CN219302556U - 一种射电天文wbspf数字频谱分析终端 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种射电天文WBSPF数字频谱分析终端。本终端接收输入的中频信号进行外差式采样、量化与编码的数字测量后，通过数据总线传输至FPGA芯片内核，进行多相滤波与快速傅里叶变换运算的数字信号处理后，计算信号的功率谱数据，得到信号测量结果，并按照X轴为频率，Y轴为功率谱的数据矩阵，将测量结果存储在终端系统的内置存储芯片中。通过FPGA的网络接口，将数据输出至终端接收电脑，由PCIe总线数据传输至单或多个GPU中，实现进一步的测量处理、图形绘制和数据存储等工作。终端系统机柜将SNAP2与GPU系统整合封装，并设置统一的电源与时钟模块。

Description

一种射电天文WBSPF数字频谱分析终端

技术领域

本实用新型属于天文观测技术领域，具体涉及一种射电天文WBSPF数字频谱分析终端。

背景技术

作为一门以观测为主的学科，射电天文研究的每一次进步都离不开射电望远镜技术革新。其中超宽带接收机(WBSPF，Wide Band Single Pixel Feed)在射电天文领域里越来越广泛关注。WBSPF可以在几个频带上同时进行观测和收发，在望远镜观测平台上实现一套接收机替代多个接收机系统的功能，可以在非常宽频带内研究射电源的频率相关物理特征。同时，对于射电望远镜，更宽的观测频带还是提高望远镜灵敏度，从而探测更暗弱射电源的重要途径。

超宽带接收机的核心技术就是超宽带数字终端，稳定高速的实时全宽带终端系统是决定整个数据接收系统信号传输性能的关键。作为望远镜接收设备的重要组成部分，宽带数字处理终端集成了高速、高集成度的数字电路芯片、大量的中央处理机以及高水平的软件技术，用以高效完成不同观测。这主要体现在宽带、高谱分辨率、大动态范围和长时标稳定性等方面。结合工业界最新发展与摩尔定律，近年来国内外同行都在开发与研制新一代射电望远镜数字终端系统。在主流方案中，以美国加州大学伯克利分校无线电实验室与美国国立射电天文台联合开发的天文信号处理设备研制与算法库开发项目所研制的基于Xilinx FPGA内核的ROACH2系统被射电天文界广泛使用。

世界上最大的射电望远镜FAST，就是使用现役主流的ROACH2频谱分析终端。它是由一块Xilinx Virtex-6系FPGA作为主要处理单元，使用PowerPC 440EPx作为用户交互和控制的SOC，通过多个FPGA功能模块的组合，完成射电天文频谱分析观测功能。

射电天文ROACH2频谱分析终端的结构主要包含6个模块，每个模块的具体功能为：

1.ADC采样模块，通过2Gsps@8bit的ADC芯片实现对0～1GHz带宽射频信号的采样；

2.FFT运算模块，将ADC的采样数据通过FFT运算进行频谱通道化处理，通过控制2～8K频点的通道化频谱运算处理，实现射电天文观测对数据的频率分辨率控制需求；

3.频谱累加控制模块，通过对频谱累加(积分)运算实现射电天文观测对数据的时间分辨率控制需求；

4.Bit位截取模块，对FFT运算后的32位单精度浮点数的8位截取操作，满足频谱分析终端的8bit输入8bit输出需求，同时可以调整输出频谱的动态范围值；

5.万千兆传输模块，对运算后频谱进行UDP或TCP/IP数据封装与传输功能，可控制设置传输包头文件，目的IP地址与MAC值等功能；

6.接收与存储模块，对传输的数据进行解包与转存，通过万兆网卡的RDMA模式直存到目标计算机硬盘中，完成频谱分析的数据存储功能。

针对新一代射电天文超宽带接收机技术的发展，现有的射电天文数字终端ROACH2系统因其硬件ADC和FPGA芯片的容量限制，其2GHz，2K频点和10GbE传输等关键技术指标均已无法满足观测和应用需求，无法实现对更高例如3.6～8GHz宽频段的覆盖，无法满足16～32K点FFT运算的高频谱分辨率观测，也无法满足25Gbps/40Gbps的高速数据传输需求。

作为SKA-WBSPF(Wideband Single Pixel Feeds)国际工作包的主要成员，以SKA反射面天线单元为设计目标，已经研发出1.6～5.2GHz，带宽为3.6GHz的四脊片宽带馈源，并完成了实物加工和性能测试，目前尚未有与之匹配的全带宽覆盖终端系统；此外，目前正在准备下一阶段覆盖1.6～9.6GHz，带宽为8GHz的超宽带馈源研制，其主要科学目标除涵盖脉冲星、中性氢、快速射电暴等观测外，还可以在超宽频段上获得同一分子的不同跃迁模式，用以研究恒星形成和演化，分子研究等。因此需要对满足新型WBSPF数字频谱分析终端的设计与研发。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种射电天文WBSPF数字频谱分析终端。

