CN111464215A - 一种信号采集与处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种信号采集与处理系统，用于采集和处理相控阵馈源接收的多路阵元信号，系统包括：信号采集与预处理单元，包括第一预设数量个节点，每一节点采集预设路数的阵元信号，并对阵元信号进行预处理，并将预处理后的阵元信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号并输出；相关与波束合成单元，包括第三预设数量个节点，每一节点将第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号合成第四预设数量个波束；多波束天文处理单元，用于对波束进行分析与存储。

Description

一种信号采集与处理系统及方法

技术领域

本发明涉及射电望远镜技术领域，尤其涉及一种信号采集与处理系统及方法。

背景技术

射电望远镜的视场(Field of View，FOV)是体现望远镜巡天能力的重要指标，其表征在任何给定时刻可观测天区的范围。对于一架单口径射电望远镜来说，视场和分辨率均可用半波束功率宽度(Half-power Beam Width，HPBW)表述：HPBW＝1.02λ/D，其中，λ为观测波长，D为望远镜的直径。大口径射电望远镜通过增加直径D来获得更高的分辨率和灵敏度，但与此同时望远镜的视场随着口径的增加而减小，从而导致单位时间内观测天区的面积减小，如进行脉冲星或暂现源搜寻、分子谱线巡天等观测，同样大小的观测区域，视场小的望远镜将花费更多的观测时间。口径和视场似乎成为大口径望远镜不可回避的矛盾。然而，多波束接收机的出现打破了这一局面。相控阵馈源(Phased Array Feed，PAF)是近些年在射电天文得到大力发展的多波束接收机技术。PAF使用小型天线作为馈源并将其放置于射电望远镜的焦平面上，通过电子扫描来形成多个同步波束，可以增大望远镜的视场，提高巡天效率，同时，这些密集交叠的波束还可以形成连续的天空覆盖，通过实时波束合成可以实现多种灵活的观测模式，并得到接近甚至超过传统馈源的增益指标。

但大规模PAF馈源排列密集，数量众多，如采用传统的超外差式接收机设计，每个馈源都需要安放模拟混频、滤波和放大等器件，模拟器件的规模将非常庞大，一方面系统的复杂度增加，模拟链路将占有较大的空间，增加了结构紧凑的PAF设计难度，同时，过多的模拟器件将增加接收机的尺寸和重量，导致望远镜的幅面位置随俯仰变化，从而影响望远镜的指向和效率；另一方面，由于模拟器件的一致性存在差异，这将导致不同通道的信号响应不同，在环境温度变化时会引起信号的增益和相位波动，影响PAF波束合成的信号质量。大规模PAF信号速率高、通道多，采样后的数据量巨大，加之数据处理算法复杂，实时性要求高，无法将所有的镇远信号传输至单个计算节点进行处理，一般采用分布式计算架构，每个计算节点处理一段窄带信号。这时单个阵元的数据流将传输至多个计算节点使用，单个计算节点将接收多个阵元的数据流，阵元与计算节点将形成庞大的、交叉的高速数据交换网络，这对数据传输的完整性和数据处理的实时性提出了较大的挑战。另外，数字器件靠近接收机，对于灵敏度极高的大口径望远镜来说，将造成较强的电磁干扰，如何降低数字器件的电磁辐射是设计的一大难点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种信号采集与处理系统及方法，至少解决以上技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种信号采集与处理系统，用于采集和处理相控阵馈源接收的多路阵元信号，系统包括：信号采集与预处理单元，包括第一预设数量个节点，每一节点采集预设路数的阵元信号，并对阵元信号进行预处理，并将预处理后的阵元信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号并输出；相关与波束合成单元，包括第三预设数量个节点，每一节点将第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号合成第四预设数量个波束；多波束天文处理单元，用于对波束进行分析与存储。

可选地，信号采集与预处理单元包括信号采集单元和信号预处理单元，其中：信号采集单元，用于采集相控阵馈源接收的多路阵元信号；信号预处理单元，用于阵元信号的数字下变频和信道化，并输出预设格式的处理信号。

可选地，信号预处理单元包括数字下变频模块和信道化模块，其中：数字下变频模块，用于阵元信号的数字混频和滤波，包括频率综合器、混频器、滤波器以及下采样器，其中：频率综合器，用于将每路阵元信号产生固定频率的余弦和正弦信号；混频器，用于将余弦和正弦信号进行混频生成混频信号；滤波器，用于滤除混频信号中不需要的信号；下采样信器，用于根据预设条件抽取信号，并输出同相和正交两路复信号；信道化模块，用于接收同相和正交两路复信号，并将其信道化，包括PFB、FFT以及格式器，其中：PFB和FFT用于将单通道的同相和正交两路复信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号；格式器用于将所述第二预设数量个不同频段的窄带信号的数据格式化并输出。

