CN106124859A

CN106124859A - 基于高速ad采集卡的太阳射电暴可变分辨率频谱装置及其方法

Info

Publication number: CN106124859A
Application number: CN201610628892.9A
Authority: CN
Inventors: 杜清府; 冯仕伟; 陈耀
Original assignee: Shandong University Weihai
Current assignee: Shandong University Weihai
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2016-11-16

Abstract

本发明公开了一种利用高速AD采集卡实现的太阳射电暴频谱装置，能对太阳射电暴爆发事件在不同的时间和频率分辨率下分析与研究。系统包括抛物面天线、低噪声放大器、高速AD采集卡、计算机、高速固态硬盘、c语言处理软件、FPGA内阈值判断软件、Matlab处理软件、labview处理软件。所述装置将太阳射电信号放大后由AD转换数字量送给FPGA,对其功率谱求和，当其大于设定的阈值时，太阳射电暴爆发，系统密集采集数据；小于阈值时，太阳射电暴没有爆发，稀疏采集数据，数据通过PCIe接口上传计算机，存储在固态硬盘中。在夜间对存储的数据做不同长度FFT运算，得到不同的时间和频率分辨率的太阳射电暴强度图。

Description

基于高速AD采集卡的太阳射电暴可变分辨率频谱装置及其方法

技术领域

本发明涉及电子仪器技术领域，具体地说是利用高速AD采集卡设计而成的用于太阳射电暴频谱观测的仪表装置，能方便改变观测信号频谱的时间和频率分辨率，方便使用者研究太阳射电暴的爆发机理。

背景技术

太阳射电是唯一可实现高分辨精确测量的天体射电辐射，捕捉太阳射电暴的爆发事件，对其进行不同时间和频率分辨率分析和研究，能从不同角度观测太阳射暴，并能深入研究其爆发的规律及其机理等，具有重要的科学研究价值。现在世界上太阳射电观测站很多，有的先进观测站可以设定不同的时间分辨率和频率分辨率观测，但是一旦设定，即用固定分辨率观测射电信号，如果修改只能观测以后的射电信号，系统存储的数据为频域数据，对同一个射电暴不能改变频率分辨率，时间分辨率通常将信号叠加来增大时间，对同一射电暴事件不能从不同分辨率多角度对比分析。现在运行的观测站数据采集系统，大多是几年前建设的，电子技术器件、计算机技术还受到很多限制，如应用的AD采样率比较低，一般信号带宽小于60MHz，如果观测太阳射电频率范围30-450MHz，按照信号带宽分段采集数字化，实时数据路数很多，储存很困难，所以，都将数据转换成频域信号，再将频域信号拼接后存储和显示。

过去的方案将太阳射电暴数据转换成频域内的平均值存储下来，频域分辨率即固定下来，时间分辨率不能减小，可以进行多次累积平均合成，时间分辨率变大。如果想对此爆发事件改变频率分辨率、时间分辨率更细致的分析变得不可能。如果采用高速AD，将整个频带内的几分钟爆发信号的全部采集下来，进行保存后离线分析，进行不同长度FFT数据处理，可以得到不同频率分辨率的频域信号，根据FFT数据长度，选择不同个数的FFT数据进行平均处理，即可得到不同时间分辨率的频域数据，可以根据需要随时加以选择，将同一爆发事件不同频率和时间分辨率数据加以对比分析，研究其爆发机制。

频谱接收机噪底：接收机将微弱信号从噪声中测量出来，信号要高于噪声。no为系统的高斯白噪声，它是系统中由于电子热运动而产生的，温度T为(290K)单位频率下的噪声：

no=10lg(KTB/B)=10lg(KT)=10lg(1.38*10^-22*290*10*2)=-174(dbm/Hz)

式中，K为波尔兹曼常数（1.38*10-23J/K）；T为开氏温度；B为信号带宽；接收机的底噪就是在常温下，接收机通带内截获的噪声功率电平，即信号只有高于它，接收机才能接收到。接收机的底噪计算公式：

