CN111426889B - 一种宽带双模数字接收机及其信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽带双模数字接收机及其信号处理方法，包括共享信号处理模块用于提供各个天线的子带输出信号；相关处理模块用于对各个天线的子带输出信号进行相关运算，得到相关结果数据；波束合成模块用于对各个天线的子带输出信号进行波束合成处理形成波束；共享信号处理模块包括：模数转换模块用于将模拟宽带信号转换为数字宽带信号；延时补偿模块用于进行延时补偿；通道化处理模块用于得到数字窄带信号；相位补偿模块用于进行相位补偿；频率选择模块用于从数字窄带信号中选取不同频率的子带输出信号。本发明能以多波束合成和综合孔径相关两种模式同时对射电源进行观测，降低了接收机的数据处理硬件需求，同时提高了射电望远镜阵列的性能。

Description

一种宽带双模数字接收机及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及射电观测技术领域，具体涉及一种宽带双模数字接收机及其信号处理方法。

背景技术

甚低频频段(<30MHz)作为最后几个未被观测的频谱窗口之一，潜在的科学发现使它成为目前射电天文学研究的热点。然而，在低于30MHz的频段，大量人为的强射电干扰严重限制了人们对宇宙射电辐射的观测，并且地球电离层的反射和吸收作用更使得基于地基射电望远镜对低于10MHZ的宇宙射电辐射进行观测十分困难。但幸运的是，新的太阳物理研究表明，太阳活动在当前的11年周期内为一极小期，并将在2020年左右达到谷底，受太阳活动影响地球电离层的截止频率会降到几MHz甚至更低，这就使利用地基射电望远镜对10MHz以下的宇宙信号进行观测成为可能。

为了利用地基射电望远镜对10MHz以下的宇宙信号进行观测，需要将天线接收的信号经过低噪声放大器放大后利用光电转换器转换为光信号，再通过太阳射电阵列富余的光纤将光信号传输到观测室内，最后利用电光转换器将光信号转变为电信号，进入数字接收机中进行信号的采样和处理。在整个系统中，数字接收机是其中的关键，直接决定了系统的观测能力和性能。

目前，地面上工作频段与甚低频频段接近的地基射电望远镜只有美国的Long-Wavelength Array(LWA)，工作在10-88MHz；荷兰的Low Frequency Array(LOFAR)，工作在10-90MHz，它们的数字接收机基本上代表了目前低频射电望远镜接收机的世界水平。

其中，根据图1所示的美国LWA的数字接收机的模块结构图，可以看出，美国LWA的数字接收机主要实现两部分功能。一部分是进行两个频率四个波束方向的波束合成，另一部分是进行整个阵列所有天线的宽带短时间的数据缓存，或是进行窄带长时间的数据缓存。在波束合成过程中，信号的选频是通过数字下变频实现的，合成后的信号再通过离散傅里叶变换进一步窄带化。在数据缓存过程中，宽带信号缓存是将全频带的信号同时进行缓存，但只能一次缓存61ms的数据，需要5分钟时间来写数据；窄带信号缓存是通过数字下变频进行窄带选频，可以对信号进行连续缓存。但是，阵列的成像是后续通过软件对所有天线缓存的观测数据进行相关和综合孔径处理来实现的。

根据图2所示的荷兰LOFAR的数字接收机的模块结构图，可以看出，荷兰LOFAR的数字接收机是分布式的，每个阵列子阵有对应的数字接收机，对子阵内所有天线接收的信号进行数字化采样，并进行数字波束合成处理；同时，对可能的瞬态事件在触发条件下进行数据缓存。然后，所有子阵的数据被传输到位于数据处理中心的中央超级计算机由软件做进一步的处理，包括整个阵列信号的延迟补偿、信号的窄带化、中心基站的波束合成、各子阵数据之间的相关等。

