下一代射电天文接收机算法原型开发

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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
　　挑战:
　　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。
　　解决方案:
　　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。
　　"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。"
　　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。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。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（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。