基于计算机集群的脉冲星相干消色散系统研究-图文

第９卷第１３期２００９年７月１６７１—１８１９（２００９）１３—３６１２—０５科学技术与工程ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶ０１．９Ｎｏ．１３Ｊｕｌｙ２００９④２００９Ｓｃｉ．ＴｅｃＥＥｎｇｎ昏基于计算机集群的脉冲星相干消色散系统研究刘建伟１’２金乘进１（中国科学院国家天文台１，北京１０００２１；中国科学院研究生院２，北京１０００８６）摘要来自脉冲星的射电辐射在传播过程中会与星际间介质中的自由电子相互作用，发生色散现象。脉冲星相干消色散就是通过计算，将采样后的脉冲星信号进行快速傅里叶（Ｆ盯）变换，在频域同ｃｈｉｒｐ函数相乘，从而实现消色散的过程。介绍了基于计算机集群的相干消色散的原理以及数据计算流程，同时分析了计算过程中参数的选取及其与集群性能的关系，并对于脉冲星相干消色散集群系统的发展进行了介绍。关键词脉冲星相干消色散集群Ｆｎ中图法分类号Ｐ１６２．５；文献标志码Ｂ１基本原理脉冲星是高速旋转的中子星，并且具有很强的磁场。随着它的自转，当它的辐射扫过地球时，便能够观测到一个脉冲信号，于是人们把这种周期性不间断的发出电磁脉冲的天体称为脉冲星。脉冲星的发现被称为２０世纪６０年代四大天文发现之一。自１９６７年第一颗脉冲星被发现起，科技的进步和天文仪器的不断发展使得天文学家对脉冲星进行更加深入的研究成为可能。脉冲星所发出的成周期的脉冲信号在空间传播的过程中会受到星际间介质（ＩＳＭ）的影响，与其相互作用，使我们观测到的脉冲轮廓展宽而变得模糊。具体表现为脉冲信号在时域上发生延迟，延迟的时间同信号频率间满足关系式…：．Ｄ。．ｔＤＭ＝４．１５×１０’茅（１）ＪＭＨ；（１）式中ｔＤＭ为延迟时间，，为信号频率，Ｄ村为色散量。２００９年３月１８日收到国家自然科学基金天文联合基金项目（１０７７８６２７）资助第一作者简介：刘建伟，中国科学院国家天文台硕士。研究方向：天文技术与方法。Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｉｕｊｉａｎｗｅｉ２７＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。这就是脉冲星的色散现象。随着研究的不断深入，脉冲星消色散技术也在不断进步。脉冲星消色散的方法主要分为两种：非相干消色散和相干消色散。非相干消色散是在观测带宽内把脉冲信号在频率上等分为有若干通道的窄带信号，再将每个通道内的信号经过平方检波后在时域上做一定的时间偏移，以补偿因色散而产生的时间延迟。但是同一通道内不同频率的信号的时延却不能消除。该问题虽然可以通过减小通道带宽改善，但是由于受到滤波器相应时间的限制（１／Ｂ），通道带宽不能无限制减小，所以改善程度有限。而相干消色散的方法则不存在这种限制，在色散已知的情况下它可以完全消除色散的影响。相干消色散是把星际介质的作用看做一个滤波器，其传输方程为：Ⅳ∽＋力＝ｅｘｐｉＩ露∽＇ｎ＇Ｄｆ＋力２／Ｊ、１１（厂＜‰）（２）（２）式中五是观测的中心频率（ＭＨｚ），Ｄ是色散常数，Ｄ２ｉ丽专‰严（ｓｅｃＨ；），Ｄ村２上ｎｃｄ。ｚ是脉冲星据观测者的距离，ｎ。是空间中电子密度旧Ｊ。星际介质传输方程的倒数称为ｃｈｉｒｐ函数。