一种射电天文相位阵馈源时域波束合成终端制造技术

本实用新型专利技术公开了一种射电天文相位阵馈源时域波束合成终端，其特征在于，包括N个级联的RFSOC卡，每一所述RFSOC卡包括M个通道，每一通道上设有一ADC采样模块和一DDC数字下变频模块，每一RFSOC卡还包括幅相校正模块、时域波束合成模块、波束合成系数存储模块、传输接口模块和同步控制模块；DDC数字下变频模块用于将输入的采样数据进行数字下变频，得到变频后的基带信号；数据幅相校正模块用于对收到的各通道基带信号数据进行幅相校正；波束合成系数存储模块用于存储预先生成的波束合成系数；时域波束合成模块用于基于波束合成系数对幅相校正后的多通道数据进行波束合成后，合束数据经传输接口模块封装后输出。经传输接口模块封装后输出。经传输接口模块封装后输出。

【技术实现步骤摘要】
一种射电天文相位阵馈源时域波束合成终端


[0001]本技术属于天文观测
，具体涉及一种射电天文相位阵馈源时域波束合成终端。

技术介绍

[0002]射电天文观测中为有效开展脉冲星、瞬变源等观测应用，需要高灵敏度的快速巡天，由于射电望远镜天线口径大，波束窄，完成一次巡天所需的时间极长，为提高巡天速度，常采用多个波束进行观测。近年来，许多国家开始在大中型射电望远镜天线上进行以小型相位阵天线作为多波束馈源的尝试，以形成数个相互交叠的瞬时波束，称为相位阵馈源(Phased Array Feed,PAF)技术。PAF作为一种国际领先的技术，既可以保持传统波导馈源的效率，同时又可以对整个焦面进行抽样，从焦面获取更完整信息。通过产生多个紧密交叠的波束，有效扩大射电望远镜的视场，提高巡天效率。
[0003]PAF技术的产生是考虑到望远镜焦面场内有效收集信号的范围面积有限，而馈源喇叭尺寸也受到设计限制，同时每一个波束的大小还取决于望远镜反射面的口径，在这些因素作用下，一般的馈源喇叭阵列所形成的波束并非相互紧挨着3dB交叠排列的，而是波束与波束之间具有一定的空隙。因此对同一片天区而言，馈源喇叭阵列可能要重复进行多次(典型值n＝3，4)观测，才能够实现波束3dB交叠紧密排列，以填满整个视场范围。应用PAF多波束合成网络进行天区扫描或巡天观测，由于波束数目不受馈源喇叭数目的限制，只要提高终端的计算能力，就有可能在视场范围内形成多个波束之间3dB紧密交叠，这样带来的收益就是相对于馈源喇叭阵列的巡天效率可以提高3
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>4倍。
[0004]我国的FAST已是国际上最大口径的射电望远镜，发展与其匹配的宽带低噪声大视场多波束阵列馈源将使其成为巡天利器。作为世界上灵敏度最高的射电望远镜，FAST进入正式运行以来，其申请观测机时已远超望远镜满负荷的实际运行时间。利用相位阵馈源技术，研制新型多波束接收机系统装备FAST，也可极大缓解这一矛盾。PAF阵列利用多单元波束合成网络形成多个波束，能有效扩大FAST观测视场，提高望远镜巡天效率，在满足海量观测申请的同时，能够进一步保持和提升FAST国际领先地位。
[0005]FAST现役的19单元多波束接收机使用的是主流ROACH2终端。它是由一块Xilinx Virtex
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6系FPGA作为主要处理单元，使用PowerPC 440EPx作为用户交互和控制的SOC，通过多个FPGA功能模块的组合，完成射电天文观测功能。
[0006]射电天文ROACH2终端的结构主要包含6个模块，每个模块的具体功能为：
[0007]1.ADC采样模块，通过2Gsps@8bit的ADC芯片实现对0～1GHz带宽射频信号的采样；
[0008]2.FFT运算模块，将ADC的采样数据通过FFT运算进行频谱通道化处理，通过控制2～8K频点的通道化频谱运算处理，实现射电天文观测对数据的频率分辨率控制需求；
[0009]3.频谱累加控制模块，通过对频谱累加(积分)运算实现射电天文观测对数据的时间分辨率控制需求；
[0010]4.Bit位截取模块，对FFT运算后的32位单精度浮点数的8位截取操作，满足频谱分
析终端的8bit输入8bit输出需求，同时可以调整输出频谱的动态范围值；
[0011]5.万千兆传输模块，对运算后频谱进行UDP或TCP/IP数据封装与传输功能，可控制设置传输包头文件，目的IP地址与MAC值等功能；
[0012]6.接收与存储模块，对传输的数据进行解包与转存，通过万兆网卡的RDMA模式直存到目标计算机硬盘中，完成频谱分析的数据存储功能。
[0013]针对新一代射电天文PAF接收机波束合成技术的发展，现有的射电天文数字终端ROACH2系统因其硬件ADC和FPGA芯片的容量限制，其2通道1GHz@8bit，2K频点和10GbE传输等关键技术指标均已无法满足观测和应用需求，无法实现对更高例如8通道1～2GHz多路输入的覆盖，无法满足16～32K点FFT运算的高频谱分辨率观测，也无法满足100Gbps的高速数据传输需求。
[0014]PAF阵列的高效大视场巡天和成像主要通过形状可控且稳定的多波束来实现，波束合成是从原始观测数据到科学数据的核心，其实时的加权因子和干扰抑制等算法都高度依赖终端的运算与传输能力。目前FAST
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19波束接收机的现役ROACH2平台已无法满足新型多波束阵列带来的海量处理需求，因此结合工业界摩尔定律发展，急需提出积极研制最新一代FPGA构架RFSOC的数字波束合成平台，通过最新FPGA阵列模式来实现FAST宽带多波束PAF波束合成终端。

