CN105846843A - 射电天文望远镜前端中频接收系统 - Google Patents

射电天文望远镜前端中频接收系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种射电天文望远镜前端中频接收系统，包括：模拟前端中频电路单元，将从馈源敏感进来的电压信号进行放大、混频、下变频成为供后端ADC处理的信号；压控震荡单元，为模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer提供本振，为ADC及FPGA提供时钟；FPGA控制处理单元，利用FPGA的GPIO口对模拟前端中频电路单元进行控制；最后将经过放大、混频后的下变频信号传送到ADC输入端，将原本的模拟信号变成数字信号，存入计算机。本发明搭建了一个射电天文望远镜前端中频接收系统，可满足射电天文数据高速、高质量、稳定可靠的采集需求，适用于超宽带的数据应用。

Description

射电天文望远镜前端中频接收系统
技术领域
本发明涉及一种射电天文望远镜前端中频接收系统。
背景技术
接收机系统是射电望远镜的重要组成部分，是决定望远镜性能的关键因素。
正在建设中的大科技装置500米球面射电望远镜FAST是世界上最大的单口径射电望远镜，有着很高的分辨率，这是它本身巨大的优势。FAST的工作频段在70MHz-3GHz，为了尽量发挥望远镜本身优势并能适应不同的天文观测目标，需要望远镜的接收机能灵活覆盖整个频带。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种集成度高、效率高的射电天文望远镜前端中频接收系统。
为实现上述目的，本发明射电天文望远镜前端中频接收系统，包括：
模拟前端中频电路单元，将从馈源敏感进来的电压信号进行放大、混频、下变频成为供后端ADC处理的信号；
压控震荡单元，为模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer提供本振，为ADC及FPGA提供时钟；
FPGA控制处理单元，利用FPGA的GPIO口对模拟前端中频电路单元进行控制；
最后将经过放大、混频后的下变频信号传送到ADC输入端，将原本的模拟信号变成数字信号，存入计算机。
进一步，从馈源敏感进来的所述电压信号的输出功率范围是-60dBm∽-90dBm，系统的输入噪声水平为2K。
进一步，所述中频接收系统分为两个波段：0.05GHz-1GHz和0.3GHz-3GHz进行信号接收。
进一步，所述模拟前端中频电路单元包括低噪音放大器、射频通带放大器、基带放大器、若干个滤波器、混频器、若干个可变电阻电子衰减器、电压控制震荡器、若干个数字开关。
进一步，所述低噪音放大器、所述射频通带放大器之间设置有6dB的固定衰减器，用于抑制上级与本级放大器间的驻波。
进一步，所述射频通带放大器为工作频段为0-6GHz的宽带射频放大器ADL5545，所述可变电阻电子衰减器为可变数字电阻衰减器HMC624LP4；宽带射频放大器ADL5545对信号放大，后接一个可变数字电阻衰减器HMC624LP4用于调节信号功率大小，再后接宽带射频放大器ADL5545对信号进一步放大，加一个所述6dB的固定衰减器，后接工作频段为0.03GHz-6GHz放大器ADL5610对信号进行三级放大。
进一步，所述模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer对信号进行混频，后接一个所述数字开关，针对不同科学观测需要，对相应的信号频段放大，并将其分成三路信号频段：20-500MHz，0-1GHz，0.05-3GHz。
进一步，所述三路信号频段分别后接可调数字衰减器HMC624LP4用于调节信号功率大小，再接所述基带放大器，其中，三路所述基带放大器分别是ADL5534(20-500MHz),ADL5530(0-1GHz)，HMC741(0.05-3GHz)进行最后一级放大。
进一步，所述ADL5534的波段为20-500MHz,ADL5530的波段为0-1GHz，HMC741的波段为0.05-3GHz。
进一步，三路所述基带放大器后分别接滤波器：LFCN-530、LFCN-1000、LFCN-1500，来对信号滤波，消除杂散信号。
本发明搭建了一个射电天文望远镜前端中频接收系统，可满足射电天文数据高速、高质量、稳定可靠的采集需求，适用于超宽带的数据应用。
附图说明
图1为系统框图一；
图2为系统框图二；
