生创新创业训练方案资助立项工程，资助金额 元。不同意立项建立。 云南省大学生创新创业训练方案工作指导小组办公室高教处代章 年 月日17 / 1717 / 1717 / 17