但是，上述两种数字接收机至少存在如下技术缺陷：

对于射电望远镜阵列来说，通常采用两种方式进行成像，一种是多波束合成的方式，另一种是综合孔径相关的方式。采用多波束合成的方式可以对一些强快变射电源的快速成像，适用于空间分辨率要求不高的情况，例如对太阳的甚低频射电爆发的观测；采用综合孔径相关的方式可以对所有射电源进行成像。但是，美国LWA和荷兰LOFAR的数字接收机主要完成对天线接收到的模拟信号的数字化以及数字波束合成，并不进行信号的相关和综合孔径成像处理，信号的相关和综合孔径成像处理主要是通过后续的软件来实现的。也就是说，在现有的数字接收机中，多波束合成模式和综合孔径相关模式并不能同时工作，不能同时对射电源进行成像。

进一步的，现有的数字接收机通过后续的软件来实现信号的相关和综合孔径成像处理，导致对后端信号的处理能力要求非常高。例如荷兰的LOFAR，整个阵列的数据量达到约150Gbit/s，为此LOFAR采用了一个IBM为其专门设计的超级计算机来进行数据的处理和计算。

因此，如何使多波束合成和综合孔径相关两种模式可以同时工作，从而对射电源以这两种方式同时进行观测，并且降低接收机的数据处理硬件需求，成为一项亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种宽带双模数字接收机及其信号处理方法，以对射电源通过多波束合成和综合孔径相关两种模式同时进行观测，并且降低接收机的数据处理硬件需求。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种宽带双模数字接收机，包括：

共享信号处理模块、相关处理模块以及波束合成模块；

所述共享信号处理模块，用于向所述相关处理模块以及所述波束合成模块提供各个天线的子带输出信号；

所述相关处理模块，用于对所述各个天线的子带输出信号进行相关运算，得到天线之间的相关结果数据；

所述波束合成模块，用于对所述各个天线的子带输出信号进行波束合成处理，以形成波束；

其中，所述共享信号处理模块包括：

模数转换模块，用于将各个天线接收的模拟宽带信号转换为数字宽带信号；

延时补偿模块，用于对所述数字宽带信号进行延时补偿；

通道化处理模块，用于对延时补偿后的数字宽带信号进行通道化处理，以得到数字窄带信号；

相位补偿模块，用于对所述数字窄带信号进行相位补偿；

频率选择模块，用于从相位补偿后的数字窄带信号中选取多个不同频率的子带输出信号。

本发明实施例还提供一种宽带双模数字接收机的信号处理方法，包括：

将各个天线接收的模拟宽带信号转换为数字宽带信号；

对所述数字宽带信号进行延时补偿；

对延时补偿后的数字宽带信号进行通道化处理，以得到数字窄带信号；

对所述数字窄带信号进行相位补偿；

从相位补偿后的数字窄带信号中选取多个不同频率的子带输出信号；

对各个天线的所述子带输出信号进行相关运算，得到天线之间的相关结果数据；

对各个天线的所述子带输出信号进行波束合成处理，以形成波束。

基于上述技术方案可知，本发明提供的宽带双模数字接收机及其信号处理方法具有如下有益效果：

本发明通过优化综合孔径相关和多波束合成的信号处理流程，使得这两种工作模式中的大部分处理流程保持一致，进而采用共享硬件链路，即共享模数转换模块、延时补偿模块、通道化处理模块、相位补偿模块、频率选择模块的方式大大提高了硬件资源的利用效率；与此同时，对于两者信号处理中不同的部分，设计中采用了模块化的设计来实现不同的功能，即可以通过改变相关处理模块和波束合成模块中的参数配置来满足两种不同工作模式的数据处理需求，进一步降低了系统设计的复杂度，从而可以利用有限的硬件资源实现综合孔径相关和多波束合成两种工作模式同时工作。

进一步的，本发明利用硬件实现综合孔径相关和多波束合成的主要数据处理流程，大大降低了后端数据处理的速率和存储需求，从而不再需要高性能计算服务器来完成后续数据处理任务，使用一般的高性能计算机即可完成后续数据处理任务，有效地降低了系统的建设成本。

