CN204964621U - 基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台 - Google Patents

Abstract

基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台，由捷变收发器AD9361电路板、FPGA控制电路板及控制计算机依次连接组成。其中，捷变收发器AD9361电路板的输入信号带宽达到DC～6GHz，其信号输入端与射电天文望远镜的射频输出端相连，控制端和数据输出端与FPGA控制电路板相连，FPGA控制电路板通过网口与主控计算机相连，在主控计算机端集成了控制软件，在该平台上根据窄带谱线射电源红移、中心频点及轮廓展宽等参数，通过FPGA芯片向AD9361下达中心频点、观测带宽及AGC(自动增益控制)增益等参数。本实用新型针对射电天文中窄带谱线的观测目标，较之于传统设备具有带通选择灵活性高，频谱分辨率高等优点。

Description

基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台

技术领域

本实用新型涉及射电天文中6GHz以下厘米-分米波段内窄带谱线频谱分析观测领域，尤其适合于工作于L-C波段大型望远镜对脉泽、分子谱线的观测要求。

技术背景

微波谱线在射电天文观测中具有举足轻重的地位，可用于诊断相关天体的基本物理及化学条件，如激发温度、粒子密度、物质运动区的速度场、磁感应强度及各种元素的化学丰度等。通过观测获得分子云及恒星形成区的谱线数据后，可以通过适当的近似方法来求解统计平衡辐射转移方程，从而获得天体的各种信息。

通过对分子谱线的观测，将使得我们能够研究包括恒星形成区早期、恒星演化晚期、超新星爆炸(超新星遗迹)、行星状星云、彗星、河外星系等一系列的天文学现象。对它们在C波段谱线的观测研究，关联了很多研究内容，例如：(1)基于6.7GHz甲醇脉泽相关的研究，6.7GHz甲醇脉泽由于其辐射流量大、致密(角大小约4毫角秒，线大小约几个天文单位)、寿命长(约4年)、普遍存在(银河系内探测到1000多个源)以及非常小的内部固有运动等特点成为天文学和天体测量学中的一大热点。它们不仅被用来开展与大质量恒星形成有关的一系列研究，而且通过对它们视差的精确测量可以精确确定银河系的一些关键参数(如旋臂结构，这是迄今为止最高精度的测量方法)，是银河系研究中的一个重点；(2)基于羟基和甲醛谱线的研究，也是近来受到广泛关注的热点领域，包含甲醛样本搜寻以及他们的辐射特性、羟基脉泽的搜寻以及通过羟基偏振观测来研究磁场等一些研究内容；(3)另外还有很多研究内容：比如C波段的分子谱线搜寻等，此处不在一一例举。

高频谱分辨率的谱线观测可以为研究者们带来所研究目标天体内部更细节的信息，它们通常可以使我们追踪到更小尺度的结构以及其中更详细的动力学特征等。又如在某些高精度的谱线观测中需要极高的频率分辨率，例如对塞曼效应的观测中：采用中性氢HI观测，每微高斯磁场产生的频率移动2.8Hz；如采用OH的基态，每微高斯磁场在1.665GHz谱线上产生的频率移动只有3.27Hz,而在1.667GHz谱线上产生的频率移动是1.96Hz。然而，由于目前传统采用的射电天文终端设备是对射电天文模拟信号的高速ADC过采样原理实现的：采样率为f_sample的ADC大约能覆盖f_sample/2带宽的信号目前增加采样率似乎成为解决大带宽数据采集，实现宽频段同时观测的唯一途径。

而在该原理下由于采样率f_sample、FFT点数N和频谱分辨率Δf三者的满足以下关系：

$\mathrm{\Δ}f=\frac{f_{sample}}{N}$

故在传统采样原理下，做谱线的高精度轮廓结构观测是非常困难的。因为在采样率一定的情况下，如果要得到更高的频谱分辨率就必须增加FFT变换点数N^[5]，这就需要耗费处理器内部乘法器，累加器以及存储单元等资源，这样大大增加了冗余数据量，对无信号频段也需要同时进行分析。

目前，各大芯片公司和模块化仪器公司都相继在进行更高速更高带宽的数据采集芯片和设备设计开发，多种高速数据采集设备已经应用于部分天文观测。例如:Acqiris公司开发的高速数据采集卡AC240，其带宽为1GHz8bit，已经应用于多台射电望远镜，包括德令哈的13.7米毫米波望远镜，KOSMA毫米波亚毫米波望远镜；2014年8月，HOMINJIANG等人公布了采样速率达到5Gsps8bits的高速采集系统及B.Klien等人研发的FFTS数据采集终端均是目前采样速度最快的射电天文终端。

