射電天文望遠(yuǎn)鏡高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種射電天文望遠(yuǎn)鏡高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 射電天文是發(fā)現(xiàn)脈沖星獲得諾貝爾獎(jiǎng)的重要窗口，而射電望遠(yuǎn)鏡是獲得射電天文 數(shù)據(jù)的直接途徑，因此射電天文望遠(yuǎn)鏡的高性能對(duì)脈沖星的捜索和譜線分子的研究具有至 關(guān)重要的意義。在我國(guó)貴州省內(nèi)，世界最大單口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST(Five him化ed meters Ape;rture S地erical Radio Telescope,簡(jiǎn)稱FAST)正在緊張建設(shè)中，當(dāng)FAST建成之后，其 第一次全面的中性氨和脈沖星巡天所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率達(dá)mb/s，數(shù)據(jù)量高達(dá)PB級(jí)。因此，搭建 一個(gè)高速的天文數(shù)據(jù)采集平臺(tái)是必不可少的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種效率高、高速運(yùn)行的射電 天文望遠(yuǎn)鏡高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明射電天文望遠(yuǎn)鏡高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括： 模擬前端單元，接收望遠(yuǎn)鏡收集的微弱有效信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成高性噪比的中頻信號(hào)； 模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換單元，接收上述中頻信號(hào)，并將中頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； FPGA控制處理單元，將上述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，形成經(jīng)過數(shù)字功率檢波的頻域信號(hào)； 數(shù)據(jù)傳輸單元，將最終的數(shù)據(jù)高速輸出至外部服務(wù)器上。
[0005] 進(jìn)一步，所述模擬前端單元包括放大器、濾波器、衰減器和混頻器，所述有效信號(hào) 通過放大器將模擬信號(hào)放大足夠的倍數(shù)，再通過濾波器和衰減器減掉明顯的噪音成分，最 后通過混頻器將信號(hào)頻率轉(zhuǎn)換成高性噪比的所述中頻信號(hào)。
[0006] 進(jìn)一步，所述模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換單元將所述中頻信號(hào)進(jìn)行采樣處理、量化處理和編碼處 理，轉(zhuǎn)化為所述數(shù)字信號(hào)。
[0007] 進(jìn)一步，所述采樣處理采用模擬輸入信號(hào)采樣率為3.2G化的交織采樣模式。
[000引進(jìn)一步，所述FPGA控制處理單元包括多相濾波模塊、傅里葉轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字功率檢 波模塊和輸出緩存模塊。
[0009] 進(jìn)一步，通過所述多相濾波模塊進(jìn)行多通道信號(hào)的并行濾波，所述多相濾波模塊 與傅里葉轉(zhuǎn)換模塊的通道數(shù)一致，設(shè)置為4096個(gè)，taps為4。
[0010] 進(jìn)一步，所述多相濾波模塊的輸出位寬為16位，所述傅里葉轉(zhuǎn)換模塊的輸出位寬 為22位。
[0011] 進(jìn)一步，所述輸出緩存模塊包括2個(gè)緩沖區(qū):Ping-RAM、Pong-RAM,待存儲(chǔ)數(shù)據(jù)先送 至化ing-RAM中，存滿后發(fā)出存滿信號(hào)，通知W太網(wǎng)將存滿的數(shù)據(jù)傳輸出去；同時(shí)待存儲(chǔ)的數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)到化ng-RAM中，直到其發(fā)出存滿信號(hào)，通知W太網(wǎng)取走數(shù)據(jù)，待存儲(chǔ)數(shù)據(jù)又重新存儲(chǔ) 至IjP i ng-RAM中去，循環(huán)往復(fù)交替存儲(chǔ)。
[0012] 進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)傳輸單元包括W太網(wǎng)傳輸模塊，該W太網(wǎng)傳輸模塊由Ping-Pong RAM，GTX高速串行收發(fā)器，輸出控制單元，PHY收發(fā)器W及SFP+光模塊組成。
[0013] 本發(fā)明搭建了一個(gè)高速的天文數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，可滿足射電天文數(shù)據(jù)高速、高質(zhì)量、 穩(wěn)定可靠的采集需求。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換單元內(nèi)部工作原理示意圖； 圖3為FPGA控制處理單元流程示意圖； 圖4為數(shù)據(jù)傳輸單元的組成原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面，參考附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的說明，附圖中示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施 例。然而，本發(fā)明可W體現(xiàn)為多種不同形式，并不應(yīng)理解為局限于運(yùn)里敘述的示例性實(shí)施 例。而是，提供運(yùn)些實(shí)施例，從而使本發(fā)明全面和完整，并將本發(fā)明的范圍完全地傳達(dá)給本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員。