P_n=10lg(KTB)+NF=-174+10lg(B)+NF

其中，NF为频谱仪噪声系数，接收机噪声系数由系统参数决定为定值。所以，信号的带宽（即接收机的频率分辨率）越小，系统的底噪就越低，也就能测量到越小的信号。

频率分辨率随N变化

频率分辨率是频谱观测系统中非常重要的一个指标。当我们尝试观测频率相距很近的信号时，频率分辨率决定着观测系统分析这些信号的能力。公式如下：

Δf=F_s/N

其中， F_s为采样频率，N为FFT运算采样点数。由公式可以看出，频率分辨率与采集时间成反比；在采样频率相同时，为实现更小的频率分辨率，要求FFT运算时使用更多的采样点数。此外，如果考虑窗口函数的影响，公式如下：

Δf=k*Fs/N

其中，k是与窗口有关的系数。对beta1=16.7的Kaiser窗口，k约为2.23。

频谱观测系统本底噪声随N变化

上述系统底噪随频率分带宽减小变低，也就是系统噪底随FFT运算的字长Ｎ的增加而降低。对采集的天线信号进行不同字长N的FFT运算得到频谱，如果FFT字长N增加10倍，系统底噪随之降低约10dBm， FFT运算字长64倍，按照公式可知底噪降低18db，底噪降低后可以观测到更多、更小的信号，频谱结构也更精细。

发明内容

发明目的是解决太阳射电暴研究者的困惑（如何从不同的频率和时间分辨率的角度观察同一太阳射电暴），能根据研究太阳射电暴需求，改变观测太阳射电暴的时间和频率分辨率，从不同的分辨率的角度上研究太阳射电暴强度图的特点，为太阳射电暴爆发的机理提供研究工具。

一种基于高速AD采集卡的太阳射电暴可变分辨率频谱装置，包括抛物面天线、低噪声放大器、高速AD采集卡、FPGA、DDR3缓存器、计算机、高速固态硬盘、c语言编写的高速处理软件、FPGA内高速阈值判断软件、Matlab处理软件、labview编写处理软件。所述装置利用高速AD采集卡将太阳射电信号根据FPGA内部设计的软件，判断太阳射电暴是否爆发与否，当太阳暴爆发时，密集采集数据，按照设定值时间间隔和采集量采集数据，当太阳射电暴没有爆发时，稀疏采集数据；采集数据通过PCIe接口送到计算机，存储在计算机固态硬盘中。采集存储数据在采集完成后，对离线数据根据不同分析需要，对其做不同长度FFT运算处理，可以得到研究者需要的时间和频率分辨率的太阳射电暴强度图。

太阳射电暴爆发判断方式。天线信号经过低噪声放大器放大后送给高速AD进行转换，变成高速数字流，送给FPGA按照1：4进行降速，需要4个FIFO寄存器，分别作FFT运算，然后再将4段合成频域的FFT结果。按照事前测试的频谱数据，将有规律的频点（电台信号）的FFT对应的频点数值置成0，然后计算各频点的谱线加权功率和，得到太阳射电的能量信号，作为判断太阳射电暴爆发的依据。当谱线加权功率和大于等于预先设定阈值，太阳射电暴爆发；当谱线加权功率和小于于预先设定阈值，太阳射电暴没有爆发。权利要求其特征在于该方法去掉背景干扰的电台信号，对太阳射电暴的爆发判断准确。

采集太阳射电暴信号方式。当加权功率和小于于预先设定值时，认为太阳射电暴没有爆发，系统就稀疏采集太阳射电信号；当加权功率和大于等于预先设定值时，太阳射电暴开始爆发，系统对太阳射电信号密集采集。其特征在于稀疏采集时，时间间隔较长（可设置），如1s采集32K个数据点；密集采集时，按照设置的时间间隔和规定的采集数据量采集数据，如1ms每个通道采集32K个数据点，其特征根据需求设置采集时间间隔和采集量，从而提高时间分辨率。