本申请针对国际最新超宽带技术发展与SKA-WBSPF项目设计需求，实现基于FPGA/GPU平台的WBSPF超宽带数字终端系统研发，针对了SKA-WBSPF超宽带设计指标，完成一套满足设计参数的基于SNAP2与GPU平台的高谱分辨率数字终端系统，其特色在于：

1)完整覆盖SKA-WBSPF馈源的3.6～8GHz超宽带设计指标，采用5GSPS/10bit(交织采样10GSPS)，15GSPS/8bit AD采样提高数据动态范围满足更多观测需求。

2)使用SNAP2平台进行32～128K通道的数字频谱分析FPGA内核设计。

3)通过引入多相滤波器组设计，多IP集群输出接口等，实现了高性能频谱处理和灵活的参数设置。

本申请的技术方案为：

一种射电天文WBSPF数字频谱分析终端，其特征在于，包括

ADC采样模块1，用于对射频信号进行超宽带采样并将其发送给PFB多相滤波模块2；

PFB多相滤波模块2，用于对输入的采样数据进行多相滤波，得到通道化时域数据并传输给FFT运算模块3；

FFT运算模块3，用于对输入的通道化时域数据进行快速傅里叶变换频谱化处理，得到8～64K频点的频谱数据；所述频谱数据为32位单精度浮点数；

频谱累加控制模块4，用于对FFT运算模块3所得频谱数据进行累加运算，得到叠加谱线数据并将其传输给Bit位截取模块5；

Bit位截取模块5，对所述叠加谱线数据进行Bit位截取操作，使截取处理后的数据满足频谱分析终端的输入、输出需求；

时钟信号控制模块6，用于为ADC采样模块1、PFB多相滤波模块2、FFT运算模块3、频谱累加控制模块4、Bit位截取模块5提供时钟控制信号，控制ADC采样模块1的传输速率与PFB多相滤波模块2、FFT运算模块3、频谱累加控制模块4、Bit位截取模块5的时钟协调；

PPS脉冲模块7，用于为ADC采样模块1提供脉冲同步控制信号，实现ADC采样模块1的ADC通道间的信号同步；

千兆同轴网线控制模块8，用于对Bit位截取模块5截取的频谱数据进行抽样后的千兆数据封装与传输；

传输模块9，用于对Bit位截取模块5截取的频谱数据进行实时封装与传输；

PCIe总线数据传输模块10，用于对千兆同轴网线控制模块8、传输模块9传输的数据进行解包后直接存储到目标计算机内存中；

GPU运算模块11，用于对所述目标计算机内存中的数据进行二次频谱通道化细分处理，实现射电天文观测需求的超高频谱分辨率信号处理；

数据存储模块12，用于对GPU运算模块11处理后的数据进行本地化存储，通过RAID磁盘阵列对宽带数据进行并行高速存储功能。

进一步的，所述ADC采样模块1通过交织采样的6Gsps@12bit的ADC芯片实现对3.6～7.2GHz带宽射频信号的超宽带采样。

进一步的，所述千兆同轴网线控制模块8还用于控制与修改PFB多相滤波模块2、频谱累加控制模块4、Bit位截取模块5的运算数值，以及配置千兆同轴网线控制模块8、传输模块9的网络端口。

进一步的，所述传输模块9为25/40Gbps传输模块。

进一步的，所述PCIe总线数据传输模块10将解包后的数据通过万兆网卡RDMA模式直存到目标计算机内存中。

进一步的，所述数据存储模块12通过RAID磁盘阵列对GPU运算模块11处理后的数据进行并行存储。

本实用新型的优点如下：

针对新一代射电天文超宽带接收机技术的发展，现有的射电天文数字终端ROACH2系统的2GHz，2K频点和10GbE传输等关键技术指标均已无法满足观测和应用需求，与此对应的3.6～8GHz宽频段全覆盖的数字终端系统仍属空缺，因此急需开展相应调研、设计与研发工作。