然而根据原子受激辐射的特点，分子谱线呈现出离散局部密集线谱的特点而在另外一些频段能够观测的射电天文谱线又非常少。这样，高速数据采集的优势资源就大大浪费在了一些没有可观测信号的频率上，而且采样率越高，浪费越多！

2008年A.W.Hotan等人实现的100MHz输入带宽的数字终端-TasPGA，在观测脉泽源G285.35+0.00，在8MHz带宽内实现488.3Hz的频谱分辨率需要16384点FFT。B.Klein等人在FFTS上实现88.3KHz已经需要32768点FFT。B.Klein等人总结的随着采集速度的上升，需要达到同样频率分辨率所需的FFT点数关系图见图1。

随着采集速度的上升，需要达到同样频率分辨率所需的FFT点数将大大增加这些都为后端运算、存储、传输带来巨大压力。

针对上述问题，2005年S.Stanko等人尝试在Effelsberg100m射电望远镜上建立了基于DDC-GC4016(digitaldownconverters，数字下变频器)的数字频谱分析终端ICS554C，引入了直接数字下变频的概念与谱线数字终端中，见图2所示。

其有两种工作方式：1.工作于全带宽模式：50MHz,直接由ADC采集而进入FPGA做FFT分析；2.窄带工作方式：经DDC选通20KHz-10MHz带宽，再送入FPGA进行处理。两种方式对同一条谱线的观测效果见图3所示。

在2MHz带宽模式下，相当于在全带宽模式下相同的FFT点数提高了25倍的频率分辨率。

同时，云南大学柏正尧、中国科学院云南天文台董亮等人提出了基于欠采样方案的采集终端，利用ADC的欠采样性能可以达到更高的分辨率性能。但是以上两种方案都以增加电路的复杂结构为代价的，在集成电路日新月异的今天新的集成电路能够取代上述方案。

目前ADI公司推出的AD93xx系列芯片是一种高性能、高度集成的RFAgileTransceiver^TM捷变收发器。该器件的可编程性和宽带能力使其成为多种收发器应用的理想选择。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供可配置数字接口，从而简化设计导入。例如：AD9361工作频率范围为70MHz至6.0GHz，涵盖大部分特许执照和免执照频段，支持的通道带宽范围为不到200KHz至56MHz。

较之于传统的高速采样数字频谱终端，根据奈奎斯特定律达到6GHz的输入带宽必须至少要有12Gsps的采样速度，为此在捷变收发器选择200kHz的输入带宽情况下，到达同样的分辨率，相当于点数提高了240000倍！

本实用新型拟采用和跟踪世界最新和最先进的集成RF捷变收发器研发新型的专用谱线接收机，实现快速宽带内可切换的射电天文终端及其相关软件，并初步为云南天文台40米射电望远镜提供高精度谱线能力，同时期望为中国更多的射电望远镜服务。

发明内容

基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台，本实用新型特征在于，由捷变收发器AD9361电路板、FPGA控制电路板及控制计算机依次连接组成；其中，捷变收发器AD9361电路板的输入信号带宽为50MHz-6GHz，其信号输入端与射电天文望远镜的射频输出端相连，控制端和数据输出端与FPGA控制电路板相连，FPGA控制电路板通过网口与主控计算机相连；本实用新型在控制计算机端集成有控制软件，在该平台上根据窄带谱线射电源红移、中心频点及轮廓展宽等参数通过FPGA芯片向AD9361下达中心频点、观测带宽及AGC(自动增益控制)增益等参数。

本实用新型利用捷变收发器AD9361宽输入特性——DC～6GHz，和其内嵌带通滤波器200kHz～56MHz的选频特性，实现在6GHz范围内实现200kHz～56MHz内任意带宽的选择；本实用新型的有益效果是：

1.采用集成化芯片取代目前传统的分立式模拟下变频器、模拟滤波器、高速模数转换器、高速FPGA及高性能计算机的观测系统结构；

2.低采样速度下的超宽带任意56MHz带宽内信号的多比特量化采集、数字滤波、频谱分析，实现毫秒级时间分辨率和优于百Hz级的谱分辨率，同时实现宽带内多条谱线高谱分辨率切换观测；

