PXI仪器 和高速流盘技术进 行下一代射电天文接 收机算法原型开发

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。PXI仪器 和高速流盘技术进 行下一代射电天文接 收机算法原型开发PXI仪器 和高速流盘技术进 行下一代射电天文接 收机算法原型开发PXI仪器 和高速流盘技术进 行下一代射电天文接 收机算法原型开发 "使用NI数据采集 和数据流盘硬件，我 们为DSSM和 DOMT开发了标定 和校正算法，相比使 用实时硬件信号处理 实际问题，我们的处 理方法更有效、成本 更低。" - J. Richard Fisher, National Radio Astronomy Observatory The

2、 Challenge: 运用现代数字计算的 最新进展，开发下一 代高性能、小型集成 射电航天接收机，尽 可能与天线输入接近 地对信号进行数字化 尽可能与天线馈电接 近地对信号进行数字 化。 The Solution:5图1。正伯德绿色银 行望远镜罗伯特（技嘉）用来测试原型 DSSM © NRAO /投资者 联盟/美国国家科学 基金会Author (s):使用NI采样、数据 采集（DAQ）和数 据流盘硬件，采集定 制设计的微波前端的 输出，并测试数字标 定边带分离和高精 度、高稳定性极化隔 离的新算法。 J. Richard Fisher - National Radio Astron

3、omy Observatory Matthew A. Morgan - National Radio Astronomy Observatory 美国国家射电天文台 （NRAO）是美国 国家科学基金会 （NSF）资助的机 构，负责美国和世界 各地天文学家使用的 射电天文设备的建 造、维护和运作。中 央开发实验室 （CDL）是 NRAO的主要研究 和开发团队。 突破性的射电天文研 究依赖于低噪声接收 器和宽带数据传输系 统。尽管这些系统在 成本、重量和尺寸上 都更小，但是比目前 的高端系统更可靠、 可重复性更高，而且 无需牺牲灵敏度。 数字边带分离和极性 隔离 下一代射电仪器需要 尽可能接近地对

4、天线 馈电进行数字化，并 且将射频至基带转 换、模拟至数字转换 以及铜导线至光纤转 换集成在一体。这包 含将部分功能从模拟 域转换到数字域，从 而可以以最高的保真 度进行信号处理。 自然决定了射电天文 学家研究信号的频 率、带宽和时域特 性，需要比大多数商 业应用具有更宽微调 范围和更大瞬时带宽 的接收机。此外，从 通信标准而言，宇宙 信号非常微弱，因此 分离带外信号十分重 要。直到最近，出现 了复杂的下变频系 统，它带有多个本地 振荡器和中间滤波 器，让低级散射混和 产品分解频谱，特别 是在高度集成的接收 器上。更简单的单一 下变频、边带分离解 决方案都不可行，因 为为中频（IF）实 现高带

5、宽混和耦合器 十分困难，相对受限 制的边带分离导致低 于20 dB宽带 宽。为了避免这个问 题，我们使用数字边 带分离混和器 （DSSM）避免模 拟IF混和系统。 DSSM对相内进行 数字化并独立对混和 器输出进行正交化， 数字化地完成更高或 更低带宽的最终重 建，因此我们可以创 建数学上完美的IF 混和系统，校正在前 置模拟数字中的任何 幅值和相位失衡。 另外，对于射电天文 学而言,比较独特的 是需要测量随机极化 信号的部分极化，通 常极化低于1。在 传统系统中，成为直 接式收发转换器 （OMT）的被动电 磁设备插入在天线和 第一个低噪声放大器 之间，将信号的正交 部分分解为两个独立 输出。

6、尽管这些设备 的性能很好，但它们 比较笨重，难以封 装，降低了效率，限 制了它们在高集成紧 凑接收器中的使用。 数字正交模转换器 （DOMT）和 DSSM一样避免了 这个问题。 使用基于NI PXI的数据采集和 流盘技术的算法开发 最后，将边带和极化 重建所需的信号处理 算法编程到现场可编 程门阵列 （FPGA）固件 中，实现实时运行。 但是，标定和处理算 法需要更广的开发和 测试。因此，我们需 要足够灵活的系统， 对多个接收器概念进 行原型开发，并使用 不同算法重复比较相 同数据的后期处理， 同时仍然对八个通道 高速同步采集大量数 据。NI HDD-8263 与PXI数据采集模 块结合在一起

7、可以满 足这些需求。 对DSSM的初始测 试，我们使用工作在 500 MS/s的 NI PXI-5152双通道采样器，采集 相内和1250到 1650 MHz前 端的正交输出。我们 使用带有1 TB存 储容量的NI HDD-8263 RAID流盘系统， 对数据进行缓存和存 储。最大128 MB缓存以128 ms突发记录数据。 这为数字校正系数标 定和超过60 dB 的边带分离测量提供 了足够的信噪比。 带有四个DSSM接 收机的8到12 GHz DOMT的 后续测试使用相同的 NI HDD- 8263系统存储数 据。在设置中，我们 使用工作在60 MS/s的NI PXIe-8105八通道采样器

8、。每个 通道从模拟硬件的四 个极化向量采集相内 或正交相位成分。在 这个例子中，以 1.08 s突发记 录数据。 通过将数据用流盘技 术传送到磁盘，用软 件对结果进行后期处 理，我们在完成复杂 昂贵的FPGA实现 之前，对算法进行微 调以得到最佳性能。 结果 我们使用NI数据采 集和数据流盘硬件， 相比使用实时硬件信 号处理实现而言，我 们更有效、成本更低 地为DSSM和 DOMT开发标定和 校正算法。我们开发 的算法和校正参数十 分强大、精确并且在 不同温度下稳定。 DSSM原型系统在 单一标定之后实现了 在12 °C温度变 换范围内高于50 dB边带隔离，同时 一次采集整个L频带

9、 （1250至 1650 MHz）。两个 DOMT原型系统、 三探头和四探头版本 实现了在10 °C 温度范围内，一次标 定实现高于50 dB的极化隔离，同 时采集9 GHz附 近的60 MHz宽 带。 有了这些结果，我们 有信心在更大带宽下 用FPGA硬件实现 实时算法。 Author Information: J. Richard Fisher National Radio Astronomy Observatory rfishernrao. edu 1/3图1。正伯德绿色银 行望远镜罗伯特（技 嘉）用来测试原型 DSSM © NRAO /投资者 联盟/美国国家科学 基金会 2/3图2.实验室的安 装与使用NI PXIe - 8105 8通道采 样器和NI HDD 的串流RAID存储 系统8263 © NRAO /投资者 联盟/ NSF的 DOMT测试 Legal This case study (this "case study") was developed by a National Instruments ("NI") customer. THIS CASE STUDY IS P