基于FPGA的电离层测高仪主控系统的设计与实现

作     者：孙直申 

作者单位：中国科学院研究生院 

学位级别：硕士

导师姓名：刘小军

授予年度：2011年

学科分类：08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：电离层垂直探测 相干累积 脉冲压缩 二相编码信号 现场可编程门阵列 上位机软件 

摘      要：作为在地面进行电离层垂直探测的主要设备，电离层测高仪一直为电离层观测和研究提供科学数据。目前，高性能电离层测高仪均由国外公司和科研机构开发研制，不仅价格昂贵，与系统相关的核心技术不对我国用户开放，而且由于其硬件设计和存储器结构的限制，难以进行新观测模式的研究开发，所以，研制具有我国自主知识产权，适合我国使用的电离层测高仪具有重要意义。\n 本文在分析研究电离层测高仪的基本原理的基础上，设计并研制了一套电离层垂直测高仪主控系统。该主控系统不仅能产生不同载波频率的发射信号，还能够对回波信号进行IQ解调、低速采样，并将采到的数据上传给上位机。\n 本文的主要工作和创新点如下所述：\n 1.分析了电磁波在电离层中的传播模型和电离层测高仪的工作原理。\n 2.提出了电离层测高仪主控系统的一种集成化设计方案，发射信号中心频率0.5-30MHz。\n 3.以模块化的设计理念设计了主控系统各个模块，包括发射信号产生模块、一级混频模块、回波信号IQ解调模块、采集模块和通用串行总线(USB)接口模块等。\n 4.在XilinxISE开发环境下使用VerilogHDL开发了电离层测高仪主控系统的FPGA固件程序，并用ModelsimSE6.0仿真验证了FPGA固件程序的底层模块，在此基础上结合上位机软件，对FPGA固件程序进行了全面调试。\n 5.基于MFC开发了上位机软件，对电离层测高仪主控系统进行参数设置和实时控制，并接收存储采集到的回波数据，同时将原始数据和经过脉冲压缩处理后的数据以波形的形式实时显示出来。