相干消色散就是通过傅里叶变换把接收到的脉冲星信号变换至频域，并与ｃｈｉｒｐ函数相乘，再将得到的结果通过逆傅里叶变换变回时域从而得到消色散万方数据１３期刘建伟，等：基于计算机集群的脉冲星相干消色散系统研究３６１３之后的脉冲星信号。但是相对于非相干消色散计算量小，处理效率高的特点，相干消色散需要计算机软件完成庞大的运算。例如一个带宽为５００ＭＨｚ，８Ｂｉｔ量化的双极化的信号，以奈奎斯特频率只＝２Ｂ进行采样，其数据率可达２ＧＢｙｔｅｓ／ｓ。巨大的数据量对计算机系统提出了很高的要求。利用计算机集群系统来实现高效实时的数据计算是实现相干消色散的有效方法。２数据处理圳￡甄＝ｘ，（ｔ）一ＬＰＦｉ（ｔ）Ａ／Ｄｉ（ｎ）｝Ｌ—咚吒刑竺Ｐ叫竺尸如前所述，带宽５００ＭＨｚ的信号进行复采样，每一路的数据率达ｌＧＢｙｔｅｓ／ｓ，其数据率之和仍为２ＧＢｙｔｅｓ／ｓ。对如此大的数据进行傅里叶变换，如果一次性完成，不但计算量大而且效率低。为了提高计算机在进行ＦＦｒ计算时的效率，在进一步对采样后的数据进行处理之前，需要同非相干消色散一样，用多相滤波器将数字信号分成多个通道［通道数远小于非相干消色散，单通道带宽一般在（１～５０）ＭＨｚ］。接下来把多相滤波之后得到的数据通过千兆以太网（对于高数据率的系统甚至可能用到万兆以太网）传递给计算机集群的主节点，并通过交换机发送给各个子节点，并行完成消色散的处理过程。由于受到系统性能的限制，集群系统一次能够完成的ＦＦＴ的长度Ｎｆｆｔ是有限的，为了达到集群运算的最大效率，需要选择合理的Ｎｆｆｔ的长度。所以对于一个通道内的数据也不能待其全部接收以后一次性完成处理过程，而是以数据流的形式按照一定的长度将其逐段处理。对于通道带宽为Ｂ的信号，在该通道内因色散产生的延迟为：ｔＤＭ：堕挚（３）＝———■了—一（ｆｊ，－，ｏ因为在进行消色散计算时，不同数据段之间需要ｔＯＭ长度的重叠，所以Ｎｆｆｔ个样本对应的时间长度ｔｏ必须大于ｔ删令①：ｔｏ＝２￡删（４）如果使用复采样，采样的时间的问隔为：ｔ，＝１／Ｂ（５）于是在ｔ。的时间内，我们得到的样本数为：％：ｔｏ／ｔ，：燮挚％＝，＝——＿ｒ—２（６）．，Ｏ由于Ｎｆｆｔ为２的整数次幂时，ＦＦｒ的运算效率最高，所以对其进行如下调整：％＝２‰［衄‘‘ｏ／”１’１（７）（ｉｎｔ（）为取整操作）。再根据ｎ承对ｔｏ做相应修改：ｔｏ７＝ｎ册￡。。由以上分析可知，带宽Ｂ越大，色散量Ｄ肘越大，则时间延迟ｔＯＭ越长，相应的ｔ。越长，从而使得样本数Ｎｆｆｔ越多（如图２所示）。采用双极化，复采样信号的数据的实部、虚部分别传输，则总共产生的样本数为４Ｎｆｆｔ，转换为ｂｙｔｅ数：ｂｙｔｅｓ：４Ｎ＃ｎＱｂｉｔｓ其中ｎｂｉｔｓ为数据的量化ｂｉｔ数。采用适当的方法降低量化ｂｉｔｓ数可以降低数据文件大小，从而节省传输带宽和存储空间，但是对于消色散运算来说样本个数是不变的，所以运算量的大小并不会因ｂｉｔｓ值的降低而降低。①２倍‘删不是必须的。此处选择２倍为了满足２的整数次幂的关系。万方数据３６１４科学技术与工程９卷图２在Ｄ。＝５０和Ｄ村＝１５０时Ｎｆｆｔ随曰变化而变化的曲线消色散的运算过程足在Ｌｉｎｕｘ平台下通过Ｃ语青或Ｆｏｔｒａｎ语言编译实现，傅里叶变换是通过调用ＦＦｌｗ完成。使用ＦＦｒｒＷ对Ｎ个值组成的数组进行傅里叶变换时，需要进行的浮点运算次数为：５Ｎ１９２Ｎ次Ｍ１。所以在对样本值为Ｎｆｆｔ的数列进行傅里叶变换时需要完成的浮点运算为：５％１９２％ｏＣ５铲ＤＭｌ９２（炉Ｄ肝）。在计算机集群构建过程中选择适合Ｆ兀ｗ浮点运算要求的ＣＰＵ则可以提高集群相十消色散的运算性能。