PXI儀器 和高速流盤技術(shù)進(jìn) 行下一代射電天文接 收機(jī)算法原型開發(fā)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。PXI儀器 和高速流盤技術(shù)進(jìn) 行下一代射電天文接 收機(jī)算法原型開發(fā)PXI儀器 和高速流盤技術(shù)進(jìn) 行下一代射電天文接 收機(jī)算法原型開發(fā)PXI儀器 和高速流盤技術(shù)進(jìn) 行下一代射電天文接 收機(jī)算法原型開發(fā) "使用NI數(shù)據(jù)采集 和數(shù)據(jù)流盤硬件，我 們?yōu)镈SSM和 DOMT開發(fā)了標(biāo)定 和校正算法，相比使 用實時硬件信號處理 實際問題，我們的處 理方法更有效、成本 更低。" - J. Richard Fisher, National Radio Astronomy Observatory The

2、 Challenge: 運用現(xiàn)代數(shù)字計算的 最新進(jìn)展，開發(fā)下一 代高性能、小型集成 射電航天接收機(jī)，盡 可能與天線輸入接近 地對信號進(jìn)行數(shù)字化 盡可能與天線饋電接 近地對信號進(jìn)行數(shù)字 化。 The Solution:5圖1。正伯德綠色銀 行望遠(yuǎn)鏡羅伯特（技嘉）用來測試原型 DSSM © NRAO /投資者 聯(lián)盟/美國國家科學(xué) 基金會Author (s):使用NI采樣、數(shù)據(jù) 采集（DAQ）和數(shù) 據(jù)流盤硬件，采集定 制設(shè)計的微波前端的 輸出，并測試數(shù)字標(biāo) 定邊帶分離和高精 度、高穩(wěn)定性極化隔 離的新算法。 J. Richard Fisher - National Radio Astron

3、omy Observatory Matthew A. Morgan - National Radio Astronomy Observatory 美國國家射電天文臺 （NRAO）是美國 國家科學(xué)基金會 （NSF）資助的機(jī) 構(gòu)，負(fù)責(zé)美國和世界 各地天文學(xué)家使用的 射電天文設(shè)備的建 造、維護(hù)和運作。中 央開發(fā)實驗室 （CDL）是 NRAO的主要研究 和開發(fā)團(tuán)隊。 突破性的射電天文研 究依賴于低噪聲接收 器和寬帶數(shù)據(jù)傳輸系 統(tǒng)。盡管這些系統(tǒng)在 成本、重量和尺寸上 都更小，但是比目前 的高端系統(tǒng)更可靠、 可重復(fù)性更高，而且 無需犧牲靈敏度。 數(shù)字邊帶分離和極性 隔離 下一代射電儀器需要 盡可能接近地對

4、天線 饋電進(jìn)行數(shù)字化，并 且將射頻至基帶轉(zhuǎn) 換、模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換 以及銅導(dǎo)線至光纖轉(zhuǎn) 換集成在一體。這包 含將部分功能從模擬 域轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，從 而可以以最高的保真 度進(jìn)行信號處理。 自然決定了射電天文 學(xué)家研究信號的頻 率、帶寬和時域特 性，需要比大多數(shù)商 業(yè)應(yīng)用具有更寬微調(diào) 范圍和更大瞬時帶寬 的接收機(jī)。此外，從 通信標(biāo)準(zhǔn)而言，宇宙 信號非常微弱，因此 分離帶外信號十分重 要。直到最近，出現(xiàn) 了復(fù)雜的下變頻系 統(tǒng)，它帶有多個本地 振蕩器和中間濾波 器，讓低級散射混和 產(chǎn)品分解頻譜，特別 是在高度集成的接收 器上。更簡單的單一 下變頻、邊帶分離解 決方案都不可行，因 為為中頻（IF）實 現(xiàn)高帶

5、寬混和耦合器 十分困難，相對受限 制的邊帶分離導(dǎo)致低 于20 dB寬帶 寬。為了避免這個問 題，我們使用數(shù)字邊 帶分離混和器 （DSSM）避免模 擬IF混和系統(tǒng)。 DSSM對相內(nèi)進(jìn)行 數(shù)字化并獨立對混和 器輸出進(jìn)行正交化， 數(shù)字化地完成更高或 更低帶寬的最終重 建，因此我們可以創(chuàng) 建數(shù)學(xué)上完美的IF 混和系統(tǒng)，校正在前 置模擬數(shù)字中的任何 幅值和相位失衡。 另外，對于射電天文 學(xué)而言,比較獨特的 是需要測量隨機(jī)極化 信號的部分極化，通 常極化低于1。在 傳統(tǒng)系統(tǒng)中，成為直 接式收發(fā)轉(zhuǎn)換器 （OMT）的被動電 磁設(shè)備插入在天線和 第一個低噪聲放大器 之間，將信號的正交 部分分解為兩個獨立 輸出。

