综合孔径微波辐射计的高速数据采集传输设计

论文摘要

在当前全球气候变化的背景下,台风等极端天气事件频发,为了降低其带来的重大损失,需要能够更加准确地刻画全球气候的亮温时空分布特征、变化规律,这就对辐射计的空间分辨率提出了很高的要求。传统的真实孔径微波辐射计受天线物理尺寸限制,空间分辨率极为有限,而应用“综合孔径”技术则可以有效缓解这个瓶颈,然而在应用综合孔径技术的同时也要付出一些代价。为了构成高空间分辨率的综合口孔径辐射计系统,需要在天线阵列中放置大量的天线接收单元,这将使得辐射计面临很高的硬件成本和制造难度;而且在未来潜在的应用中需要更高的空间分辨率,阵列中的天线数将相应增加,信号采集通道规模迅速上升,达到数十路甚至数百路。利用如此多的接收信道会面临极大的挑战。综合孔径辐射计庞大的系统规模和高系统复杂度使其难以采用集成的方式实现数据采集系统,因此搭建系统只能采用分布式的结构,同时这就要求数字系统实现板间同步采集和高速数传。基于以上情况,本文针对航天探测任务中庞大的系统规模和数字系统,提出并设计了一种基于分布式相关系统下的高速数据采集和传输系统,通道数24路,采样率60Msps。数字系统主要围绕AD采集板、数控板、后端相关板三大部分进行设计。具体内容主要包括以下几点:（1）硬件方面,在子板与相关板间摒弃传统的电缆而采用光纤实现数据传输,利用Xilinx提供的Virtex-5系列FPGA内置的Rocket I/O GTX收发器为物理层,实现多数字采样阵面与大规模数字相关后端单元之间的高速光纤链路;为了实现数据的同步采集,本文以60MHz采样时钟为例,基于多级分发的思想设计了高性能的同步时钟分发链路,完成芯片选型,并实现了同步数据采集的控制逻辑设计。（2）在FPGA程序设计上,为了实现高速数据的串行传输,本文以XC5VFX130T内置的GTX高速收发器为物理层完成数据的并串转换、封装解析、发送接收等功能,并基于Aurora协议实现了数据传输的逻辑设计;针对本文提出的时钟同步方案,在ISE环境下对完成多通道数据同步采集的控制逻辑,并分析同步性能。（3）进行实验分析,首先在板卡上测试不同通道的同步数据采集,利用chipscope观测波形并在MATLAB中对各通道采集序列进行拟合,得到各通道波形的相位信息。分析多次测量结果可得,不同通道间的相位延时小于1.5°,相位抖动约0.1°,满足AD采集对相位同步的要求;验证数据传输功能,测试发现系统误码率小于107-,实现了分布式系统下数据的稳定、可靠传输。综上,该系统满足数据采集传输需求,适用于大规模综合孔径微波辐射计的数字系统设计。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 引言
•   1.1 研究背景
•     1.1.1 综合孔径微波辐射计
•     1.1.2 分布式数字相关系统
•     1.1.3 高速串行传输技术
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 课题研究内容及章节架构
• 第2章 分布式数字采集传输系统的硬件设计
•   2.1 数字系统整体设计方案
•   2.2 A/D采集
•   2.3 数控板及时钟分发链路
•   2.4 触发信号分发链路
•   2.5 数字后端板
• 第3章 分布式数字采集传输系统的控制逻辑设计
•   3.1 数据同步采集
•   3.2 高速串行传输
•     3.2.1 收发器工作原理
•     3.2.2 高速串行收发器设计
•     3.2.3 Aurora协议原理
•     3.2.4 IP核配置及数据传输设计
• 第4章 系统测试及结果分析
•   4.1 数据采集实验结果
•   4.2 数据传输实验结果
• 第5章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 毛戌宁

导师: 刘浩

关键词: 综合孔径辐射计,分布式,高速光纤链路,同步采集

来源: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 气象学,工业通用技术及设备,自动化技术,自动化技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

分类号: TP73;TP274.2;P407.7

总页数: 68

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