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题名	HART PSK 物理层关键技术研究
作者	金郑华
学位类别	博士
答辩日期	2012-04-25
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	中国科学院沈阳自动化研究所
导师	王宏 ; 杨志家
关键词	信道建模 同步 信道估计与均衡 自动调制设别 HART PSK调制解调器
其他题名	Research on Key Technologies of HART PSK Physical Layer
学位专业	机械电子工程
中文摘要	HART通信技术是工业自动化最重要的现场总线协议之一，该技术在广泛使用的4-20mA模拟通信环路上叠加小幅数字载波信号进行半双工数字通信。HART PSK物理层在现有的FSK调制解调基础上新增了C8PSK调制解调，可将HART数字通信效率提高10倍。但C8PSK调制解调本身复杂，信号传输时容易发生畸变，而且HART对功耗要求严格，因此到目前为止，HART C8PSK调制解调器始终未能得到实际应用。本文以HART PSK数字接收机为主要研究对象，以信道特性为基础，研究了接收机中关键模块的低功耗和高性能算法。论文主要工作和创新如下：1．首先分析了HART PSK物理层实现高性能和低功耗数字载波通信所需解决的关键问题，并论述了相关技术研究现状和存在的问题。详细论述了HART PSK最佳接收准则，最佳接收机结构以及相关模块算法的特点。2．建立HART PSK物理层信道的理论传输模型和分段电路简化模型，通过仿真和实际测量，对比验证了两种模型的精确性和一致性。进一步研究了信道的频率特性曲线，脉冲响应特性，以及信道幅频响应和相频响应的对应关系。并分析了信道中主要噪声源的特性，给出了噪声合并计算方法和信道合成噪声的特性。3．同步是C8PSK载波信号相干解调的关键，常规算法很难满足低功耗和快速收敛要求，为此提出将C8PSK同步分成捕获和跟踪两步实现，研究新同步算法提高同步偏差估计速度和精度，并改进同步补偿环路控制策略来提高同步系统稳定速度。对于同步捕获，提出两种快速数据辅助(DA，Data-Aided)同步算法，使用简单加法窗来实现同步快速稳定，并进一步分析它们的本质，给出了推广算法。对于同步跟踪，研究了2倍过采样率判决反馈 (DD，Decisions Directed)低功耗同步跟踪算法，该算法使用自噪声补偿提高参数估计精度；同时DD算法的低速率输入使得均衡器工作频率降低，大幅降低了其功耗。在载波补偿上，采用8象限判决和小数相角线性近似策略，改进了常规旋转数字计算(CORDIC，Coordinate Rotation Digital Computer)算法，使得同等相角精度下迭代计算次数减半；分析了低功耗数字锁相环 (DPLL，Digital Phase Lock Loop)的大时滞特性，提出了基于采样控制原理的大时滞DPLL控制策略。在位定时补偿上，利用一阶自适应Kalman环路滤波算法解决了定时跟踪环路的延时和噪声干扰问题。4．信道估计和均衡等自适应接收模块功耗很大，本研究通过多功能模块和均衡器结构改进，提高系统性能，降低系统功耗。研究了HART PSK前导码信号联合时频分析方法，并给出了时频分析稳定速度最快，稳态波动最小的最小均方误差 (MMSE，Minimum Mean Square Error)低通滤波策略。基于时频分析结果、信道传输特性和两种前导码信号的频谱，提出一种简单的信道估计、自动调制识别和自动增益控制联合算法。根据信道传输特性和信道估计输出，设计了一种基于CSD(Canonic Signed Digital)编码的预置式分数间隔均衡器，大幅减小了均衡器每次计算的功耗。5．研究了FSK和C8PSK一体化调制解调器设计方案；提出了一种复用C8PSK接收机结构的简单FSK解调算法；并提出C8PSK两倍采样信号的码元判决算法，与码元速率采样的最佳判决相比，可以实现2dB SNR改进。对HART PSK物理层电路系统设计给出了3种不同层次的验证策略，并对其功耗进行了详细分析，验证和分析结果证明了本研究的HART PSK物理层电路具有较高的性能和较低的功耗。
索取号	TN915.04/J67/2012
语种	中文
公开日期	2012-07-27
分类号	TN915.04
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.ac.cn/handle/173321/9331]
专题	沈阳自动化研究所_工业控制网络与系统研究室
推荐引用方式 GB/T 7714	金郑华. HART PSK 物理层关键技术研究[D]. 中国科学院沈阳自动化研究所. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2012.

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