图３就该项性能把一款Ｐ４处理器和ＡＭＤ３０００＋处理器进行了比较。从图３中可以看出在Ｎｆｆｔ处于２５６到１６３８４之间时ＣＰＵ的计算效率较高。如果Ｄ肼取值在１００到２００之间，此时对应的通道带宽Ｂ为１Ｍ到３Ｍ。图３中也显示出在该取值范围内，ＡＭＤ３０００＋的性能稍好于Ｐ４，而在Ｎｆｆｔ的值逐渐增大时两种ＣＰＵ差别不大，Ｐ４还优于ＡＭＤ３０００＋。经过消色散处理和逆傅单叶变换后，就得到消色散后的时域信号。但是此时的脉冲轮廓并不明显，因为脉冲星发出的脉冲信号十分微弱，通过望远镜接收到的信号全部“淹没”在了众多的噪声之中。为了得到清晰的脉冲星信号，改善脉冲的噪声特性，对于已知周期的脉冲星，可以采用周期折卺的方法，到清晰的脉冲轮廓。至此，相干消色散基本完成，其简要的过程如图４所示。ＳｐｅｅｄｉｎＭｆｌｏｐｓ／ｓ图３Ｐ４和ＡＭＤ两种ＣＰＵ进行胂时的样本处理速度和浮点运算速度的比较多通道＼～………．．集群……………．一图４脉冲星相干消色散数据流程结构３讨论分析为了提高观测的灵敏度，得到更加优质的信万方数据１３期刘建伟，等：基于计算机集群的脉冲星相干消色散系统研究号，需要更宽的观测带宽（灵敏度ＯＣ￣／Ｂ。），这就导致了更高的数据率。如前所述，观测带宽５００ＭＨｚ对应的数据率可达２Ｇｂｙｔｅｓ／ｓ，观测半小时就可以产生约３．５Ｔ的数据。为了降低存储空间的开销，需要对这些数据进行实时的处理。若观测带宽为Ｂ。，通道带宽为８，观测时间为ｔ曲，处理单通道内观测到的数据所需要的时间为ｔｃｏｍ，则为实现实时处理所需要的ＣＰＵ的数目为：，ＲｃＰＵＮＵＭ＝一ｃｏｒｎ等（８）ｔ。６占通过软件模拟脉冲星消色散的过程可以获得不同ＣＰＵ对应的ｔ。。的值，有此可以估计出用于计算部分的集群的规模。根据测试，Ｎｆｆｔ越大，ｔ。。的时间越长。由前面分析可以知道：ｔ。。ｏｃｋ蝴ＯＣ后Ｂ２Ｄ＾，（ｋ为比例系数）。又因为：ｔ。６ｏＣｔ。７ＯＣｔＤＭ。ｃＤＭ曰，所以ＣＰＵ—ＮＵＭｏＣｋＢ。。经过测试发现，后同日和ＤＭ依ＩＨ成正比例关系，如图５所示。图５ｋ随Ｂ及Ｄ村变化的趋势图５显示出，在Ｂ介于１Ｍ～３Ｍ时，Ｒａｔｅ／Ｂ，即ｋ值相对稳定，波动不大，ＤＭ越大ｋ越大，但总体上ｋ不大于１。之后ｋ随着Ｂ的增加而增加，ＤＭ越小，这种增加的趋势越平缓，幅度越小，ｋ的值越小。反之，Ｄ村越大，这种增加的趋势波动越剧烈，幅度越大，ｋ的值也越大。冈此，选择合理的通道带宽能够提高集群的运算效率，从而节省系统资源。４总结按照上述分析，从密云５０ｍ望远镜观测的３００ＭＨｚ基带信号中提取３２ＭＨｚ的窄带信号作为测试信号，对其进行软件消色散处理，则可以测试出某单个ＣＰＵ的运算性能，从而给出南其构成的集群系统规模的评估（部分测试数据见表１）。这些测试将对大型望远镜多功能数字后端的建设提供参考。表ｌ对Ｐ４处理器进行测试的结果从国际上脉冲星相十消色散系统的研究来看，计算机集群系统的应用已经逐渐完善。如荷兰的ＰｕＭａ１１系统。它把１６０ＭＨｚ的观测带宽双极化后通过８Ｂｉｔ采样分成２×８×２０ＭＨｚ的多通道信号。其集群由４４台计算机组成（２台用于数据接收，１０台用于数据存储，３２台用于数据计算），数据率达６４０Ｍｂｙｔｅｓ／ｓ，３２Ｔ的存储空间可以进行连续１２ｈ的观测＂Ｊ。还有英国ＪＢＯ天文台的ＣＯＢＲＡ系统。它将１００ＭＨｚ的带宽分为（５—１０）ＭＨｚ的多个通道。