[0016] 射電天文望遠(yuǎn)鏡主要由天線和接收系統(tǒng)組成，接收系統(tǒng)包括模擬前端和數(shù)字后 端，本系統(tǒng)屬于數(shù)字后端中的重要組成部分。
[0017] 如圖1所示，本發(fā)明射電天文望遠(yuǎn)鏡高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，結(jié)合了高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換 模塊與高速W太網(wǎng)傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)高速采集與傳輸要求，并且采用了最新 的天文專用FPGA處理板，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)做頻譜處理，本系統(tǒng)包括： 模擬前端單元1，接收望遠(yuǎn)鏡收集的微弱有效信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成高性噪比的中頻信 號(hào)； 模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換單元2,接收上述中頻信號(hào)，并將中頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)； FPGA控制處理單元3，將上述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，形成經(jīng)過數(shù)字功率檢波的頻域信 號(hào)； 數(shù)據(jù)傳輸單元4,將最終的數(shù)據(jù)WlOGW太網(wǎng)高速輸出至外部服務(wù)器上。
[0018] 模擬前端單元1包括放大器、濾波器、衰減器和混頻器。望遠(yuǎn)鏡接收的有效信號(hào)是 極其微弱的，因此先用放大器將模擬信號(hào)放大足夠的倍數(shù)，再通過濾波器和衰減器減掉明 顯的噪音成分，最后通過混頻器將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成高性噪比的中頻信號(hào)，送給模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換 單元2。
[0019] 模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換單元2將中頻信號(hào)進(jìn)行采樣處理、量化處理和編碼處理，轉(zhuǎn)化為數(shù)字 信號(hào)。可W實(shí)現(xiàn)12位量化精度，3.2G化的交織采樣模式的高速率采樣，將數(shù)字信號(hào)與分頻后 的時(shí)鐘送入FPGA控制處理單元3。
[0020] 本實(shí)施例中，模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換單元2選擇高性能、雙通道12位的A/D轉(zhuǎn)換忍片 ADC12D1600,其最高3.2GSPS的采樣率符合FAST望遠(yuǎn)鏡接收機(jī)的超寬帶的需求。
[0021] 如圖2所示，模數(shù)A/D轉(zhuǎn)換單元2采用I通道輸入模擬信號(hào)，配置V5引腳的DES功能位 為高電平，則雙邊采樣模式(DES)被選中，ADC內(nèi)部的兩個(gè)通道都將從VI 口獲取信號(hào)，在時(shí)間 上進(jìn)行交織采樣，VQ輸入端無效閑置，此時(shí)，給定輸入時(shí)鐘1.6G化，ADC工作在3.2GSPS的采 樣速率，輸出分為四個(gè)通道：I，Id，Q，Qd，每一個(gè)通道的數(shù)據(jù)速率為800MHz，由于ADC的采樣 速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于FPGA的工作頻率，因此ADC的四個(gè)通道里再劃分為4路，降低每一路的數(shù)據(jù)速 率為200MHz，共分為16路數(shù)據(jù)輸出。該單元主要采用Verilog語言編程，ISE軟件編譯執(zhí)行 FPGA控制處理單元3對(duì)轉(zhuǎn)換后的天文數(shù)字信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，包括多相濾波模塊、傅里葉 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字功率檢波模塊和輸出緩存模塊，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變成頻域信號(hào)后進(jìn)行數(shù)字功 率檢波。
[0022] 本實(shí)施例中，F(xiàn)PGA控制處理單元3選用自動(dòng)化所自主研發(fā)制造的FPGA處理板CRANE (化ina Reconfigurable Analog-Digital Backend),其主要模塊有兩個(gè)FMC接口，可W外 接兩塊模數(shù)轉(zhuǎn)換器，并集成兩片高性能VbtexG FPGA處理忍片及一片VbtexS FPGA控制忍 片，12個(gè)lOG/sW太網(wǎng)輸出接口，288MB的板上QDR(如ad Data Rate)存儲(chǔ)空間和16GB的孤R3 (Double Data Rate)存儲(chǔ)空間，可根據(jù)需要擴(kuò)展。FPGA控制處理單元的主要功能如圖3所 示，包括多相濾波模塊(PFB-FIR)，傅里葉轉(zhuǎn)換模塊(FFT)，數(shù)字功率檢波模塊（Re 2Wm2、 VACC)W及輸出緩存模塊Ping-Pong RAM。
[0023] 射電天文儀器主要功能就是分析射電信號(hào)頻譜強(qiáng)度信息，多相濾波模塊可W高效 地實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的并行濾波，同時(shí)又可W大量減少計(jì)算，因此本系統(tǒng)