可靠的数据存储方式，在采集卡上配置DDR3缓存器，设置2个相同大小的数据区A和B，DDR3缓存器可以根据稀疏采集和密集采集，以及采集时间和采集数据数量，设置大小。采集卡的FPGA与PC机通过PCIe总线连接，采集卡采集的数据暂存在数据缓冲区内，采用乒乓方式上传数据，也就是FPGA将采集的数据暂存A区，A区数据满后，A区数据上传给PC；期间，采集数据暂存B区，A区上传后，等待B区存满，B区满后，B区上传，此时，FPGA采集数据暂存A区，如此循环，保证更新时的数据区不上传，确保数据可靠。

采集数据离线分析。利用matlab和labview编写的软件，对存储文件解析，得到时间、各通道太阳射电数据等，得到太阳射电的强度概览图，得到太阳射电全天信息，太阳暴是否爆发，其强度如何，是什么类型的太阳暴等。如果进一步研究太阳暴的精细结构，首先在概图中确定爆发的时间，然后再对该时间段数据进行分析，根据选择的时间分辨率和频率分辨率，即可得到需要的分辨率的太阳射电强度图。

附图说明

图1是本发明系统整体结构及原理框图。

具体实施方式

如附图所示，一种基于高速AD采集卡的太阳射电暴可变分辨率频谱装置，包括抛物面天线1、2路带通滤波器2和3、2路低噪声放大器4和5、高速AD采集卡6、计算机18等构成频谱装置。高速AD采集卡6包括DDR3高速数据缓存器7、高速ADC芯片8、FPGA芯片9。FPGA芯片9内编程实现的功能模块包括，高速数据接口10、数据分配器11、FFT转换12、频谱功率密度各频点加权求和13、太阳射电暴爆发判断14、采集数据块截取15、数据打包模块16、PCIe接口模块17等。太阳射电信号经抛物面天线1接收，抛物面天线能自动跟踪太阳轨迹，天线接收太阳射电的水平和垂直信号，分别经过带通滤波器2和3滤波，将接收频带外的信号滤除，再将信号分别接入低噪声放大器4、5放大，送到采集卡6中的高速ADC转换器8，转换成高速数据流，送给FPGA9进行处理，为了适应高速数据流处理，高速数据接口10和数据分配器11将数据1：4降速处理，即将高速数据流按照一定字长分别存储到4个FIFO数据缓冲器中，由FFT模块12分别进行FFT转换，根据预先测量的频谱背景信息，将得到的频域值加权求功率和13，由太阳射电暴爆发判断模块14判断是否是太阳射电暴爆发，根据判断结果从数据流中截取所需要的采集数据长度，将数据和时间戳有打包模块16打包，暂存数据缓存区DDR3中，通过乒乓方式经PCIE接口上传计算机PC，以文件形式存储。所述装置利用高速AD采集卡将太阳射电信号根据FPGA内部设计的软件，判断太阳射电暴是否爆发与否，当太阳暴爆发时，密集采集数据，按照设定值时间间隔和采集量采集数据，当太阳射电暴没有爆发时，稀疏采集数据；采集数据通过PCIE接口送到计算机，存储在计算机固态硬盘中。采集存储数据在采集完成后，对离线数据根据不同分析需要，对其做不同长度FFT运算处理，可以得到研究者需要的时间和频率分辨率的太阳射电暴强度图。

太阳射电暴爆发判断方式。按照事前测试的频谱数据，将有规律的频点（电台信号）的FFT对应的频点数值置成0，然后计算各频点的谱线加权功率和，得到太阳射电的能量信号，作为判断太阳射电暴爆发的依据。当谱线加权功率和大于等于预先设定阈值，太阳射电暴爆发；当谱线加权功率和小于于预先设定阈值，太阳射电暴没有爆发。

