使用基于PXI的儀器和高速流盤(pán)技術(shù)進(jìn)行下一代射電天文接收

　　挑戰:

　　運用現代數字計算的最新進(jìn)展，開(kāi)發(fā)下一代高性能、小型集成射電航天接收機，盡可能與天線(xiàn)輸入接近地對信號進(jìn)行數字化盡可能與天線(xiàn)饋電接近地對信號進(jìn)行數字化。

　　圖：正伯德綠色銀行望遠鏡羅伯特（技嘉）用來(lái)測試原型DSSM ? NRAO /投資者聯(lián)盟/美國國家科學(xué)基金會(huì )

　　解決方案:

　　使用NI采樣、數據采集（DAQ）和數據流盤(pán)硬件，采集定制設計的微波前端的輸出，并測試數字標定邊帶分離和高精度、高穩定性極化隔離的新算法。

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

　　美國國家射電天文臺（NRAO）是美國國家科學(xué)基金會(huì )（NSF）資助的機構，負責美國和世界各地天文學(xué)家使用的射電天文設備的建造、維護和運作。中央開(kāi)發(fā)實(shí)驗室（CDL）是NRAO的主要研究和開(kāi)發(fā)團隊。

　　突破性的射電天文研究依賴(lài)于低噪聲接收器和寬帶數據傳輸系統。盡管這些系統在成本、重量和尺寸上都更小，但是比目前的高端系統更可靠、可重復性更高，而且無(wú)需犧牲靈敏度。

　　數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天線(xiàn)饋電進(jìn)行數字化，并且將射頻至基帶轉換、模擬至數字轉換以及銅導線(xiàn)至光纖轉換集成在一體。這包含將部分功能從模擬域轉換到數字域，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(shí)域特性，需要比大多數商業(yè)應用具有更寬微調范圍和更大瞬時(shí)帶寬的接收機。此外，從通信標準而言，宇宙信號非常微弱，因此分離帶外信號十分重要。直到最近，出現了復雜的下變頻系統，它帶有多個(gè)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(jiǎn)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(shí)現高帶寬混和耦合器十分困難，相對受限制的邊帶分離導致低于20 dB寬帶寬。為了避免這個(gè)問(wèn)題，我們使用數字邊帶分離混和器（DSSM）避免模擬IF混和系統。DSSM對相內進(jìn)行數字化并獨立對混和器輸出進(jìn)行正交化，數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 )建數學(xué)上完美的IF混和系統，校正在前置模擬數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極化信號的部分極化，通常極化低于1％。在傳統系統中，成為直接式收發(fā)轉換器（OMT）的被動(dòng)電磁設備插入在天線(xiàn)和第一個(gè)低噪聲放大器之間，將信號的正交部分分解為兩個(gè)獨立輸出。盡管這些設備的性能很好，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。數字正交模轉換器（DOMT）和DSSM一樣避免了這個(gè)問(wèn)題。

　　使用基于NI PXI的數據采集和流盤(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處理算法編程到現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）固件中，實(shí)現實(shí)時(shí)運行。但是，標定和處理算法需要更廣的開(kāi)發(fā)和測試。因此，我們需要足夠靈活的系統，對多個(gè)接收器概念進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)，并使用不同算法重復比較相同數據的后期處理，同時(shí)仍然對八個(gè)通道高速同步采集大量數據。NI HDD-8263與PXI數據采集模塊結合在一起可以滿(mǎn)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(pán)系統，對數據進(jìn)行緩存和存儲。最大128 MB緩存以128 ms突發(fā)記錄數據。這為數字校正系數標定和超過(guò)60 dB的邊帶分離測量提供了足夠的信噪比。

　　帶有四個(gè)DSSM接收機的8到12 GHz DOMT的后續測試使用相同的NI HDD-8263系統存儲數據。在設置中，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)極化向量采集相內或正交相位成分。在這個(gè)例子中，以1.08 s突發(fā)記錄數據。

　　通過(guò)將數據用流盤(pán)技術(shù)傳送到磁盤(pán)，用軟件對結果進(jìn)行后期處理，我們在完成復雜昂貴的FPGA實(shí)現之前，對算法進(jìn)行微調以得到最佳性能。

　　結果

　　我們使用NI數據采集和數據流盤(pán)硬件，相比使用實(shí)時(shí)硬件信號處理實(shí)現而言，我們更有效、成本更低地為DSSM和DOMT開(kāi)發(fā)標定和校正算法。我們開(kāi)發(fā)的算法和校正參數十分強大、精確并且在不同溫度下穩定。DSSM原型系統在單一標定之后實(shí)現了在12 °C溫度變換范圍內高于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、三探頭和四探頭版本實(shí)現了在10 °C溫度范圍內，一次標定實(shí)現高于50 dB的極化隔離，同時(shí)采集9 GHz附近的60 MHz寬帶。

　　有了這些結果，我們有信心在更大帶寬下用FPGA硬件實(shí)現實(shí)時(shí)算法。