技术实现思路

[0015]针对现有技术中存在的问题，本技术的目的在于提供一种射电天文相位阵馈源时域波束合成终端。
[0016]本申请结合国际最新射电天文接收机技术发展与PAF研制需求，针对FAST现有7单元和19单元PAF馈源设计，实现基于新一代FPGA平台的PAF波束合成终端系统研发，针对FAST
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PAF设计指标，完成一套满足设计参数的基于RFSOC的PAF波束合成终端系统，其特色在于：
[0017]1)完整覆盖FAST
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PAF馈源的19单元设计指标，采用单卡8通道的RFSOC多卡级联方式实现最多24路的全单元有效覆盖，2～4Gsps的采样带宽满足500MHz～2GHz的宽带需求，12bit AD采样精度提高数据动态范围满足更多观测需求。
[0018]2)进行RFSOC内核数字变频DDC设计，实现对1.4～1.9GHz的基带500MHz变频搬移。
[0019]3)进行RFSOC内核16K通道的数字频谱分析FPGA内核设计，实现16K高分辨率运算通道。
[0020]4)进行RFSOC内核数字波束合成设计，实现对
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90～+90度的每5度波束扫描的多路波束合成设计。
[0021]5)通过时域波束合成运算，减少了基于频域FFT运算的FPGA资源消耗，同时引入多相滤波器组设计，多IP集群输出接口等，实现了多种波束合成算法比，高性能频谱处理和灵活的参数设置。
[0022]本申请的技术方案为：
[0023]一种射电天文相位阵馈源时域波束合成终端，其特征在于，包括N个级联的RFSOC卡，每一所述RFSOC卡包括M个通道，每一通道上设有一ADC采样模块1和一DDC数字下变频模块2，每一所述RFSOC卡还包括幅相校正模块3、时域波束合成模块4、波束合成系数存储模块
5、传输接口模块6和同步控制模块7；N与M的乘积大于19；
[0024]所述ADC采样模块1，用于对接收的射频信号进行采样并将其发送给所述DDC数字变频模块2；
[0025]所述DDC数字下变频模块2，用于将对应输入的采样数据进行数字下变频，得到变频后的基带信号数据并将其传输给所述幅相校正模块3；
[0026]所述幅相校正模块3，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种射电天文相位阵馈源时域波束合成终端，其特征在于，包括N个级联的RFSOC卡，每一所述RFSOC卡包括M个通道，每一通道上设有一ADC采样模块(1)和一DDC数字下变频模块(2)，每一所述RFSOC卡还包括幅相校正模块(3)、时域波束合成模块(4)、波束合成系数存储模块(5)、传输接口模块(6)和同步控制模块(7)；N与M的乘积大于19；所述ADC采样模块(1)，用于对接收的射频信号进行采样并将其发送给所述DDC数字下变频模块(2)；所述DDC数字下变频模块(2)，用于将对应输入的采样数据进行数字下变频，得到变频后的基带信号数据并将其传输给所述幅相校正模块(3)；所述幅相校正模块(3)，用于对收到的各通道基带信号数据进行幅相校正后输入所述时域波束合成模块(4)；所述波束合成系数存储模块(5)与所述时域波束合成模块(4)连接，用于存储预先生成的波束合成系数；所述时域波束合成模块(4)，用于基于所述波束合成系数存储模块(5)中的波束合成系数，对幅相校正后的多通道数据进行波束合成，并将波束合成数据输入所述传输接口模块(6)；所述传输接口模块(6)，用于对所述波束合成数据进行封装后输出；...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东亮，郭元旗，甘恒谦，姜鹏，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：新型
国别省市：