CN111884695A - 相位阵馈源接收机数字后端设备及相位阵馈源接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种相位阵馈源接收机数字后端设备及相位阵馈源接收机，该相位阵馈源接收机数字后端设备包括数据传输模块、数字信号预处理模块、数据存储模块和波束合成网络模块，该数字信号预处理模块包括集成有多个多通道模拟数字转换器的可编程逻辑门阵列，各多通道模拟信号转换器用于并行转换多路模拟数据得到多路数字数据，可编程逻辑门阵列用于对多路数字数据进行通道化处理，并将通道化处理后的数据发送至数据传输模块；波束合成网络模块，用于根据通道化处理后的数据进行校准或波束合成。本发明可以降低硬件成本，并可实现离线波束合成及实时波束合成两种工作模式，高效利用系统存储资源。

Description

相位阵馈源接收机数字后端设备及相位阵馈源接收机

技术领域

本发明涉及射电望远镜技术领域，具体而言，涉及一种相位阵馈源接收机数字后端设备及相位阵馈源接收机。

背景技术

射电望远镜一般由天线和接收系统两大部分组成，接收系统包括馈源和接收机组件，现有的相位阵馈源(Phased Array Feed，PAF)接收机系统具有高增益、大视场和可控远场方向图等优势。通过并行扩展传统接收机技术可实现PAF数字后端波束合成网络，该方案通过多采样卡并用实现多路射频信号采样，再独立完成多通道数据处理，并同步存储至数据服务器，之后再离线方式下完成波束合成网络的计算。

上述数字后端方案对各路射频信号通道分别采样、独立处理，浪费运算资源且硬件成本高昂。

发明内容

本发明解决的是现有射电望远镜接收机数字后端方案存在的浪费运算资源且硬件成本高昂的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种相位阵馈源接收机数字后端设备，包括数据传输模块，以及与所述数据传输模块分别连接的数字信号预处理模块、数据存储模块和波束合成网络模块；所述数字信号预处理模块包括集成有多个多通道模拟数字转换器的可编程逻辑门阵列，各所述多通道模拟信号转换器用于并行转换多路模拟数据得到多路数字数据，所述可编程逻辑门阵列用于对所述多路数字数据进行通道化处理，并将通道化处理后的数据发送至所述数据传输模块；所述数据传输模块，用于将所述通道化处理后的数据发送至所述数据存储模块和/或所述波束合成网络模块；所述波束合成网络模块，用于根据所述通道化处理后的数据进行校准或波束合成；所述数据存储模块，用于存储所述通道化处理后的数据，和/或所述波束合成网络模块进行波束合成得到的天文观测数据。

可选地，所述波束合成网络模块包括多个独立的波束合成网络子模块，各所述波束合成网络子模块分别包括计算服务器和多个图形处理器。

可选地，所述可编程逻辑门阵列用于对所述多路数字数据进行通道化处理得到多个子数据包，并通过所述数据传输模块将各子数据包分别发送至所述数据存储模块；各所述子数据包分别包括振子单元的不同通道数据；所述波束合成网络模块用于读取所述数据存储模块内的所述各子数据包，并由各所述图形处理器根据所述各子数据包进行校准，得到各通道各振子单元的加权因子。

可选地，所述可编程逻辑门阵列用于通过所述数据传输模块将各所述子数据包分别发送至所述波束合成网络子模块的各所述图形处理器；所述波束合成网络子模块的各所述图形处理器用于分别根据所述子数据包及所述各通道各振子单元的加权因子进行波束合成，得到天文观测数据。

可选地，当执行校准观测时，所述数据传输模块将所述可编程逻辑门阵列通道化处理后的数据，发送至所述数据存储模块；当执行实时天文观测时，所述数据传输模块将所述可编程逻辑门阵列通道化处理后的数据，发送至所述波束合成网络模块。

可选地，所述数据存储模块包括第一存储器和第二存储器，所述第一存储器的读写速度大于所述第二存储器；所述第一存储器用于存储所述通道化处理后的数据，所述第二存储器用于存储所述天文观测数据。

