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小型测控应答机的研制与改进

作　者: 周阳
导　师: 金仲和
学　校: 浙江大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 小型测控应答机接收机电路载波跟踪环锁相环理论频率合成器
分类号: TN927.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

测控应答机作为卫星的关键子系统,是星地通信中的主要通道,它的正常工作与否决定了卫星任务的成败。随着微小卫星的发展,对测控应答机也提出了更高的要求。微小卫星所使用的测控应答机必须具备功耗低、体积小、重量轻、功能完善的特点。而国内现有的测控应答机除了在性能指标上可以满足微小卫星的要求,在体积和功耗上均无法满足其要求。本文在项目组原有的模拟测控应答机的基础上,提出了小型测控应答机的设计方案。主要由接收机模块、发射机模块、基带处理模块、解调模块和电源模块构成。研制成功后小型测控应答机总重70g,功耗3.5W,体积210cm3,接收灵敏度达-92dBm,发射功率大于250mW,满足微小卫星的使用要求。但是在灵敏度指标上与传统测控应答机存在较大差距,这也限制了它的使用范围。本文在分析小型测控应答机接收机结构的基础上,发现了限制其灵敏度的主要因素,即以频率合成器与VCO构成的载波跟踪环。并提出了以模拟锁相环与数字式频率合成器嵌套结构为基础的新型接收机方案,可以在不增加功耗和体积的基础上,大幅度的提高小型测控应答机接收机灵敏度。通过计算和仿真嵌套环路的系统函数,本文提出了快速确定频率合成器带宽的方案,在此基础上可以将复杂的嵌套环路等效为简单的二阶锁相环。并使用等效公式分析环路的噪声、锁定时间和灵敏度指标。通过信号仿真的方法可以在设计完环路参数的同时仿真观察环路内部各点的信号情况,从而可以有效地指导实际电路的调试。本文详细介绍了小型测控应答机硬件改进方案,通过先使用Matlab设计环路参数,再仿真锁相环内部信号,最终在实际电路实现这样的步骤,可以方便的设计不同性能参数的接收机电路。实验结果证明改进后的小型测控应答机不仅灵敏度得到了大幅提高,达到-110dBm；而且满足小型化、低功耗的微小卫星使用要求。

全文目录

致谢  4-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目次  9-12
1 绪论  12-24
  1.1 微小卫星发展概况  12-13
  1.2 测控应答机的功能  13-14
  1.3 测控应答机的研究现状  14-22
    1.3.1 模拟测控应答机  14-17
    1.3.2 低中频数字测控应答机  17-20
    1.3.3 中频数字测控应答机  20-22
  1.4 课题研究的意义  22
  1.5 本文的背景和主要工作  22-24
2 小型测控应答机设计  24-38
  2.1 小型测控应答机需求与系统设计  24-26
  2.2 小型测控应答机模块设计  26-31
    2.2.1 接收机模块设计  26-27
    2.2.2 发射机模块设计  27-28
    2.2.3 基带处理模块和解调模块设计  28-30
    2.2.4 电源模块设计  30-31
  2.3 小型测控应答机性能分析  31-34
    2.3.1 功耗分析  31-32
    2.3.2 增益分析  32-33
    2.3.3 频率关系分析  33-34
  2.4 小型测控应答机遗留问题  34-36
    2.4.1 接收灵敏度问题  34-35
    2.4.2 下行功率变化问题  35-36
  2.5 本章小结  36-38
3 小型测控应答机的改进与分析  38-52
  3.1 灵敏度的限制因素  38-43
    3.1.1 分频器模块  39-41
    3.1.2 鉴频鉴相器模块  41-43
  3.2 小型测控应答机新型接收机方案  43-48
    3.2.1 模拟倍频电路  44-45
    3.2.2 采样鉴相器  45-47
    3.2.3 小型测控应答机新型接收机方案  47-48
  3.3 发射机模块改进设计  48-50
  3.4 本章小结  50-52
4 新型接收机锁相环分析  52-80
  4.1 锁相环基础  52-61
    4.1.1 模拟锁相环  52-60
    4.1.2 数字锁相环  60-61
  4.2 载波跟踪环仿真  61-70
    4.2.1 理论基础  61-65
    4.2.2 锁定时间  65-66
    4.2.3 噪声分析  66-70
    4.2.4 灵敏度分析  70
  4.3 接收机系统仿真  70-78
    4.3.1 理论基础  71-75
    4.3.2 锁定时间  75-76
    4.3.3 噪声分析  76-78
    4.3.4 灵敏度分析  78
  4.4 本章小结  78-80
5 新型接收机硬件设计  80-86
  5.1 中频放大器  80
  5.2 频率合成器设计  80-81
  5.3 载波跟踪环设计  81-83
    5.3.1 鉴相器  81
    5.3.2 环路滤波器  81-83
    5.3.3 VCO  83
  5.4 本章小结  83-86
6 测试结果对比及性能分析  86-94
  6.1 实验测试平台介绍  86-87
  6.2 射频系统测试结果  87-91
    6.2.1 本振频谱测试  87-89
    6.2.2 AGC输出功率测试  89-90
    6.2.3 鉴相器增益测试  90-91
    6.2.4 VCO增益测试  91
  6.3 系统联试  91-93
    6.3.1 灵敏度测试  91
    6.3.2 锁定时间测试  91-92
    6.3.3 整机功耗测试  92-93
  6.4 本章小结  93-94
7 结论  94-96
参考文献  96-100
作者简介  100

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