可选地，第二预设数量个不同频段的窄带信号通过第五预设数量个网口输出。

可选地，网口的带宽为100Gb。

可选地，相关与波束合成单元的每一节点包括数据协调器、多个波束合成器、与多个波束合成器对应的积分器、相关器、权重因子计算器以及格式器，其中：数据协调器用于将第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号输入相关器和权重因子计算器，以生成与多个波束合成器对应的多个权重向量；波束合成器用于根据权重向量进行波束合成；积分器用于对合成后的波束进行时间累加；格式器用于将积分器输出的信号数据进行封装、格式化并输出。

可选地，多波束天文处理单元包括多个单波束信号处理单元、多波束信号综合分析单元、可视化显示单元以及存储单元，其中：多个单波束信号处理单元与相关与波束合成单元合成的多个波束对应，用于对波束进行处理；多波束信号综合分析单元，用于对处理后的多个波束进行综合分析；可视化显示单元，用于对综合分析的结果进行可视化显示；存储单元，用于存储综合分析的结果。

可选地，第四预设数量个波束依次编号，多波束天文处理单元包括第四预设数量个节点，每一节点用于对第三预设数量个节点中编号相同的波束进行分析和处理。

可选地，多波束天文处理单元还包括一头节点，头节点用于对第四预设数量个节点的数据进行综合分析与处理。

另外，本公开还提供了一种信号采集与处理方法，用于采集和处理相控阵馈源接收的多路阵元信号，方法包括：S1，将多路阵元信号分配至第一预设数量个节点，每一节点采集预设路数的阵元信号，并对阵元信号进行预处理，并将预处理后的每路阵元信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号；S2，将第一预设数量个节点的第二预设数量个不同频段的窄带信号分配至第三预设数量个节点，每一节点将第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号合成第四预设数量个波束；S3，对波束进行分析与存储。

(三)有益效果

本公开提供了一种信号采集与处理系统及方法，至少具有如下技术效果：

采用小型化、低功耗射频信号直接采样技术，在PAF馈源端直接对射频信号进行数字化，消除接收机超外差设计而带来的模拟混频和滤波链路，降低系统复杂性，减少接收机空间和重量，提高信号保真度，为下一代大规模、宽带PAF接收机研发提供高性能、低成本的数字化设计方案；

采用先进的FPGA+CPU/GPU混合计算架构，基于40/100Gb传输链路设计分布式PAF信号实时处理计算网络，采用优化的格式化与数据交换拓扑结构，实现大规模、宽带PAF的实时波束合成计算。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例的信号采集与处理系统的示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的信号采集与处理系统的框图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的信号采集与预处理单元的框图；

图4示意性示出了根据本公开实施例的信号预处理单元的框图；

图5示意性示出了根据本公开实施例的信号采集与预处理单元的工作示意图；

图6示意性示出了根据本公开实施例的相关与波束合成单元的工作示意图；

图7示意性示出了根据本公开实施例的多波束天文处理单元的工作示意图；

图8示意性示出了根据本公开实施例的波束合成子阵划分示意图；

图9示意性示出了根据本公开又一实施例的信号采集与处理系统的工作示意图；

图10示意性示出了根据本公开实施例的信号采集与处理方法的步骤图。

具体实施方式

一种信号采集与处理系统，用于采集和处理相控阵馈源接收的多路阵元信号，如图1和图2所示，系统包括信号采集与预处理单元100、相关与波束合成单元200以及多波束天文处理单元300，信号采集与预处理单元100位于望远镜主焦点上，相关与波束合成单元200以及多波束天文处理单元300位于数字信号处理机房中，信号采集与预处理单元100可以通过K路100Gb数字光纤链路传输至数字信号处理机房，为避免数字设备的电磁辐射对望远镜形成电磁干扰，数字信号处理机房与望远镜相距较远，其中：信号采集与预处理单元100，包括第一预设数量个节点，每一节点采集预设路数的阵元信号，并对阵元信号进行预处理，并将预处理后的阵元信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号并输出；相关与波束合成单元200，包括第三预设数量个节点，每一节点将第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号合成第四预设数量个波束；多波束天文处理单元300，用于对波束进行分析与存储。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