可选地，还包括射频-网线转换模块；所述射频-网线转换模块用于连接射频传输装置及所述数字信号预处理模块。

可选地，所述数字信号预处理模块还包括至少一个网络设备，所述网络设备与所述数字信号预处理模块通信连接。

可选地，所述数据存储模块还用于存储所述各通道各振子单元的加权因子。

本发明提供一种相位阵馈源接收机，包括上述相位阵馈源接收机数字后端设备。

本发明实施例提供的相位阵馈源接收机数字后端设备，采用多通道模拟信号转换器实现数字信号采样，并将多路数字信号传输至基于可编程逻辑门阵列实现预处理，可以在一个可编程逻辑门阵列上并行处理多路数字信号，相比于传统多路信号独立采样、分别处理的方案，降低了所需DSP硬件的成本；并且可分别针对系统校准调试和常规天文观测，分别实现离线波束合成及实时波束合成两种工作模式，从而高效利用系统存储资源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为基于传统接收机技术实现PAF后端的框架示意图；

图2为本发明的一个实施例中一种相位阵馈源接收机数字后端设备的结构示意图；

图3为本发明的一个实施例中一种相位阵馈源接收机数字后端设备的系统框架示意图。

附图标记说明：

101-数据传输模块；102-数字信号预处理模块；103-数据存储模块；104-波束合成网络模块；105-前端模块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

与传统射电天文接收机技术相比，PAF接收机系统具有高增益、大视场和可控远场方向图等优势。通过在焦面上密排馈源阵列对焦面场采样，后续通过波束合成网络实现数字波束合成，以完成对宇宙天体的观测。PAF的波束合成网络需要的计算量很大，是制约PAF在射电天文中应用的瓶颈。

通过并行扩展传统接收机技术可实现PAF数字后端波束合成网络，该方案通过多个采样卡并用实现多路射频信号采样，再独立完成多通道数据处理，并同步存储至数据服务器，之后再离线方式下完成波束合成网络的计算。

如图1所示的基于传统接收机技术实现PAF后端的框架示意图，阵列单元采集的多路射频信号(Radio Frequency，RF)通过射频前端模块传输给模拟信号转换器，以数字采样卡(Analog-to-Digital Converter，ADC)为例，再通过数字信号处理模块(Digital SignalProcessing，DSP)进行预处理，之后各路信号同时传输至数据存储中心，最后由高性能计算(High Performance Computing,HPC)服务器以离线的方式读取数据并进行波束合成网络的数值计算，并将合成波束的观测数据存储至数据存储中心。

上述数字后端方案对各路射频信号通道分别采样、独立处理，一定程度上限制了DSP算法优化空间，浪费运算资源，导致造价昂贵。上述方案采用离线方案完成数字波束合成。对数据存储中心的数据读写操作频繁，总带宽需求较高，在PAF阵列单元规模较大时，将造成存储性能瓶颈。离线波束合成有利于进行望远镜系统的校准调试，但对于常规天文观测，该模式将引入大量数据冗余，对系统存储空间及性能带来巨大挑战。

图2是本发明的一个实施例中一种相位阵馈源接收机数字后端设备的结构示意图，该相位阵馈源接收机数字后端设备包括数据传输模块101，以及与数据传输模块101分别连接的数字信号预处理模块102、数据存储模块103和波束合成网络模块104。

其中，数字信号预处理模块102包括集成有多个多通道模拟数字转换器的可编程逻辑门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)，各多通道模拟信号转换器用于并行转换多路模拟数据得到多路数字数据，该可编程逻辑门阵列用于对多路数字数据进行通道化处理，并将通道化处理后的数据发送至数据传输模块。该多通道模拟数字转换器可以是多路ADC采样卡。FPGA可以通过数字信号处理并行算法，实现高效多相滤波组(Poly-phasefilter bank,PFB)通道化，之后还可以进行射频通带带内数字增益补偿、比特位量化选取、信号通道-频率通道的矩阵转置、数据格式化打包等处理。

数据传输模块101，用于将通道化处理后的数据发送至数据存储模块和/或波束合成网络模块。当执行校准观测时，数据传输模块101将可编程逻辑门阵列通道化处理后的数据发送至数据存储模块103；当执行实时天文观测时，数据传输模块101将可编程逻辑门阵列通道化处理后的数据发送至波束合成网络模块104。可以理解的是，在执行实时天文观测时，不需要存储数据信号预处理模块输出的原始数据，因此数据传输模块101无需将上述原始数据发送至数据存储模块103，而是直接发送至波束合成网络模块104进行波束合成。

波束合成网络模块104，用于根据通道化处理后的数据进行校准或波束合成。波束合成网络模块104可分别针对系统校准调试和常规天文观测任务，实现离线波束合成及实时波束合成两种工作模式，灵活设置，相对高效利用系统整体存储资源。