针对SKA-WBSPF国际工作包和其涵盖脉冲星、中性氢和快速射电暴等主要科学目标的设计需求，为满足1.6～5.2GHz和1.6～9.6GHz超宽带馈源系统设计参数，本专利研制基于SNAP2的超宽带数字终端系统，通过超宽带数字终端系统的关键技术研发，实现5～8GHz宽带、8～12bit精度和32K频点高谱分辨率的全覆盖超宽带数字终端系统研制。通过最新一代FPGA内核设计，实现满足宽带、高谱分辨率、大动态范围、长时标稳定性的新一代高性能数字终端研制。

本专利开发的射电天文频谱分析SNAP2系统，基于新一代Xilinx Kintex FPGA处理单元，配置双E2V 3Gsps采样芯片，通过交织采样技术可以实现达6GHz的超宽带覆盖，多达8～16K频点和40GbE的SPF28传输性能，是3倍于目前通用的射电天文数字终端ROACH2系统。该频谱分析系统的研制，不但可以拓展SKA Band A工作频率(1.6～5.2GHz)，使其应用于DVAC与后续的SKA-P望远镜，也可应用在FAST未来升级至更高频段(8.8GHz)，并可根据实际需要在其他频段上探索。

附图说明

图1是射电天文WBSPF数字频谱分析终端的系统结构图。

附图标记：1-ADC采样模块，2-PFB多相滤波模块，3-FFT运算模块，4-频谱累加控制模块，5-Bit位截取模块，6-时钟信号控制模块，7-PPS脉冲模块，8-千兆同轴网线控制模块，9-传输模块，10-PCIe总线数据传输模块，11-PCIe总线数据传输模块，12-数据存储模块。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

射电天文WBSPF数字频谱分析终端的主要实现功能为：接收输入的中频(IF)信号进行外差式采样、量化与编码的数字测量后，通过数据总线传输至FPGA芯片内核，进行多相滤波与快速傅里叶变换运算的数字信号处理后，计算信号的功率谱数据，得到信号测量结果，并按照X轴为频率，Y轴为功率谱的数据矩阵，将测量结果存储在终端系统的内置存储芯片中。通过FPGA的网络接口，将数据输出至终端接收电脑，由PCIe总线数据传输至单或多个GPU中，实现进一步的测量处理、图形绘制和数据存储等工作。终端系统机柜将SNAP2与GPU系统整合封装，并设置统一的电源与时钟模块。

射电天文WBSPF数字频谱分析终端的系统结构如图1所示，主要包括了12个模块，每个模块的具体功能为：

ADC采样模块1，通过交织采样的6Gsps@12bit的ADC芯片实现对3.6～7.2GHz带宽射频信号的超宽带采样与高bit位输入实现；

PFB多相滤波模块2，实现对ADC采样模块1的采样数据进行多相滤波，将时域数据按汉宁窗4-Taps点完成多相滤波算法后，得到时域通道化的采样数据，传输给FFT运算模块3进行FFT运算处理，此模块的时域信号多相滤波也实现对加窗FFT运算的通带旁瓣抑制；

FFT运算模块3，实现对多相滤波模块2通道化时域数据的FFT快速傅里叶变换频谱化处理运算，通过控制8～64K频点的FPGA频谱运算内核，得到对应频率分辨率的频谱数据(32位单精度浮点数)，此模块同时实现射电天文观测对数据的频率分辨率控制需求；

频谱累加控制模块4，实现对FFT运算模块3的FFT运算处理后频谱数据的累加运算，得到叠加谱线数据(32位单精度浮点数)，此模块通过对频谱累加(积分)次数的数值控制，实现射电天文观测对数据的时间分辨率的控制需求；

Bit位截取模块5，对叠加谱线数据(32位单精度浮点数)的12位截取操作，满足频谱分析终端的12bit输入12bit输出需求，同时可以调整输出频谱的动态范围值；

时钟信号控制模块6，通过连接ADC采样模块1、PFB多相滤波模块2、FFT运算模块3、频谱累加控制模块4、Bit位截取模块5，为其提供时钟控制信号，通过对输入500MHz校准频率的输入信号控制ADC采样模块1的高速同步传输与PFB多相滤波模块2、FFT运算模块3、频谱累加控制模块4、Bit位截取模块5的时钟协调；

PPS脉冲模块7，为ADC采样模块1提供1pps秒脉冲同步控制信号，对多通道ADC卡的同步观测模式时，提供ADC采样模块1的同步采样秒脉冲基准，实现ADC通道间的信号同步；

千兆同轴网线控制模块8，对Bit位截取模块5截取的频谱数据进行Snapshot快照抽样后的千兆数据封装与传输，实现频谱处理过程中的实时结果监测功能；同时该模块也负责控制FPGAlinux内核的读写端口，用以控制与修改PFB多相滤波模块2、频谱累加控制模块4、Bit位截取模块5的运算数值设置和千兆同轴网线控制模块8、传输模块9的网络端口配置功能；