6、盡管這些設(shè)備 的性能很好，但它們 比較笨重，難以封 裝，降低了效率，限 制了它們在高集成緊 湊接收器中的使用。 數(shù)字正交模轉(zhuǎn)換器 （DOMT）和 DSSM一樣避免了 這個問題。 使用基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集和 流盤技術(shù)的算法開發(fā) 最后，將邊帶和極化 重建所需的信號處理 算法編程到現(xiàn)場可編 程門陣列 （FPGA）固件 中，實現(xiàn)實時運行。 但是，標(biāo)定和處理算 法需要更廣的開發(fā)和 測試。因此，我們需 要足夠靈活的系統(tǒng)， 對多個接收器概念進(jìn) 行原型開發(fā)，并使用 不同算法重復(fù)比較相 同數(shù)據(jù)的后期處理， 同時仍然對八個通道 高速同步采集大量數(shù) 據(jù)。NI HDD-8263 與PXI數(shù)據(jù)采集模 塊結(jié)合在一起

7、可以滿 足這些需求。 對DSSM的初始測 試，我們使用工作在 500 MS/s的 NI PXI-5152雙通道采樣器，采集 相內(nèi)和1250到 1650 MHz前 端的正交輸出。我們 使用帶有1 TB存 儲容量的NI HDD-8263 RAID流盤系統(tǒng)， 對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和存 儲。最大128 MB緩存以128 ms突發(fā)記錄數(shù)據(jù)。 這為數(shù)字校正系數(shù)標(biāo) 定和超過60 dB 的邊帶分離測量提供 了足夠的信噪比。 帶有四個DSSM接 收機(jī)的8到12 GHz DOMT的 后續(xù)測試使用相同的 NI HDD- 8263系統(tǒng)存儲數(shù) 據(jù)。在設(shè)置中，我們 使用工作在60 MS/s的NI PXIe-8105八通道采樣器

8、。每個 通道從模擬硬件的四 個極化向量采集相內(nèi) 或正交相位成分。在 這個例子中，以 1.08 s突發(fā)記 錄數(shù)據(jù)。 通過將數(shù)據(jù)用流盤技 術(shù)傳送到磁盤，用軟 件對結(jié)果進(jìn)行后期處 理，我們在完成復(fù)雜 昂貴的FPGA實現(xiàn) 之前，對算法進(jìn)行微 調(diào)以得到最佳性能。 結(jié)果 我們使用NI數(shù)據(jù)采 集和數(shù)據(jù)流盤硬件， 相比使用實時硬件信 號處理實現(xiàn)而言，我 們更有效、成本更低 地為DSSM和 DOMT開發(fā)標(biāo)定和 校正算法。我們開發(fā) 的算法和校正參數(shù)十 分強(qiáng)大、精確并且在 不同溫度下穩(wěn)定。 DSSM原型系統(tǒng)在 單一標(biāo)定之后實現(xiàn)了 在12 °C溫度變 換范圍內(nèi)高于50 dB邊帶隔離，同時 一次采集整個L頻帶

9、 （1250至 1650 MHz）。兩個 DOMT原型系統(tǒng)、 三探頭和四探頭版本 實現(xiàn)了在10 °C 溫度范圍內(nèi)，一次標(biāo) 定實現(xiàn)高于50 dB的極化隔離，同 時采集9 GHz附 近的60 MHz寬 帶。 有了這些結(jié)果，我們 有信心在更大帶寬下 用FPGA硬件實現(xiàn) 實時算法。 Author Information: J. Richard Fisher National Radio Astronomy Observatory rfishernrao. edu 1/3圖1。正伯德綠色銀 行望遠(yuǎn)鏡羅伯特（技 嘉）用來測試原型 DSSM © NRAO /投資者 聯(lián)盟/美國國家科學(xué) 基金會 2/3圖2.實驗室的安 裝與使用NI PXIe - 8105 8通道采 樣器和NI HDD 的串流RAID存儲 系統(tǒng)8263 © NRAO /投資者 聯(lián)盟/ NSF的 DOMT測試 Legal This case study (this "case study") was developed by a National Instruments ("NI") customer. THIS CASE STUDY IS P