所产生的约４００ＭＢ／ｓ的数据通过ＤＭＡ卡传输至由约１５０个ＰＣ处理器组成的Ｂｅｏｗｕｌｆ集群进行处（下转第３６２０页）万方数据３６２０科学技术与工程９卷ＳｔｕｄｙｏｆｔｈｅＤｏｒｓａｌＲｏｏｔＧａｎｇｌｉｏｎＩｏｎＣｈａｎｎｅｌＥｘｐｒｅｓｓｉｏｎａｆｔｅｒｔｈｅＳｃｉａｔｉｃＮｅｒｖｅｓｏｆＲａｂｂｉｔｗａｓＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＩｎｊｕｒｙＴＡＮＪｉａ—ｑｉ，ＬＩＸｕｅ—ｙｏｎｇ‘（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｌａｓｔｉｃａｎｄＢｕｒｎｉｎｇＳｕｒｇｅｒｙ，ＴｍｓｄｕＨｏｓｐｉｔａｌ，ＦｏｕｒｔｈＭｉｌｉｔａｒｙＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ＇ａｎ７１００３８，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｅｓｃｉａｔｉｃｎｅｒｖｅｏｆｒａｂｂｉｔｗａｇｉｎｊｕｒｅｄｂｙｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ，ａｆｔｅｒｔｈａｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｄｏｒ－ｓａｌｒｏｏｔｇａｎｇｌｉｏｎ（ＤＲＧ）ｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｗａｇｍｅａｓｕｒｅｄｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｉｎｊｕｒｙｍｅｃｈａｎｉｓｍ．ＴｈｅｓｃｉａｔｉｃｎｅｒｖｅＷａｓｉｎｊｕｒｅｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔ。ａｎｄｏｂｔａｉｎｔｈｅｓａｍｐｌｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ．Ｉｍ—ｍｕｎｏｈｉｓｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙｉｎｓｅｍｉｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓＷａｓｄｅｔｅｃｔｅｄｔｈｅＤＲＧｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｉｎｊｕｒｙ，ｔｈｅＤＲＧｉｏｎｃｈａｎｎｅｌｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｉｓｉｎａｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｏｒｄｅｒ，ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｉｔｉｓｉｎｖｅｒｓｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｖｏｌｔａｇｅａｎｄｔｉｍｅ．ＩｔｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈｅｄｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅａｃｔｉｖａｔｉｏｎｐｒｏｇｒｅｓｓｏｆｉｏｎｃｈａｎｎｅｌａｆｔｅｒｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｉｎｊｕｒｙｄｅｐｅｎｄＯｉｌｖｏｌｔａｇｅａｎｄｔｉｍｅ．［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｎｊｕｒｙｄｏｒｓａｌｒｏｏｔｇａｎｇｌｉｏｎ（ＤＲＧ）ｉｏｎｃｈａｎｎｅｌ龟≯、—、ｏｐｂ—、—、￥斗码—、—、—＾‘ｐ、ｊ—、≯、窜ｐ哂≯、—＾＿ｐ吣—、——喝—、—、ｐ—喀—吣≯、≯＾ｓｐ吣—、９＾ｑｐ吣—、—、ｓ冉、９ｐ咕—、—ｈ譬净喝—、９ｐ心ｐ吣—、≯＾ｓｐｑ—、—、—＾ｏ—、妒（上接第３６１５页）理ＭＪ。此外还有澳大利亚Ｓｗｉｎｂｕｒｎｅ大学的ＣＰＳＲ—ＩＩ系统，美国的ＢＰＰ系统等。随着技术的不断进步，ＦＰＧＡ技术被更多的引用到脉冲星相干消色散系统的设计中来，有效的降低了集群的建设成本，提高了集群的运行效率。性能更加优越的计算机集群被不断研发设计出来，它们必将为天文学研究的不断深入提供有力的支持。参考文献１ＫｉｌｌｌｌｌｅｒＭ．ＣＯＢＲＡ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：ｔｈｅｏｒｙＶＩｅｒＳＵＳｒｅａｌｉｔｙ（内部资料）．２００１２Ｈ∞ｋｉｒｍＨ，ＲｉｃｋｅｔｔＢＪ．Ｐｕｌｓａｒｓｉ酬ｐｍｅｓｓｉｎｇ．ＭｅｔｈＣｏｍｐＰｈｙｓ１９７５：６Ｉ—－７４３ＬｙｏｎｓＲ．Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅｓｉ础：ｃｏｍｐｌｅｘ，ｂｕｔｎｏｔｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ．ｗｗｗ．ｄｓｐｇｕｒｕ．ｃｏｍ，２００８４ＦｒｉｇｏＭ．ＪｏｈｎｓｏｎＳ．Ｆ唧：ａｎａｄａｐｔｉｖｅｓｏｆｔｗａｒｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒｔｈｅＦＦｒ．ｗｗｗ．ｆｆｔｗ．ｏｒｇ．２００８５ＫａｒｕｐｐｕｓａｍｙＲ，ＳｍｐｐｅｒｓＢ，ＳｔｒａｔｅｎＷ．ＰｕＭＭＩ：ａｗｉｄｅｂａｎｄｐｕｌｓａｒｍａｃｈｉｎｅｆｏｒｔｈｅＷＳＲＴ．ｅｐｒｉｎｔａｒＸｉｖ：０８０２．２２４５。２００８６ＫｌｌｌｌｌｌｅｒＭ，ＬｙｎｅＡＧ村ａ／．ＣＯＢＲＡ—ａｄｉｇｉｔａｌｒｅｃｅｒｖｅｒａｔＪｏｄｒｅｌｌＢｎａｋ（内部资料）ＰｕｌｓａｒＣｏｈｅｒｅｎｔＤｅｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＣｏｍｐｕｔｅｒＣｌｕｓｔｅｒＬＩＵＪｉａｎ．ｗｅｉｌ’－．ＪＩＮＣｈｅｎｇ－ｊｉｎｌ（ＴｈｅＮａｔｉｏｎａｌＡｓｔｒｏｎｏｍｉｃａｌＯｂｓｅｒｖａｔｏｒｉｅｓ。ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓｌ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１２，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；ＧｒａｄｕａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