技术领域
[0001] 本
发明涉及天文技术领域，更具体地，涉及一种射电望远镜的前端电路系统。
背景技术
[0002] 接收机系统是望远镜的重要组成部分，是决定望远镜性能的关键因素。正在建设中的500米球面射电望远镜FAST是世界上最大的单口径射电望远镜，有着很高的
分辨率，这是它本身巨大的优势。FAST的工作频段在70MHz-3GHz，为了尽量发挥FAST本身优势并能适应不同的天文观测目标，需要FAST的接收机能灵活
覆盖整个频带。
[0003] 目前，射电望远镜中的接收机只能有选择地观测特定带宽。对于一些科学目标，比如谱线，若需查看2-3GHz的带宽，只能每次查看200MHz，即，依次查看2-2.2GHz的带宽、2.2-2.4GHz的带宽、2.4-2.6GHz的带宽、2.6-2.8GHz的带宽和2.8-3GHz的带宽，从而导致观测效率较低。例如有些科学目标希望可以搜索脉冲星，脉冲
信号(例如delta signal)的
频率范围通常较宽(尤其如果是理想的时域delta信号，因为时域有限，频域无限，所以频率是成SINC形状，并且是带宽无限宽的，只不过强度会逐步低)，这个时候，没有一个特定的
频率范围搜索，往往需要不断的尝试，多采集数据，然后反复套
算法，从而使得观测效率较低。
发明内容
[0004] 本发明提供一种克服现有射电望远镜的接收机覆盖带宽窄，灵活性低的问题的射电望远镜的前端电路系统。
[0005] 所述前端电路系统位于所述射电望远镜的天线与所述射电望远镜的
模数转换电路系统之间，所述前端电路系统包括：
[0006] 一次处理模
块、二次处理模块和时钟模块；
[0007] 所述一次处理模块，用于将所述天线接收到的
射频信号进行放大和混频，生成满足所述模数转换电路系统的功率要求的中频信号；
[0008] 所述二次处理模块，用于根据指令，提取所述中频信号中对应频段的
通带信号，以供所述模数转换电路系统处理；
[0009] 所述时钟模块，用于为所述前端电路系统提供
本振，以及为所述模数转换电路系统提供时钟。
[0010] 优选地，所述前端电路系统还与后端FPGA电路系统电连接，所述时钟模块，还用于为所述后端FPGA电路系统提供时钟。
[0011] 优选地，所述前端电路系统通过带状
电缆与所述后端FPGA电路系统电连接，所述前端电路系统的功能由所述后端FPGA电路系统控制。
[0012] 优选地，所述前端电路系统还包括：
[0013] 信号同步辅助模块，用于提供1pps的天线信号，以使得所述前端电路系统、所述模数转换电路系统、所述后端FPGA电路系统和所述信号同步辅助模块绑定的稳频器实现
锁定同步。
[0014] 优选地，所述一次处理模块，包括：
[0015] 依次电连接的第一低噪声
放大器、第一固定
衰减器、第一宽带
射频放大器、第一数字可变
电子衰减器、第二固定衰减器、第二宽带射频放大器、第三固定衰减器、第三宽带射频放大器、第二数字可变电子衰减器和
混频器。
[0016] 优选地，所述第一
低噪声放大器为CMA-5043+；所述第一固定衰减器、所述第二固定衰减器和所述第三固定衰减器均为GAT-5；所述第一宽带射频放大器、所述第二宽带射频放大器和所述第三宽带射频放大器均为ADL5610；所述第一数字可变电子衰减器和所述第二数字可变电子衰减器均为HMC624LP4，所述混频器为M1-0008。
[0017] 优选地，所述二次处理模块包括：
[0018] 与所述混频器电连接的数字
开关，与所述数字开关电连接的低通
滤波器和与所述
低通滤波器电连接的第四宽带射频放大器。
[0019] 优选地，所述低通滤波器将所述中频信号分为4个频段，所述4个频段分别为：0-200MHz、0-400MHz、0-800MHz和0-1500MHz。
[0020] 优选地，所述时钟模块包括：
[0021] 第一压控
振荡器，用于为所述混频器提供本振；
[0022] 第二压控振荡器，用于为所述模数转换电路系统和所述后端FPGA电路系统提供时钟。
[0023] 优选地，所述时钟模块还包括：
[0024] 与所述第一压控振荡器电连接的第四固定衰减器、与所述第四固定衰减器电连接的第五宽带射频放大器；
[0025] 与所述第二压控振荡器电连接的第六宽带射频放大器。
[0026] 本发明提供的一种射电望远镜的前端电路系统，可满足射电天文数据高速、高
质量、稳定可靠的采集需求，可接收不同波段的信号，满足不同的科学任务的需求，适用于超宽带的数据应用，灵活性高、可靠性好，功耗低，成本低。
附图说明
[0027] 图1为根据本发明
实施例提供的一种射电望远镜的前端电路系统的结构图；