此外，本发明提供的宽带双模数字接收机由于可以同时进行综合孔径相关和多波束合成两种观测，使得射电望远镜在观测中不仅可以对缓慢变换的射电源进行成像，同时也能够对一些快变的射电源进行高时间分辨率成像。例如，在对太阳进行射电观测时，由于太阳爆发信号是随机发生的快变信号，上述特性将保证射电望远镜能够对所有在观测期间发生的爆发事件进行观测。相反，如果采用触发再观测的方式，将错过触发前太阳爆发产生的射电信号以及一些小的爆发事件。

还需要指出的是，本发明提供的宽带双模数字接收机同时具有综合孔径相关和多波束合成两种观测能力，在观测中也将同时产生两种不同类型的观测数据。其中一种数据是间接成像的数据(综合孔径相关)，另一种是直接成像的数据(多波束合成)。利用这两种数据一方面可以单独进行成像，两者互为参考；另一方面也可以进行数据的融合，把两种数据综合起来再进行成像，或者把两者分别产生的图像融合处理形成一种图像，从而能够获得更高质量的成像结果。

附图说明

图1是美国LWA的数字接收机的模块结构图；

图2是荷兰LOFAR的数字接收机的模块结构图；

图3是本发明实施例提供的宽带双模数字接收机的模块结构图；

图4是本发明实施例提供的利用乒乓存储技术切换相位补偿参数的示意图；

图5是本发明实施例提供的由ADC采集板与K7-FPGA预处理板构成的功能框图；

图6是本发明实施例提供的利用Snap2处理板进行相关处理的流程框图；

图7是本发明实施例提供的利用Snap2处理板进行波束合成处理的流程框图；

图8是本发明实施例提供的宽带双模数字接收机的信号处理方法流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种宽带双模数字接收机及其信号处理方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本发明保护的范围。

根据图3所示的宽带双模数字接收机的模块结构图，本发明实施方式中提供的一种宽带双模数字接收机，包括：

共享信号处理模块、相关处理模块以及波束合成模块；

所述共享信号处理模块，用于向所述相关处理模块以及所述波束合成模块提供各个天线的子带输出信号；

所述相关处理模块，用于对所述各个天线的子带输出信号进行相关运算，得到天线之间的相关结果数据；

所述波束合成模块，用于对所述各个天线的子带输出信号进行波束合成处理，以形成波束；

其中，所述共享信号处理模块包括：

模数转换模块，用于将各个天线接收的模拟宽带信号转换为数字宽带信号；

延时补偿模块，用于对所述数字宽带信号进行延时补偿；

通道化处理模块，用于对延时补偿后的数字宽带信号进行通道化处理，以得到数字窄带信号；

相位补偿模块，用于对所述数字窄带信号进行相位补偿；

频率选择模块，用于从相位补偿后的数字窄带信号中选取多个不同频率的子带输出信号。

可以看出，本发明实施例提供的宽带双模数字接收机，通过优化综合孔径相关和多波束合成的信号处理流程，采用共享数字化信号链路的方式在硬件中实现了综合孔径相关模式和多波束合成模式同时工作，即通过共享模数转换模块、延时补偿模块、通道化处理模块、相位补偿模块、频率选择模块的方式大大提高了硬件资源的利用效率。

具体的，在所述延时补偿模块中，通过对所述数字宽带信号进行整数倍采样间隔的延迟调整，对所述数字宽带信号进行延时补偿，以将各个数字宽带信号同步至同一个周期，从而消除各个天线接收的模拟信号之间存在的几何延迟，以及从天线到模数转换模块之间的信号链路存在的固定的延迟误差。例如，当采样率为160MHz时，延迟调整精度为1个采样周期，即6.25ns。