本发明涉及频谱接收机噪底：接收机将微弱信号从噪声中测量出来，信号要高于噪声。no为系统的高斯白噪声，它是系统中由于电子热运动而产生的，温度T为(290K)单位频率下的噪声：

no=10lg(KTB/B)=10lg(KT)=10lg(1.38*10-22*290*10*2)=-174(dbm/Hz)

Pn=10lg(KTB)+NF=-174+10lg(B)+NF

本发明运算频率分辨率：

Δf=Fs/N

其中，Fs为采样频率，N为FFT运算采样点数。由公式可以看出，频率分辨率与采集时间成反比；在采样频率相同时，为实现更小的频率分辨率，要求FFT运算时使用更多的采样点数。此外，如果考虑窗口函数的影响，公式如下：

Δf=k*Fs/N

其中，k是与窗口有关的系数。对beta1=16.7的Kaiser窗口，k约2.23。

本发明频谱观测系统本底噪声计算随N变化，系统底噪随频率分带宽减小变低，也就是系统噪底随FFT运算的字长Ｎ的增加而降低。对采集的天线信号进行不同字长N的FFT运算得到频谱，如果FFT字长N增加10倍，系统底噪随之降低约10dBm， FFT运算字长64倍，按照公式可知底噪降低18db，底噪降低后可以观测到更多、更小的信号，频谱结构也更精细。

Claims

1.一种基于高速AD采集卡的太阳射电暴可变分辨率频谱装置，包括抛物面天线（1）、2路带通滤波器（2）和（3），2路低噪声放大器（4）和（5）、高速AD采集卡（6）、DDR3缓存器（7）、FPGA（9）、计算机（18）、高速固态硬盘、c语言编写的高速处理软件、FPGA内高速阈值判断软件、Matlab处理软件、labview编写处理软件。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速AD采集卡的太阳射电暴可变分辨率频谱装置，其特征在于太阳射电暴爆发判断方式，天线信号经过低噪声放大器（4）和（5）放大后送给高速AD（8）进行转换，变成高速数字流，送给FPGA（9）按照1：4进行降速，分别作FFT运算，然后再将4段合成频域的FFT结果，按照事前测试的频谱数据，将有规律的频点（电台信号）的FFT对应的频点数值置成0，然后计算各频点的谱线加权功率和（13），得到太阳射电的能量信号，作为判断太阳射电暴爆发的依据，当谱线加权功率和大于等于预先设定阈值，太阳射电暴爆发；当谱线加权功率和小于于预先设定阈值，太阳射电暴没有爆发。

3.根据权利要求1所述的一种基于高速AD采集卡的太阳射电暴可变分辨率频谱装置，其特征在于高速疏密结合的采集太阳射电暴信号方式，当加权功率和小于于预先设定值时，认为太阳射电暴没有爆发，系统就稀疏采集太阳射电信号；当加权功率和大于等于预先设定值时，太阳射电暴开始爆发，系统对太阳射电信号密集采集；其特征在于稀疏采集时，如1s采集32K个数据点；密集采集时，如1ms每个通道采集32K个数据点，其特征根据需求设置采集时间间隔和采集量，从而提高时间分辨率。

4.根据权利要求1所述的一种基于高速AD采集卡的太阳射电暴可变分辨率频谱装置，其特征在于采集数据离线分析，利用matlab和labview编写的软件，对存储文件解析，得到时间、各通道太阳射电数据等，得到太阳射电的强度概览图，得到太阳射电全天信息，以此判断太阳暴是否爆发，其强度如何，是什么类型的太阳暴等；如果进一步研究太阳暴的精细结构，首先在概图中确定爆发的时间，然后再对该时间段数据进行分析，根据选择的时间分辨率和频率分辨率，即可得到需要的分辨率的太阳射电强度图。