基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集和流盤(pán)技術(shù)的射電天文臺(tái)設(shè)計(jì)

挑戰(zhàn):

　　運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算的最新進(jìn)展，開(kāi)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(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化盡可能與天線饋電接近地對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。

　　解決方案:

　　使用NI采樣、數(shù)據(jù)采集(DAQ)和數(shù)據(jù)流盤(pán)硬件，采集定制設(shè)計(jì)的微波前端的輸出，并測(cè)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。

　　使用NI數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)流盤(pán)硬件，我們?yōu)镈SSM和DOMT開(kāi)發(fā)了標(biāo)定和校正算法，相比使用實(shí)時(shí)硬件信號(hào)處理實(shí)際問(wèn)題，我們的處理方法更有效、成本更低。

　　美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)(NRAO)是美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)資助的機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)美國(guó)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(yùn)作。中央開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室(CDL)是NRAO的主要研究和開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。

　　突破性的射電天文研究依賴(lài)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(wú)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(duì)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(hào)處理。

　　自然決定了射電天文學(xué)家研究信號(hào)的頻率、帶寬和時(shí)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(shí)帶寬的接收機(jī)。此外，從通信標(biāo)準(zhǔn)而言，宇宙信號(hào)非常微弱，因此分離帶外信號(hào)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(gè)本地振蕩器和中間濾波器，讓低級(jí)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(jiǎn)單的單一下變頻、邊帶分離解決方案都不可行，因?yàn)闉橹蓄l(IF)實(shí)現(xiàn)高帶寬混和耦合器十分困難，相對(duì)受限制的邊帶分離導(dǎo)致低于20 dB寬帶寬。為了避免這個(gè)問(wèn)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(duì)相內(nèi)進(jìn)行數(shù)字化并獨(dú)立對(duì)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(duì)于射電天文學(xué)而言,比較獨(dú)特的是需要測(cè)量隨機(jī)極化信號(hào)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(dòng)電磁設(shè)備插入在天線和第一個(gè)低噪聲放大器之間，將信號(hào)的正交部分分解為兩個(gè)獨(dú)立輸出。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?cè)诟呒删o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(gè)問(wèn)題。

　　使用基于NI PXI的數(shù)據(jù)采集和流盤(pán)技術(shù)的算法開(kāi)發(fā)

　　最后，將邊帶和極化重建所需的信號(hào)處理算法編程到現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)固件中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行。但是，標(biāo)定和處理算法需要更廣的開(kāi)發(fā)和測(cè)試。因此，我們需要足夠靈活的系統(tǒng)，對(duì)多個(gè)接收器概念進(jìn)行原型開(kāi)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(shí)仍然對(duì)八個(gè)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)合在一起可以滿(mǎn)足這些需求。

　　對(duì)DSSM的初始測(cè)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(chǔ)容量的NI HDD-8263 RAID流盤(pán)系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和存儲(chǔ)。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(guò)60 dB的邊帶分離測(cè)量提供了足夠的信噪比。

　　帶有四個(gè)DSSM接收機(jī)的8到12 GHz DOMT的后續(xù)測(cè)試使用相同的NI HDD-8263系統(tǒng)存儲(chǔ)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。每個(gè)通道從模擬硬件的四個(gè)極化向量采集相內(nèi)或正交相位成分。在這個(gè)例子中，以1.08 s突發(fā)記錄數(shù)據(jù)。

　　通過(guò)將數(shù)據(jù)用流盤(pán)技術(shù)傳送到磁盤(pán)，用軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行后期處理，我們?cè)谕瓿蓮?fù)雜昂貴的FPGA實(shí)現(xiàn)之前，對(duì)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(pán)硬件，相比使用實(shí)時(shí)硬件信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)而言，我們更有效、成本更低地為DSSM和DOMT開(kāi)發(fā)標(biāo)定和校正算法。我們開(kāi)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(shí)現(xiàn)了在12 °C溫度變換范圍內(nèi)高于50 dB邊帶隔離，同時(shí)一次采集整個(gè)L頻帶(1250至1650 MHz)。兩個(gè)DOMT原型系統(tǒng)、三探頭和四探頭版本實(shí)現(xiàn)了在10 °C溫度范圍內(nèi)，一次標(biāo)定實(shí)現(xiàn)高于50 dB的極化隔離，同時(shí)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)算法。