具体的，所述通道化处理模块包括多相滤波器组(PFB)和快速傅里叶变换(FFT)单元，其中，多相滤波器组用于对经过所述延时补偿的数字宽带信号进行多相滤波；快速傅里叶变换单元用于对多相滤波后的数字宽带信号进行快速傅里叶变换，以得到所述数字窄带信号。

具体的，在所述相位补偿模块中，通过将所述数字窄带信号中的各个频点与相对应的相位补偿参数进行复乘运算，对所述数字窄带信号进行相位补偿，从而将各个数字窄带信号的相位同步。需要说明的是，在不同积分周期内，相位补偿参数并不相同，因此需要上位机实时计算下一个积分周期所需的相位补偿参数，同时将本积分周期所用的相位补偿参数传输给相位补偿模块，根据图4所示，为利用乒乓存储技术切换相位补偿参数的示意图，可以看出，为了实现无缝切换不同积分周期内的相位补偿参数，在相位补偿模块中可以采用乒乓存储技术来完成参数的切换。

具体的，在所述频率选择模块中，通过对所述数字窄带信号中的相邻频点的累加，得到多个不同频率的子带输出信号，从而在整个频带内选择多个频率进行输出。

具体的，所述相关处理模块可以包括：相关运算单元，用于将不同天线的子带输出信号进行两两相关运算；第一积分累加单元，用于对所述相关运算单元得到的数据进行积分累加；第一截位单元，用于对积分累加后的数据进行截位，以减小数据速率；第一数据封装单元，用于将截位后的数据进行封装。

具体的，所述波束合成模块可以包括：波束合成计算单元，用于将各个天线的子带输出信号分别与对应的波束系数进行复数乘法；第二积分累加单元，用于对所述波束合成计算单元得到的数据进行积分累加；第二截位单元，用于对积分累加后的数据进行截位，以减小数据速率；第二数据封装单元，用于将截位后的数据进行封装。

下面通过一个具体的应用场景，进一步介绍本发明提供的宽带双模数字接收机。

为了用最小的成本和资源建造一个小型甚低频射电阵列，可以将交叉阵子天线固定于现有太阳射电阵列的36个抛物面天线上，天线接收的信号经过低噪声放大器放大后利用光电转换器转换为光信号，再通过太阳射电阵列富余的光纤传输到观测室内，利用电光转换器变为电信号，最终进入本发明提供的宽带双模数字接收机进行信号的采样和处理。

图5所示为ADC采集板与K7-FPGA预处理板构成的功能框图，在ADC采集板中实现模数转换模块的功能，在K7-FPGA预处理板中实现延时补偿模块、通道化处理模块、相位补偿模块以及频率选择模块的功能，经过ADC采集板与K7-FPGA预处理板处理后，再分别进行相关和波束合成的信号处理流程。

考虑到相关处理中需要进行相关运算，相关运算的主要计算单元为复数乘法，因此需要使用大量的乘法器资源，后续的积分累加运算需要进行数据暂存，因此会占用较多的存储资源。类似的，波束合成需要将信号数据与波束系数进行复数乘法，然后累加得到每一个波束的信号，可以看出，需要的同样是乘法器资源和存储资源。因此，可以使用针对天文数据处理专门开发的Snap2处理板来实现相关处理和波束合成处理，在Snap2处理板中包含了丰富的DSP乘法器资源和BRAM内部存储资源。其中，图6是本发明实施例提供的利用Snap2处理板进行相关处理的流程框图；图7是本发明实施例提供的利用Snap2处理板进行波束合成处理的流程框图，相关处理和波束合成处理各需一块Snap2处理板。需要说明的是，在功能上，相关处理和波束合成处理的积分累加、截位和数据封装是一致的，但是参数的设置不同，因此在实现中两者可以均采用Snap2处理板，通过参数的配置来实现不同的功能要求。

具体的，选用的ADC采集板可以同时采集8路模拟信号，采样率可以为160MHz，延时补偿的调整精度为1个采样周期，即6.25ns，然后将每路160MSPS的数据进行通道化处理，通道化处理模块中的多相滤波器组和快速傅里叶变换单元的数据位宽相同，都为18位；多相滤波器组的阶数可以为4阶，快速傅里叶变换的点数可以为2048点。每路天线数据经通道化处理后得到1路数字窄带信号输出，包含1024个频点。