数据存储模块103，用于存储通道化处理后的数据，和/或波束合成网络模块104进行波束合成得到的天文观测数据。

本发明实施例提供的相位阵馈源接收机数字后端设备，采用多通道模拟信号转换器实现数字信号采样，并将多路数字信号传输至基于可编程逻辑门阵列实现预处理，可以在一个可编程逻辑门阵列上并行处理多路数字信号，相比于传统多路信号独立采样、分别处理的方案，降低了所需DSP硬件的成本；并且可分别针对系统校准调试和常规天文观测，分别实现离线波束合成及实时波束合成两种工作模式，从而高效利用系统存储资源。

图3是本发明的一个实施例中一种相位阵馈源接收机数字后端设备的系统框架示意图，示出了数据传输模块101、数字信号预处理模块102、数据存储模块103、波束合成网络模块104和前端(Frontend)模块105。

可选地，上述波束合成网络模块104可以包括多个独立的波束合成网络子模块，各波束合成网络子模块分别包括计算服务器和多个图形处理器。如图3所示，波束合成网络模块104包括2个独立的波束合成网络子模块，每个波束合成网络子模块均由1个计算服务器(Server)和2个图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)组成。

可选地，上述FPGA可以对多路数字数据进行通道化处理得到多个子数据包，并通过数据传输模块101将各子数据包分别发送至数据存储模块103；各子数据包分别包括振子单元的不同通道数据；上述波束合成网络模块104可以读取数据存储模块103内的各子数据包，并由各GPU根据各子数据包进行校准，得到各通道各振子单元的加权因子。如图3所示，数据传输模块101以万兆以太网交换机为例进行说明。

可选地，FPGA可以通过数据传输模块101将各子数据包分别发送至波束合成网络子模块的各GPU；波束合成网络子模块的各GPU可以分别根据上述子数据包及各通道各振子单元的加权因子进行波束合成，得到天文观测数据。

数字信号预处理模块102还可以包括至少一个网络设备，该网络设备例如可以是万兆网卡，其与数字信号预处理模块通信连接。如图3所示，在各个FPGA上均设置有40Gbps网卡。

进一步，上述相位阵馈源接收机数字后端设备还可以包括射频-网线转换模块，用于连接射频传输装置及数字信号预处理模块。

在以下实施例中，示例性介绍一种相位阵馈源接收机数字后端设备的具体构成。该相位阵馈源接收机数字后端设备，包括：

(1)射频-网线转换模块

本实施例中的PAF后端设备包含2个独立的射频-网线转换模块，每个模块可实现32路SMA接口的射频传输线到8条RJ-45的CAT6类以太网线的转换。射电望远镜前端系统通过射频电缆提供给后端系统。射频-网线转换器实现SMA射频接口到RJ-45网络接口的转换，将4路独立传输的射频模拟信号通过1条CAT6类网线传输至ADC。每个ADC通过4个RJ-45接收16路模拟信号。

(2)数字信号预处理模块

本实施例中的PAF后端设备包含2个独立的数字信号预处理模块，2个数字信号预处理模块分别对应处理PAF前端阵列2个偏振(polarizations)(各32路)的射频信号。每个数字信号预处理模块各包括2个16路ADC采样卡、1个FPGA主板、2个4网口万兆以太网卡。上述每个ADC采样卡通过4个RJ-45网口接收16路射频模拟信号并实时完成8比特位的模拟数字信号转换。2个ADC采样卡实时将32路8比特数字信号传输至FPGA主板。

此模块中使用1个FPGA主板接收32路数字信号并进行预处理。通过数字信号处理并行算法，实现PFB通道化(Channelization)，之后进行射频通带带内数字增益补偿、比特位量化选取、信号通道-频率通道的矩阵转置、数据格式化打包等处理，最后将数据传输至万兆以太网卡。此模块中使用2个4个SPF+10Gbps的万兆网卡(Net card)，将FPGA主板处理打包好的数据包发送至万兆交换机(Ethernet Switch)。

上述数字信号预处理模块采用2个16路ADC采样卡连接1个FPGA主板，实现将32个振子单元(1个偏振)的共32路数字信号在同一FPGA芯片上并行处理，从而通过高效DSP算法实现32路信号并行PFB通道化。

通过FPGA对数字化的时域天文基带采样信号的预处理，核心任务是实现频率通道化，高效率对32路信号实现多路同步化处理，进而充分利用FPGA芯片计算资源，同时大大降低对FPGA主板数量需求，进而有效降低了系统整体成本。相比于传统多路信号独立采样及预处理的方案，本实施例采用的方案大大降低了DSP硬件的总体成本。