3.宽频带内通过片内模拟抗混叠滤波器构建，有效规避强无线电干扰，减少无线电干扰对射电天文数据的影响。

附图说明

图1为采集速度与需要达到同样频率分辨率所需的FFT点数关系图；

图2为数字频谱分析终端ICS554C；

图3-1，图3-2为在全带宽模式下对中性氢和OH脉泽源的观测；

图4-1，图4-2为在窄带模式下在2MHz带宽中对中性氢和OH脉泽源的进行观测；

图5为本实用新型系统结构示意图；

图6为观测软件设置流程图。

具体实施方式

如图1，2所示，基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台，本实用新型特征在于：由捷变收发器AD9361电路板、FPGA控制电路板及控制计算机依次连接组成，其中，捷变收发器AD9361电路板的输入信号带宽在50MHz-6GHz。

首先，捷变收发器AD9361电路板的信号输入端与射电天文望远镜的射频输出端相连；

然后，AD9361电路板的控制端和数据输出端与FPGA控制电路板相连；

再次，FPGA控制电路板通过网口与主控计算机相连，在控制计算机端集成了控制软件，通过FPGA芯片向AD9361下达中心频点、观测带宽及AGC(自动增益控制)增益等参数。

最后，在控制计算机软件中集成了多个方面的控制，主要包括：观测中心频点设定，观测带宽的设定，频率分辨率设定，积分时间/次数。

本实用新型系统是通过分为三部分如下技术方案来实现的。

1.捷变收发器AD9361

AD9361捷变收发方案的典型代表，其工作频率范围为70MHz至6.0GHz，支持的通道带宽范围为不到200kHz至56MHz。其信号处理板如下图所示：

两个独立的直接变频接收器拥有首屈一指的噪声系数和线性度。每个接收(RX)子系统都拥有独立的自动增益控制(AGC)、直流失调校正、正交校正和数字滤波功能，从而消除了在数字基带中提供这些功能的必要性。AD9361还拥有灵活的手动增益模式，支持外部控制。每个通道搭载两个高动态范围ADC，先将收到的I信号和Q信号进行数字化处理，然后将其传过可配置抽取滤波器和128抽头有限脉冲响应(FIR)滤波器，结果以相应的采样率生成12位输出信号。

AD9361主要在本项目中起到根据控制系统发来的指令，选通所需要的观测频段目的

2.控制系统

硬件平台采用xilinxZynq-7000SoCZC702评估套件ZynqSoC评估套件采用Xilinx公司28nm工艺的最新SoC平台解决方案ZC702，该解决方案除了含有Xilinx传统的高性能FPGA外，还创新性地集成了两个ARMCortexA9处理器内核，能够流畅的运行通用的Linux操作系统。本系统在Linux的支持下能够方便的控制FFT、积分、求对数、定标等计算在FPGA内部的运行流程，同时还能够利用Linux完善的网络功能，实现系统与PC，工作站等数据存储设备的通信。

系统工作时通过FMCLPC接口向捷变收发器AD9361信号板发送控制信号，使其选通所需要的观测频段，同时接收AD9361传来的采样数据。XC7Z020通过其中的FPGA部分实现AD9361基带信号的接收，以及后续的FFT、积分、求对数、定标等运算，而整个数据处理过程则在ARMA9运行的Linux执行程序的监控下完成，Linux执行程序还能通过适当的人机接口，实现运算参数的有效设定和更改。经过FPGA处理信号的数据带宽将极大地降低，达到ARMA9能够实时存储和传输的水平，此时在再用Linux提供的完善的文件系统及网络功能实现处理后数据的实时存储和传输。

Claims (1)

1.基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台，其特征在于，由捷变收发器AD9361电路板、FPGA控制电路板及控制计算机依次连接组成；其中，捷变收发器AD9361电路板的输入信号带宽为50MHz-6GHz，其信号输入端与射电天文望远镜的射频输出端相连，控制端和数据输出端与FPGA控制电路板相连，FPGA控制电路板通过网口与主控计算机相连；

利用捷变收发器AD9361宽输入特性——DC～6GHz，和其内嵌带通滤波器200kHz～56MHz的选频特性，在6GHz范围内实现200kHz～56MHz内任意带宽的选择。