在得到数字窄带信号后，对数字窄带信号进行相位补偿。需要说明的是，在波束合成模式下，同一个波束组内的波束采用相同的延时补偿和相位补偿参数；不同的波束组则采用不同的延时补偿和相位补偿参数。参考积分周期最高可以每10ms实现一个波束组，因此可以每10ms切换不同波束组对应的延时补偿和相位补偿参数。对于数字相关模式，每一个积分周期的延时补偿参数不同，将会导致后期成像时每个积分周期的图像相位中心不一致，但可以通过后续对图像的中心进行校正来解决。

相位补偿后，在整个频带内选择16个频率进行输出，具体的，可以通过在1024个频点中相邻频点的累加来得到不同频率带宽的16个子带输出信号。K7-FPGA预处理板输出的16个子带输出信号的速率为14.4Gbps，通过Snap2处理板上的2个四通道的SFP接口，将子带输出信号输入两块Snap2处理板中，以分别进行相关处理和波束合成处理。其中，数据的处理主要在Snap 2处理板上的FPGA内部完成，包括乘法运算、数据的缓存等。相关处理和波束合成处理的积分周期保持一致，均为10ms。考虑到设计的复杂度与硬件资源的可实现性，在波束合成处理中，可以7个波束组成1个波束组，不同波束组之间可以通过分时来实现，理论上1秒钟内可以形成700个波束。

在经过相关处理后，信号的速率可以由输入时的14.4Gbps减小为253.3Mbps；波束合成处理后的数据速率可以减小为0.69Mbps，从而两者合计输出的总数据速率为～254Mbps，通过万兆网或者千兆网接口都可以实现将数据传输并存储到磁盘阵列上。此外，在数据处理的过程中，根据数据带宽的需求，各个功能模块之间的数据交换可以采用万兆网交换机来实现。

需要指出的是，本发明中的ADC采集板可以选用不同的型号，AD转换器可以工作在不同的频率，只要能够满足采样定理就可以。K7-FPGA预处理板和Snap2处理板也可以采用类似的FPGA处理板，只要能满足数据处理所需的功能和带宽需求即可。当然，采用更为强大的FPGA处理板可以同时产生更多的波束，输出更高时间分辨率的相关结果，但这也将导致系统的功耗增加、复杂度提高、数据输出速率和存储需求增加，以及成本提高。本设计在满足系统功能需求的前提下做到了系统复杂度、数据速率以及成本的均衡；采用的K7-FPGA预处理板和Snap2处理板也都为成熟稳定的数字信号处理平台，且已在天文应用中得到了验证。

利用上述宽带双模数字接收机，本发明实施方式还对应提供一种宽带双模数字接收机的信号处理方法，根据图8所示，为宽带双模数字接收机的信号处理方法流程图，所述方法包括如下步骤：

S1：将各个天线接收的模拟宽带信号转换为数字宽带信号。

S2：对所述数字宽带信号进行延时补偿。

S3：对延时补偿后的数字宽带信号进行通道化处理，以得到数字窄带信号。

S4：对所述数字窄带信号进行相位补偿。

S5：从相位补偿后的数字窄带信号中选取多个不同频率的子带输出信号。

S6：对各个天线的所述子带输出信号进行相关运算，得到天线之间的相关结果数据。

S7：对各个天线的所述子带输出信号进行波束合成处理，以形成波束。

具体的，步骤S3包括：

S31：对所述延时补偿后的数字宽带信号进行多相滤波。

S32：对多相滤波后的数字宽带信号进行快速傅里叶变换，以得到所述数字窄带信号。

本说明书中的上述各个实施方式均采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同相似部分相互参照即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式不同之处。