信号采集与预处理单元100，包括第一预设数量个节点，每一节点采集预设路数的阵元信号，并对阵元信号进行预处理，并将预处理后的阵元信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号并输出。

信号采集与预处理单元100可以对PAF输出的射频信号进行直接采样，假设其采样频率为Fs MHz。PAF输出的射频信号为多路阵元信号。该信号采集与预处理单元包括第一预设数量个节点，例如M个节点，每个节点可以采集J路阵元信号，每个节点采集的阵元信号的路数可以不同也可以相同。每个节点对阵元信号进行混频、滤波等预处理。每一节点均可将预处理后的阵元信号根据频段划分成第二预设数量如Q个窄带信号，并将其输出。

具体的，如图3所示，信号采集与预处理单元100包括信号采集单元110和信号预处理单元120，其中：

信号采集单元110，用于采集相控阵馈源接收的多路阵元信号。

信号预处理单元120，用于阵元信号的数字下变频和信道化，并输出预设格式的处理信号。如图4所示，信号预处理单元120包括数字下变频模块121和信道化模块122，其中：

数字下变频模块121，用于阵元信号的数字混频和滤波，如图5所示，包括频率综合器1211、混频器1212、滤波器1213以及下采样器1214，其中：频率综合器1211，用于将每路阵元信号产生固定频率的余弦和正弦信号；混频器1212，用于将上述余弦和正弦信号进行混频生成混频信号；滤波器1213，用于滤除混频信号中不需要的信号；下采样信器1214，用于根据预设条件抽取信号，并输出同相和正交两路复信号，并输出预设带通的信号，假设带宽为Fp MHz。

信道化模块122，用于接收同相和正交两路复信号，并根据频率对其进行窄带通道划分。如图5所示，信道化模块122包括PFB1221、FFT1222以及格式器1223，其中：PFB1221和FFT1222用于将单通道的同相和正交两路复信号分成第二预设数量如I个不同频段的窄带信号，则信号带宽为Fp/I MHz；格式器1223用于将第二预设数量也即I个不同频段的窄带信号的数据格式化并通过高速网口输出，如可以将每个信号采集与预处理节点的数据由K/M个100Gb高速网口。

相关与波束合成单元200，包括第三预设数量个节点，每一节点将第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号合成第四预设数量个波束。波束合成是PAF信号处理的核心，是实现PAF快速电扫描并形成多个波束的基础，其基本原理是将每个主瓣转向角Ω_i内的阵元信号相加形成一个波束，波束输出可表示为：

其中，x[n]为包含多个阵元信号的数组，w_i称作权重向量，采用矢量矩阵来表示不同阵元的增益和相位权重，用来调整不同传输路径下的阵元信号时延，并补偿不同阵元链路中信号增益响应的差异，H表示共轭转置，N是合成波束的总个数，多个波束使用多个w_i来计算。

本公开实施例中，相关与波束合成单元200包括S个节点，每一节点将信号采集与预处理单元100的M个节点中某一频段的窄带信号合成为N个波束，每个节点处理Fp/S MHz带宽，即处理由信号采集与预处理的每一节点输出的I/S个信道。如图6所示，相关与波束合成单元200的每一节点包括数据协调器210、多个波束合成器220、与所述多个波束合成器对应的积分器230、相关器240、权重因子计算器250以及格式器260，其中：数据协调器210将第一预设数量个节点中固定频段的I/S个窄带信号输入相关器240和权重因子计算器250，以生成与多个波束合成器220对应的多个权重向量w_i；波束合成器220根据权重向量w_i进行波束合成，可以为将该节点中所有阵元分成N个子阵，将每个子阵内的阵元信号合成一个波束；积分器230对合成后的N个波束进行时间累加，以提高信噪比，减少数据量；最后由N个积分器输出的数据进入格式器260。格式器260将积分器230输出的信号数据进行封装、格式化如对N个波束进行编码并通过高速网口输出。