(3)数据传输模块

本实施例中的数据传输模块的核心硬件为万兆以太网交换机，通过高速SPF+数据传输电缆将后端系统各个功能模块连接，包括数字信号预处理模块、数字信号预处理模块以及波束合成网络模块。

根据天文观测需求，数据由数字信号预处理模块，通过万兆以太网交换机分发至数据存储模块以及波束合成网络模块。对于PAF系统校准观测，需要存储原始基带数据，观测数据将由数字信号预处理模块传输至数据存储模块，完成数据存储，之后由波束合成网络模块通过数据传输模块读取数据，进行校准优化计算，并将校准参数返回至数据存储模块。对于PAF天文观测，不必存储原始基带数据，观测数据将由数字信号预处理模块传输至波束合成网络，波束合成网络通过预定校准参数，进行实时波束合成计算，并将合成波束的数据结果返回至数据存储模块，完成数据存储。

上述32路数字采样时域基带数据，经FPGA预处理后完成1024通道化，形成32x1024的矩阵，在FGPA中通过数据打包设计，按通道数分为两个子包(32x 512x 2)，每个子包数据将独立发往一块GPU计算卡进行处理。每块GPU计算卡将获得所有振子单元的不同通道数据，各通道相对独立的完成波束合成的加权求和计算以及前期校准所需的协方差矩阵计算。

通过万兆以太网模块，将数字信号预处理模块、高速数据处理模块以及波束合成网络模块组网连接。一方面实现了数字信号预处理之后，灵活的定向数据分发，可按实际功能需求将原始基带数据发送至存储模块或波束合成模块。另一方面，实现波束合成模块由数字预处理模块实时接收基带数据，或由数据存储模块读取离线基带数据的灵活转换。因此，引入万兆以太网模块使得PAF后端系统可按实际观测需求，在PAF系统校准观测与PAF系统天文观测之间灵活转换。

(4)数据存储模块

数据存储模块可以包括第一存储器和第二存储器，该第一存储器的读写速度大于第二存储器。其中，第一存储器用于存储通道化处理后的数据，第二存储器用于存储天文观测数据。上述数据存储模块还用于存储各通道各振子单元的加权因子。

在本实施例中，数据存储模块(Data Storage)由固态硬盘磁盘阵列及机械硬盘磁盘阵列共同组成。固态硬盘磁盘阵列读写速度快，造价昂贵，存储空间小；机械硬盘磁盘阵列相对读写速度慢，价格便宜，存储空间大。

具体地，可以使用固态硬盘磁盘阵列进行PAF系统校准观测时的原始基带数据存储，此时数据传输量大，需快速读写，但不需要长期存储，因此对存储空间总量需求较低。使用机械磁盘阵列进行PAF系统天文观测数据存储，此时只存储经波束合成网络计算后的合成波束数据，数据传输量相对较小，读写速度需求较低，但天文观测数据需要长期保存，因此对存储空间总量需求较高。对应各自需求使用不同等级的独立硬盘冗余阵列(redundantarray of independent disks，RAID)实现，固态磁盘阵列对读写速度要求较高，使用RAID0方式组阵，而机械磁盘阵列许进行数据长期保存，对安全性要求较高，使用RAID6方式组阵。

(5)波束合成网络模块

波束合成网络模块用于实现实时高性能数据计算，由于观测数据量较大并需实时处理，对模块数据计算性能需求较高，PAF后端系统包含2个独立的波束合成网络模块，2个模块分别对应处理PAF前端阵列2个偏振(各32路)信号。每个波束合成网络模块由1台高性能计算服务器(Server)及两块GPU组成。计算服务器完成高速数据接收，格式化解码，并发送至GPU实现实时波束合成计算，最后由服务器完成天文数据格式化打包处理，发送至数据存储模块，完成数据存储。

在校准观测中，使望远镜对准校准射电源进行跟踪观测，此时FPGA预处理的数据实时存储于存储服务器。观测完成后，由GPU服务器的校准软件读取校准观测数据，通过GPU对每个频率通道的32路信号进行协方差矩阵计算，进一步通过波束合成优化算法求解各通道各振子的加权因子，并将该加权因子存储于波束合成器，用于之后实时天文观测的波束合成。