传输模块9为25/40Gbps传输模块，对Bit位截取模块5截取的频谱数据的实时封装与高速传输，对运算后频谱进行UDP或TCP/IP数据封装与传输功能，可控制设置传输包头文件，目的IP地址与MAC值等功能；

PCIe总线数据传输模块10，对千兆同轴网线控制模块8、传输模块9传输的数据进行解包与转存，通过模块万兆网卡RDMA模式直存到目标计算机内存中，完成频谱分析的数据接收功能。

GPU运算模块11，对PCIe总线数据传输模块10接收的内存数据进行二次频谱通道化细分处理，通过图形卡GPU的CUFFT运算，实现射电天文观测需求的超高频谱分辨率信号处理；

数据存储模块12，对GPU运算模块11处理后的数据进行本地化存储，通过RAID磁盘阵列对宽带数据进行并行高速存储功能。

表1为射电天文WBSPF数字频谱分析终端的技术参数总表

表2为射电天文WBSPF数字频谱分析终端Y因子法数字增益配置表

尽管为说明目的公开了本实用新型的具体实施例，其目的在于帮助理解本实用新型的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于最佳实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种射电天文WBSPF数字频谱分析终端，其特征在于，包括

ADC采样模块(1)，用于对射频信号进行超宽带采样并将其发送给PFB多相滤波模块(2)；

PFB多相滤波模块(2)，用于对输入的采样数据进行多相滤波，得到通道化时域数据并传输给FFT运算模块(3)；

FFT运算模块(3)，用于对输入的通道化时域数据进行快速傅里叶变换频谱化处理，得到8～64K频点的频谱数据；所述频谱数据为32位单精度浮点数；

频谱累加控制模块(4)，用于对FFT运算模块(3)所得频谱数据进行累加运算，得到叠加谱线数据并将其传输给Bit位截取模块(5)；

Bit位截取模块(5)，对所述叠加谱线数据进行Bit位截取操作，使截取处理后的数据满足频谱分析终端的输入、输出需求；

时钟信号控制模块(6)，用于为ADC采样模块(1)、PFB多相滤波模块(2)、FFT运算模块(3)、频谱累加控制模块(4)、Bit位截取模块(5)提供时钟控制信号，控制ADC采样模块(1)的传输速率与PFB多相滤波模块(2)、FFT运算模块(3)、频谱累加控制模块(4)、Bit位截取模块(5)的时钟协调；

PPS脉冲模块(7)，用于为ADC采样模块(1)提供脉冲同步控制信号，实现ADC

采样模块(1)的ADC通道间的信号同步；

千兆同轴网线控制模块(8)，用于对Bit位截取模块(5)截取的频谱数据进行抽样后的千兆数据封装与传输；

传输模块(9)，用于对Bit位截取模块(5)截取的频谱数据进行实时封装与传输；

PCIe总线数据传输模块(10)，用于对千兆同轴网线控制模块(8)、传输模块(9)传输的数据进行解包后直接存储到目标计算机内存中；

GPU运算模块(11)，用于对所述目标计算机内存中的数据进行二次频谱通道化细分处理，实现射电天文观测需求的超高频谱分辨率信号处理；

数据存储模块(12)，用于对GPU运算模块(11)处理后的数据进行本地化存储，通过RAID磁盘阵列对宽带数据进行并行高速存储功能。

2.根据权利要求1所述的射电天文WBSPF数字频谱分析终端，其特征在于，所述ADC采样模块(1)通过交织采样的6Gsps@12bit的ADC芯片实现对3.6～7.2GHz带宽射频信号的超宽带采样。

3.根据权利要求2所述的射电天文WBSPF数字频谱分析终端，其特征在于，所述千兆同轴网线控制模块(8)还用于控制与修改PFB多相滤波模块(2)、频谱累加控制模块(4)、Bit位截取模块(5)的运算数值，以及配置千兆同轴网线控制模块(8)、传输模块(9)的网络端口。

4.根据权利要求1所述的射电天文WBSPF数字频谱分析终端，其特征在于，所述传输模块(9)为25/40Gbps传输模块。

5.根据权利要求1所述的射电天文WBSPF数字频谱分析终端，其特征在于，所述PCIe总线数据传输模块(10)将解包后的数据通过万兆网卡RDMA模式直存到目标计算机内存中。

6.根据权利要求1所述的射电天文WBSPF数字频谱分析终端，其特征在于，所述数据存储模块(12)通过RAID磁盘阵列对GPU运算模块(11)处理后的数据进行并行存储。

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