图3为选型表。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
如图1、图2所示，本发明射电天文望远镜前端中频接收系统，包括：
模拟前端中频电路单元，将从馈源敏感进来的电压信号进行放大、混频、下变频成为供后端ADC处理的信号；
压控震荡单元，为模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer提供本振，为ADC及FPGA提供时钟；
FPGA控制处理单元，利用FPGA的GPIO口对模拟前端中频电路单元进行控制；
最后将经过放大、混频后的下变频信号传送到ADC输入端，将原本的模拟信号变成数字信号，存入计算机。
从馈源敏感进来的电压信号非常微弱，我们考虑信号的输出功率范围是-60dBm∽-90dBm，即放在杜瓦中的制冷HEMT放大器的输入功率范围是-60dBm∽-90dBm，系统的输入噪声水平也由HEMT的噪声温度确定在2K。
考虑到系统要覆盖70MHz-3GHz波段，所述中频接收系统分为两个波段：0.05GHz-1GHz和0.3GHz-3GHz进行信号接收。
所述模拟前端中频电路单元包括低噪音放大器、射频通带放大器、基带放大器、若干个滤波器、混频器、若干个可变电阻电子衰减器、电压控制震荡器、若干个数字开关。低噪音放大器、所述射频通带放大器之间设置有6dB的固定衰减器，用于抑制上级与本级放大器间的驻波。
射频通带放大器为工作频段为0-6GHz的宽带射频放大器ADL5545，所述可变电阻电子衰减器为可变数字电阻衰减器HMC624LP4；宽带射频放大器ADL5545对信号放大，后接一个可变数字电阻衰减器HMC624LP4用于调节信号功率大小，再后接宽带射频放大器ADL5545对信号进一步放大，加一个所述6dB的固定衰减器，后接工作频段为0.03GHz-6GHz放大器ADL5610对信号进行三级放大。
模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer对信号进行混频，后接一个所述数字开关，针对不同科学观测需要，对相应的信号频段放大，并将其分成三路信号频段：20-500MHz，0-1GHz，0.05-3GHz。
三路信号频段分别后接可调数字衰减器HMC624LP4用于调节信号功率大小，再接所述基带放大器，其中，三路所述基带放大器分别是ADL5534(20-500MHz),ADL5530(0-1GHz)，HMC741(0.05-3GHz)进行最后一级放大。三路基带放大器后分别接滤波器：LFCN-530、LFCN-1000、LFCN-1500，来对信号滤波，消除杂散信号。
首先，天文信号对于做接收机来说，如果不对应具体的某一个科学目标，只要是望远镜可以接受的频率应该全都可以接收。FAST本身的反射面设计，决定了天文信号接收范围就是70MHz-3GHz。所以接收机的设计，尤其想用一套前端电路板，灵活的控制不同的波段，就需要能够全面覆盖这个3GHz波段。只要是这个波段下个各种科学目标，都可以灵活性的实现，最主要的设计就是接收机前端中频接收系统。
例如有些科学目标希望可以搜索脉冲星，脉冲信号(例如deltasignal)的频率范围是可以很宽的(尤其如果是理想的时域delta信号，因为时域有限，频域无限，所以频率是成SINC形状，并且是带宽无限宽的，只不过强度会逐步低)，这个时候，没有一个特定的频率范围向搜索，往往需要不断的尝试，多采集数据，然后反复套算法。还有一些科学目标，比如谱线，如果一下可以观测更宽的带宽，这样观测效率会提高(比如查看2-3GHz的带宽，如果可以一次查看，将大大的优先于一次只能看200MHz、然后2-2.2，2.2-2.4以及类推看5次的情况。因为天文信号很弱，需要长时间(几天甚至几周盯着一个天区)的积分把噪音压制下去)。
所以可以看到，天文观测对于目标观测的频率和范围有很强的不确定性，是需要前端中频接收系统具有有很强的灵活性，因为需要经常调整，希望对应的观测频段所对应的硬件表现尽可能最优秀，这就对中频接受系统的性能有很高的要求。
FAST的馈源主要分为70-140MHz，140-280MHz,560-1120MHz,1100-1900MHz,2000-3000MHz,270-1620MHz(又分为270-850MHz,950-1620MHz两部分),见下表