经波束合成后的信号通过L条40Gb高速数据链路传输至多波束天文处理单元300，进行天文计算。多波束天文处理单元300最大信号处理带宽为Fm MHz，如图7所示，包括多个单波束信号处理单元310、多波束信号综合分析单元320、可视化显示单元330以及存储单元340，其中，多个单波束信号处理单元310与相关与波束合成单元200合成的多个波束对应，用于对波束进行处理，由上可知，相关与波束合成单元200的每个节点包括N个波束，并对波束进行依次编码，单波束信号处理单元310的数量与相关与波束合成单元200的每个节点中包含的波束数量相同也即为N个，单波束信号处理单元310的每一节点接收相关与波束合成单元200的每个节点中编号相同的波束；多波束信号综合分析单元320，其为一节点，用于对处理后的多个波束进行综合分析，例如，当进行脉冲星搜寻或暂现源探测时，消除由于射频干扰而带来的虚假信号，脉冲星和暂现源信号一般为点源，远小于射电望远镜的波束，当主波束指向此类源时，其他波束不会探测到明显的相关信号，如信号较强，相邻波束将接收到较弱的信号。而射频干扰信号是由人为产生，辐射角可能很大，当辐射能量较强时，多个波束都会接收到较明显的强信号。根据以上原理可以将虚假信号剔除。可视化显示单元330，用于对综合分析的结果进行可视化显示，例如将数据传输至成像模块进行图像合成与分析以可视化显示；存储单元340，用于存储综合分析的结果，该存储单元340可以为磁盘阵列、硬盘、软盘等存储介质。

以下为本公开的又一实施例以对本公开中的信号采集与处理系统进行详细介绍。

PAF包含19个阵元、双极化，输出射频为700-1800MHz。信号采集与预处理单元100由3个节点组成，对PAF输出的射频信号直接采样，采样带宽为2048MHz，采样精度为12bit，第1个节点采集7路阵元信号，第2、3个节点都采集6路阵元信号。信号采集与预处理单元100采样后的信号进入数字下变频模块121进行数字混频和滤波，输出信号频率为704-1728MHz，带宽为1024MHz。输出信号进入信道化模块122进行窄带通道划分，由PFB和FFT将单通道1024MHz的宽带信号分成1024个1MHz的窄带信号，然后由格式器1223将数据格式化通过3个100Gb高速网口输出。

相关与波束合成单元200由8个节点组成，每个节点处理128MHz带宽，即处理由信号采集与预处理节点输出的128个信道，合成7个波束，波束合成子阵划分示意图如图8所示。每个波束由7个阵元组成，例如：1-7号阵元组成1号子阵，1-3、7-9、19号阵元组成2号子阵。经波束合成后的信号通过8条40Gb高速数据链路传输至多波束天文处理单元300进行天文计算，多波束天文处理单元300由7个处理节点和1个头节点组成，最大信号处理带宽为1024MHz。

应用于射电天文相控阵馈源的信号采集与处理系统的格式化与数据交换示意图如图9所示。信号采集与预处理单元100由3个节点组成，节点1采集1-7号阵元信号，节点2、3都采集6路阵元信号，信道化后根据频段将信号分为8组，传输至相应的相关与波束合成节点。例如：节点1中第1组为1-7号阵元、频段1(E1_F1，...，E7_F1)，节点1中第2组为1-7号阵元、频段2(E1_F2，...，E7_F2)，节点3中第8组为14-19号阵元、频段8(E14_F8，...，E19_F8)。

相关与波束合成单元200由8个节点组成，每个节点处理一个频段的信号，合成7个波束。例如：第1个节点接收所有1-19号阵元、频段1数据(E1_F1，...，E19_F1)，经波束合成后产生频段1的所有7个波束(F1_B1，...，F1_B7)。第8个节点接收所有1-19号阵元、频段8数据(E1_F8，...，E19_F8)，经波束合成后产生频段8的所有7个波束(F8_B1，...，F8_B7)。

多波束天文处理单元300由7个节点组成，每个节点处理一个波束的信号。例如：第1个节点接收波束1的所有频段数据(F1_B1，...，F8_B1)，第7个节点接收波束7的所有频段数据(F1_B7，...，F8_B7)。所有7个节点处理完的数据汇聚至头节点进行多波束信号综合分析。

信号采集与预处理节点可基于美国Xilinx公司的射频片上系统(RFSoC)进行设计，该芯片集成了UltraScale+FPGA、ARM、ADC/DAC、100G以太网络等多种资源，单块芯片最多可实现8通道5GSPS、12bit采样，功耗低、电磁辐射小。相关与波束合成节点基于高性能计算机(HPC)实现，每台HPC配2颗CPU核心和4块GPU卡。多波束天文处理节点基于HPC实现，每台HPC配2颗CPU核心和2块GPU卡。

基于上述信号采集与处理系统，本公开还提供了一种信号采集与处理方法，用于采集和处理相控阵馈源接收的多路阵元信号，如图10所示，该方法包括：

S1，将多路阵元信号分配至第一预设数量个节点，每一节点采集预设路数的阵元信号，并对阵元信号进行预处理，并将预处理后的每路阵元信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号；