以上所述仅为本发明的几个实施方式，虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施方式的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种宽带双模数字接收机，其特征在于，包括：

共享信号处理模块、相关处理模块以及波束合成模块；

所述共享信号处理模块，用于向所述相关处理模块以及所述波束合成模块提供各个天线的子带输出信号；

所述相关处理模块，用于对所述各个天线的子带输出信号进行两两相关运算，得到天线之间的相关结果数据；

所述波束合成模块，用于对所述各个天线的子带输出信号进行波束合成处理，以形成波束；

其中，所述共享信号处理模块包括：

模数转换模块，用于将各个天线接收的模拟宽带信号转换为数字宽带信号；

延时补偿模块，用于对所述数字宽带信号进行延时补偿；

通道化处理模块，用于对延时补偿后的数字宽带信号进行通道化处理，以得到数字窄带信号；

相位补偿模块，用于对所述数字窄带信号进行相位补偿；

频率选择模块，用于从相位补偿后的数字窄带信号中选取多个不同频率的子带输出信号。

2.根据权利要求1所述的宽带双模数字接收机，其特征在于，在所述延时补偿模块中，通过对所述数字宽带信号进行整数倍采样间隔的延迟调整，对所述数字宽带信号进行延时补偿。

3.根据权利要求1所述的宽带双模数字接收机，其特征在于，所述通道化处理模块包括：

多相滤波器组，用于对经过所述延时补偿的数字宽带信号进行多相滤波；

快速傅里叶变换单元，用于对多相滤波后的数字宽带信号进行快速傅里叶变换，以得到所述数字窄带信号。

4.根据权利要求1所述的宽带双模数字接收机，其特征在于，在所述相位补偿模块中，通过将所述数字窄带信号中的各个频点与相对应的相位补偿参数进行复乘运算，对所述数字窄带信号进行相位补偿。

5.根据权利要求4所述的宽带双模数字接收机，其特征在于，在所述相位补偿模块中，利用乒乓RAM技术切换不同积分周期的相位补偿参数。

6.根据权利要求1所述的宽带双模数字接收机，其特征在于，在所述频率选择模块中，通过对所述数字窄带信号中的相邻频点的累加，得到多个不同频率的子带输出信号。

7.根据权利要求1所述的宽带双模数字接收机，其特征在于，所述相关处理模块包括：

相关运算单元，用于对不同天线的子带输出信号进行两两相关运算；

第一积分累加单元，用于对所述相关运算单元得到的数据进行积分累加；

第一截位单元，用于对积分累加后的数据进行截位；

第一数据封装单元，用于将截位后的数据进行封装。

8.根据权利要求1所述的宽带双模数字接收机，其特征在于，所述波束合成模块包括：

波束合成计算单元，用于将各个天线的子带输出信号分别与对应的波束系数进行复数乘法；

第二积分累加单元，用于对所述波束合成计算单元得到的数据进行积分累加；

第二截位单元，用于对积分累加后的数据进行截位；

第二数据封装单元，用于将截位后的数据进行封装。

9.一种如权利要求1至8中任意一项所述宽带双模数字接收机的信号处理方法，其特征在于，包括：

将各个天线接收的模拟宽带信号转换为数字宽带信号；

对所述数字宽带信号进行延时补偿；

对延时补偿后的数字宽带信号进行通道化处理，以得到数字窄带信号；

对所述数字窄带信号进行相位补偿；

从相位补偿后的数字窄带信号中选取多个不同频率的子带输出信号；

对各个天线的所述子带输出信号进行两两相关运算，得到天线之间的相关结果数据；

对各个天线的所述子带输出信号进行波束合成处理，以形成波束。

10.根据权利要求9所述的信号处理方法，其特征在于，所述对延时补偿后的数字宽带信号进行通道化处理，以得到数字窄带信号，包括：

对所述延时补偿后的数字宽带信号进行多相滤波；

对多相滤波后的数字宽带信号进行快速傅里叶变换，以得到所述数字窄带信号。

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