对于LNA的选型，综合馈源工作频带范围，以及现有低噪声放大器的工作频段，放大器的增益(Gain)，噪声系数(Noise Figure)，三阶交调点(IP3)，P1dB输出功率等各方面器件性能，考虑选用Analog Devices生产的HMC599(0.05-1GHz)和HMC374(0.3-3GHz)。由于接收机的一级放大器控制了整个前端中频接收系统的总的噪声温度，所以要选择低噪音，高增益的放大器。它们的增益分别为14dB，15dB，相对来说的高增益。Noise Figure分别是2.2dB,1.5dB,相比同频段其他器件要小1dB左右。IP3分别是+39dBm，+37dBm，P1dB输出功率分别是+19dBm，+22dBm。
为了一方面考虑每一级放大器增益不能太大以至超过下一级放大器的P1dB输出功率使其饱和而不能正常工作，还要考虑最终性噪比能尽可能大一些，同时要保证输出到ADC的信号功率值不能超过其最大工作范围6dBm，所以要考虑接收机前端中频接收系统中各级放大器与可变衰减器的选型与巧妙组合。
系统射频放大通路中经过三级放大，放大器的增益分别是24.1dB(ADL5545),24.1dB(ADL5545)，18.4dB(ADL5610)。基带放大第一路用两个增益为20dB的ADL5534放大器两级放大，第二路用两个增益为16.8dB的ADL5530放大器两级放大，同样第三路用增益为两个增益为20dB的HMC741放大器两级放大。同时整个中频电路系统中有两个数字可变电阻衰减器HMC624LP4，它们的调节范围是0-31.5dB，步进是0.5dB，每个需要6比特位进行控制，用于调节信号的功率大小。
对接收机前端中频接收系统总体性能的计算，以通路1(0.3GHz-3GHz)为例，
信噪比：acc SNR[dB]＝Pin min(max)-Output Pnoise[dBm]
输出到ADC的信号功率:
Pin min(max)＝Pin[dBm]+Gain[dB]
Pinmin＝-90dBm+35dB-3dB-3dB-0.5dB+15dB-6dB-0.5dB+24.1dB-16dB+24.1dB-9dB+18.4dB-14dB-7.5dB+16.8dB-0.6dB-3dB＝-3.9dBm<6dBm
Pinmax＝-60dBm+35dB-3dB-3dB-0.5dB+15dB-6dB-0.5dB+24.1dB-27dB+24.1dB-9dB+18.4dB-25dB-7.5dB+16.8dB-0.6dB-3dB＝4.1dBm<6dBm
在阻抗匹配条件下，热噪声功率：Pn＝kBT
将热噪声功率单位由W转化dBm：
带宽B＝2.7GHz，k＝1.38*10-23，经计算可得经由各级累加的acc SNR分别为10.10dB，39.66dB，可得射频信号经由IF板混频、放大后SNR的衰减量分别为：
11.08dB-10.10dB＝0.98dB<2dB
41.08dB-39.66dB＝1.42dB<2dB
即当信号输入范围在-60dBm∽-90dBm之间时，可以控制系统的总的SNR减少值在2dB范围内，同理其余两条通路也能达到此技术指标。具体的选型表如图3所示。
系统中还包含两块压控振荡(VCO)芯片ADF4355，一块用于给IQMixer提供本振(lo)，另一块需要给FPGA提供时钟。ADF4355的工作频段为54MHz-6800MHz，在此频段内的任何频率VCO均可输出。首先需要对寄存器进行32比特写入而对VCO进行初始化，然后利用LO_LE，CK_LE分别作为两块VCO的控制线。
用带状线缆将FPGA的GPIO口与中频电路板上的20pin端口相连，其中6个pin用于数字端口控制，分别为SCLK、SDAT、SW_STB、LO_LE、CK_LE、AT_LE。其中SCLK串行时钟线，SDAT串行数据线，SW_STB用于控制数字开关，LO_LE用于控制VCO，提供本振(LO)输出，CK_LE也用于控制VCO，为FPGA提供时钟输出，AT_LE用于控制数字可控衰减器。FPGA控制处理单元的实现采用MATLAB软件的SIMULINK工具仿真及实现。利用C++程序编写控制界面，通过KATCP通信协议与MATLAB软件的SIMULINK工具中的控制寄存器(之前的6个)通信，使用ISE软件的SystemGenerator工具生成黑盒子文件，并在ISE软件中运行，实现对中频电路板上数字器件的控制。电脑上的控制界面中(用C++编写)，可以完成通路的选择(通过数字开关的选通)，数字可变衰减器数值的设置，以及两块VCO输出频率的设置，直接输入相应的数值，瞬间就可以改变电路板上器件的参数值，非常方便。