在实时天文观测中，使望远镜对准被测射电源(或被测天区)，此时将FPGA预处理的数据按设计需求打包并分发到各个GPU，在GPU服务器上通过波束合成软件实时对各通道的32路信号进行加权求和的复运算，以给出对应合成波束的功率谱，并将数据按标准天文数据格式存储于数据存储服务器。

本实施例提供的上述PFA数字后端设备，为匹配PAF前端32单元双偏振阵列，具有较强的可扩展特性。可通过硬件设备的成倍叠加，并通过万兆以太网模块组网接入，即可通过对数据预处理模块进行简单的数据分发设置，即可实现对64单元、128单元、以至256单元PAF前端系统的匹配。本实施例使用的数据分发网络结构，使得系统扩展时不会引入对单一的数据存储或波束合成模块造成更高的性能需求，因此扩展系统设备不会造成某一组成模块成为性能瓶颈。而传统的实现方案，在进行单元数扩展时，将对系统存储及波束合成网络的计算性能需求带来瓶颈上限，随之造价急剧增加。

本实施例还提供一种相位阵馈源接收机，包括上述实施例提供的相位阵馈源接收机数字后端设备。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种相位阵馈源接收机数字后端设备，其特征在于，包括数据传输模块，以及与所述数据传输模块分别连接的数字信号预处理模块、数据存储模块和波束合成网络模块；

所述数字信号预处理模块包括集成有多个多通道模拟数字转换器的可编程逻辑门阵列，各所述多通道模拟信号转换器用于并行转换多路模拟数据得到多路数字数据，所述可编程逻辑门阵列用于对所述多路数字数据进行通道化处理，并将通道化处理后的数据发送至所述数据传输模块；

所述数据传输模块，用于将所述通道化处理后的数据发送至所述数据存储模块和/或所述波束合成网络模块；

所述波束合成网络模块，用于根据所述通道化处理后的数据进行校准或波束合成；

所述数据存储模块，用于存储所述通道化处理后的数据，和/或所述波束合成网络模块进行波束合成得到的天文观测数据。

2.根据权利要求1所述的相位阵馈源接收机数字后端设备，其特征在于，所述波束合成网络模块包括多个独立的波束合成网络子模块，各所述波束合成网络子模块分别包括计算服务器和多个图形处理器。

3.根据权利要求2所述的相位阵馈源接收机数字后端设备，其特征在于，所述可编程逻辑门阵列用于对所述多路数字数据进行通道化处理得到多个子数据包，并通过所述数据传输模块将各子数据包分别发送至所述数据存储模块；各所述子数据包分别包括振子单元的不同通道数据；

所述波束合成网络模块用于读取所述数据存储模块内的所述各子数据包，并由各所述图形处理器根据所述各子数据包进行校准，得到各通道各振子单元的加权因子。

4.根据权利要求3所述的相位阵馈源接收机数字后端设备，其特征在于，所述可编程逻辑门阵列用于通过所述数据传输模块将各所述子数据包分别发送至所述波束合成网络子模块的各所述图形处理器；

所述波束合成网络子模块的各所述图形处理器用于分别根据所述子数据包及所述各通道各振子单元的加权因子进行波束合成，得到天文观测数据。

5.根据权利要求4所述的相位阵馈源接收机数字后端设备，其特征在于，当执行校准观测时，所述数据传输模块将所述可编程逻辑门阵列通道化处理后的数据，发送至所述数据存储模块；

当执行实时天文观测时，所述数据传输模块将所述可编程逻辑门阵列通道化处理后的数据，发送至所述波束合成网络模块。

6.根据权利要求1-5任一项所述的相位阵馈源接收机数字后端设备，其特征在于，所述数据存储模块包括第一存储器和第二存储器，所述第一存储器的读写速度大于所述第二存储器；

所述第一存储器用于存储所述通道化处理后的数据，所述第二存储器用于存储所述天文观测数据。

7.根据权利要求1-5任一项所述的相位阵馈源接收机数字后端设备，其特征在于，还包括射频-网线转换模块；

所述射频-网线转换模块用于连接射频传输装置及所述数字信号预处理模块。

8.根据权利要求1-5任一项所述的相位阵馈源接收机数字后端设备，其特征在于，所述数字信号预处理模块还包括至少一个网络设备，所述网络设备与所述数字信号预处理模块通信连接。

9.根据权利要求3所述的相位阵馈源接收机数字后端设备，其特征在于，所述数据存储模块还用于存储所述各通道各振子单元的加权因子。

10.一种相位阵馈源接收机，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的相位阵馈源接收机数字后端设备。

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