S2，将第一预设数量个节点的第二预设数量个不同频段的窄带信号分配至第三预设数量个节点，每一节点将第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号合成第四预设数量个波束；

S3，对波束进行分析与存储。

综上所述，本申请提供的信号采集与处理系统及方法，采用小型化、低功耗射频信号直接采样技术，在PAF馈源端直接对射频信号进行数字化，降低了系统复杂度，提高了信号保真度。采用FPGA+CPU/GPU混合计算架构，基于40/100Gb传输链路设计分布式PAF信号实时处理计算网络，采用优化的格式化与数据交换拓扑结构，可实现大规模、宽带PAF的实时波束合成计算与天文信号处理。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种信号采集与处理系统，用于采集和处理相控阵馈源接收的多路阵元信号，所述系统包括：

信号采集与预处理单元，包括第一预设数量个节点，每一节点采集预设路数的阵元信号，并对所述阵元信号进行预处理，并将预处理后的阵元信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号并输出；

相关与波束合成单元，包括第三预设数量个节点，每一节点将所述第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号合成第四预设数量个波束；

多波束天文处理单元，用于对所述波束进行分析与存储。

2.根据权利要求1所述的系统，所述信号采集与预处理单元包括信号采集单元和信号预处理单元，其中：

所述信号采集单元，用于采集所述相控阵馈源接收的多路阵元信号；

所述信号预处理单元，用于所述阵元信号的数字下变频和信道化，并输出预设格式的处理信号。

3.根据权利要求2所述的系统，所述信号预处理单元包括数字下变频模块和信道化模块，其中：

数字下变频模块，用于所述阵元信号的数字混频和滤波，包括频率综合器、混频器、滤波器以及下采样器，其中：

频率综合器，用于将每路所述阵元信号产生固定频率的余弦和正弦信号；

混频器，用于将所述余弦和正弦信号进行混频生成混频信号；

滤波器，用于滤除所述混频信号中不需要的信号；

下采样信器，用于根据预设条件抽取信号，并输出同相和正交两路复信号；

信道化模块，用于接收所述同相和正交两路复信号，并将其信道化，包括PFB、FFT以及格式器，其中：

PFB和FFT用于将单通道的所述同相和正交两路复信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号；

格式器用于将所述第二预设数量个不同频段的窄带信号的数据格式化并输出。

4.根据权利要求1所述的系统，所述第二预设数量个不同频段的窄带信号通过第五预设数量个网口输出。

5.根据权利要求4所述的系统，所述网口的带宽为100Gb。

6.根据权利要求1所述的系统，所述相关与波束合成单元的每一节点包括数据协调器、多个波束合成器、与所述多个波束合成器对应的积分器、相关器、权重因子计算器以及格式器，其中：

所述数据协调器用于将所述第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号输入所述相关器和权重因子计算器，以生成与所述多个波束合成器对应的多个权重向量；

所述波束合成器用于根据所述权重向量进行波束合成；

所述积分器用于对合成后的波束进行时间累加；

所述格式器用于将所述积分器输出的信号数据进行封装、格式化并输出。

7.根据权利要求6所述的系统，所述多波束天文处理单元包括多个单波束信号处理单元、多波束信号综合分析单元、可视化显示单元以及存储单元，其中：

多个单波束信号处理单元与所述相关与波束合成单元合成的多个波束对应，用于对所述波束进行处理；

多波束信号综合分析单元，用于对处理后的多个波束进行综合分析；

可视化显示单元，用于对所述综合分析的结果进行可视化显示；

存储单元，用于存储所述综合分析的结果。

8.根据权利要求1所述的系统，所述第四预设数量个波束依次编号，所述多波束天文处理单元包括第四预设数量个节点，每一节点用于对所述第三预设数量个节点中编号相同的波束进行分析和处理。

9.根据权利要求8所述的系统，所述多波束天文处理单元还包括一头节点，所述头节点用于对所述第四预设数量个节点的数据进行综合分析与处理。

10.一种信号采集与处理方法，用于采集和处理相控阵馈源接收的多路阵元信号，所述方法包括：

S1，将所述多路阵元信号分配至第一预设数量个节点，每一节点采集预设路数的阵元信号，并对所述阵元信号进行预处理，并将预处理后的每路阵元信号分成第二预设数量个不同频段的窄带信号；

S2，将所述第一预设数量个节点的第二预设数量个不同频段的窄带信号分配至第三预设数量个节点，每一节点将所述第一预设数量个节点中固定频段的窄带信号合成第四预设数量个波束；

S3，对所述波束进行分析与存储。

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