本发明充分利用压点控制振荡器(VCO)以及数控变阻器的灵活性，完成通带的选择，通过对FPGA上储存的数字变频系数的实时更新，实现对各个频段完整、灵活、高效的控制。使得一套系统可以多变的、无成本的完成多项接收机的功能和波段。这样不仅仅大大降低成本，还可以充分利用数字系统的灵活性，最大限度的配合望远镜和低噪音放大器的噪音属性和频率属性。
模拟信号前端电路板的功能全部通过软件来控制，这包括控制VCO的频率和功率(10MHz至3GHz)；控制数字变阻器的电阻(0.5dB精度)；控制数字开关等。这些模拟电路的器件，均由FPGA的GPIO口控制。同时开发由C++语言控制的界面(用C++语言来开发一个界面)，通过KATCP通信协议对中频板上的端口进行控制。

Claims (10)

1.射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，该中频接收系统包括：
模拟前端中频电路单元，将从馈源敏感进来的电压信号进行放大、混频、下变频成为供后端ADC处理的信号；
压控震荡单元，为模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer提供本振，
为ADC及FPGA提供时钟；
FPGA控制处理单元，利用FPGA的GPIO口对模拟前端中频电路单元进行控制；
最后将经过放大、混频后的下变频信号传送到ADC输入端，将原本的模拟信号变成数字信号，存入计算机。
2.如权利要求1所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，从馈源敏感进来的所述电压信号的输出功率范围是-60dBm～-90dBm，系统的输入噪声水平为2K。
3.如权利要求1所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述中频接收系统分为两个波段：0.05GHz-1GHz和0.3GHz-3GHz进行信号接收。
4.如权利要求1所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述模拟前端中频电路单元包括低噪音放大器、射频通带放大器、基带放大器、若干个滤波器、混频器、若干个可变电阻电子衰减器、电压控制震荡器、若干个数字开关。
5.如权利要求4所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述低噪音放大器、所述射频通带放大器之间设置有6dB的固定衰减器，用于抑制上级与本级放大器间的驻波。
6.如权利要求5所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述射频通带放大器为工作频段为0-6GHz的宽带射频放大器ADL5545，所述可变电阻电子衰减器为可变数字电阻衰减器HMC624LP4；宽带射频放大器ADL5545对信号放大，后接一个可变数字电阻衰减器HMC624LP4用于调节信号功率大小，再后接宽带射频放大器ADL5545对信号进一步放大，加一个所述6dB的固定衰减器，后接工作频段为0.03GHz-6GHz放大器ADL5610对信号进行三级放大。
7.如权利要求4所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer对信号进行混频，后接一个所述数字开关，针对不同科学观测需要，对相应的信号频段放大，并将其分成三路信号频段：20-500MHz，0-1GHz，0.05-3GHz。
8.如权利要求7所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述三路信号频段分别后接可调数字衰减器HMC624LP4用于调节信号功率大小，再接所述基带放大器，其中，三路所述基带放大器分别是ADL5534(20-500MHz),ADL5530(0-1GHz)，HMC741(0.05-3GHz)进行最后一级放大。
9.如权利要求8所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述ADL5534的波段为20-500MHz,ADL5530的波段为0-1GHz，HMC741的波段为0.05-3GHz。
10.如权利要求8所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，三路所述基带放大器后分别接滤波器：LFCN-530、LFCN-1000、LFCN-1500，来对信号滤波，消除杂散信号。
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