[0028] 图2为根据本发明实施例提供的一种射电望远镜的前端电路系统的电路结构示意图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0030] 对于射电望远镜，天文观测对于目标观测的频率和范围具有很强的不确定性，因此，射电望远镜中的接收机系统需要具有很强的灵活性。本发明提供的一种射电望远镜的前端电路系统，作为接收机系统必不可少的组成部分，对于接收机系统的功能实现起到了至关重要的作用。
[0031] 图1为根据本发明实施例提供的一种射电望远镜的前端电路系统的结构图，如图1所示，所述前端电路系统位于所述射电望远镜的天线与所述射电望远镜的模数转换电路系统之间，所述前端电路系统包括：
[0032] 一次处理模块、二次处理模块和时钟模块；
[0033] 所述一次处理模块，用于将所述天线接收到的射频信号进行放大和混频，生成满足所述模数转换电路系统的功率要求的中频信号；
[0034] 所述二次处理模块，用于根据指令，提取所述中频信号中对应频段的通带信号，以供所述模数转换电路系统处理；
[0035] 所述时钟模块，用于为所述前端电路系统提供本振，以及为所述模数转换电路系统提供时钟。
[0036] 具体地，射电望远镜的天线接收到的射频信号通常比较微弱，设置该前端电路系统的作用即是将微弱的射频信号进行放大和混频，生成满足模数转换电路系统的功率要求的中频信号。并根据指令，提取中频信号中对应频段的通带信号，以供模数转换电路系统处理。使得模数转换电路系统可以对不同频段的通带信号进行模数转换，以应用于不同的观测需要。需要说明的是，该指令可由程序语言生成，也可由后端FPGA电路系统生成。
[0037] 该前端电路系统的另一作用是为模数转换电路系统提供时钟，以使得该前端电路系统与模数转换电路系统实现同步。
[0038] 需要说明的是，该前端电路系统的功能可通过程序语言进行控制，也可由后端FPGA电路系统控制。
[0039] 本实施例提供的一种射电望远镜的前端电路系统，通过将射电望远镜的天线接收到的微弱射频信号放大、混频和滤波，以使得该模数转换电路系统在覆盖该射电望远镜的完整带宽的情况下，还能对不同频段的通带信号进行处理，灵活性高。并且，该前端电路系统的另一作用是为模数转换电路系统提供时钟，从而保证了该前端电路系统与模数转换电路系统的同步性，精确性高。
[0040] 所述前端电路系统还与后端FPGA电路系统电连接，所述时钟模块，还用于为所述后端FPGA电路系统提供时钟。
[0041] 该前端电路系统的时钟模块不仅可以为模数转换电路系统提供时钟，还可以为后端FPGA系统提供时钟，以保证该前端电路系统、模数转换系统和后端FPGA系统三者实现同步。
[0042] 进一步地，所述前端电路系统通过带状电缆与所述后端FPGA电路系统电连接，所述前端电路系统的功能由所述后端FPGA电路系统控制。
[0043] 具体地，前端电路系统的功能可通过程序语言进行控制，也可通过后端FPGA电路系统控制。该前端电路系统通过带状电缆与该后端FPGA电路系统的GPIO口相连。
[0044] 基于上述实施例，本实施例中的所述前端电路系统还包括：
[0045] 信号同步辅助模块，用于提供1pps的天线信号，以使得所述前端电路系统、所述模数转换电路系统、所述后端FPGA电路系统和所述信号同步辅助模块绑定的稳频器实现锁定同步。
[0046] 本实施例提供的一种射电望远镜的前端电路系统，通过信号同步辅助模块，提供1pps的天线信号，以使得前端电路系统、模数转换电路系统、后端FPGA电路系统和信号同步辅助模块绑定的稳频器实现锁定同步，避免了频率漂移。
[0047] 基于上述实施例，本实施例结合附图，对该前端电路系统的一次处理模块进行具体说明。
[0048] 图2为根据本发明实施例提供的一种射电望远镜的前端电路系统的电路结构示意图，如图2所示，该一次处理模块包括：
[0049] 依次电连接的第一低噪声放大器、第一固定衰减器、第一宽带射频放大器、第一数字可变电子衰减器、第二固定衰减器、第二宽带射频放大器、第三固定衰减器、第三宽带射频放大器、第二数字可变电子衰减器和混频器。
[0050] 具体地，一次处理模块对天线接收的微弱的射频信号进行预处理，通过该一次处理模块中的各级放大器与衰减器的配合，使最终输出的中频信号的功率在模数转换电路系统的工作范围内。
[0051] 本实施例提供的一种射电望远镜的前端电路系统，通过对天线接收的微弱射频信号进行预处理，使得经过预处理之后的信号满足后续的模数转换电路系统的工作要求，为接收机的功能实现提供了可行性。
[0052] 所述第一低噪声放大器为CMA-5043+；所述第一固定衰减器、所述第二固定衰减器和所述第三固定衰减器均为GAT-5；所述第一宽带射频放大器、所述第二宽带射频放大器和所述第三宽带射频放大器均为ADL5610；所述第一数字可变电子衰减器和所述第二数字可变电子衰减器均为HMC624LP4，所述混频器为M1-0008。
[0053] 例如对于第一低噪声放大器的选型，综合天线工作频带范围，以及现有低噪声放大器的工作频段、放大器的增益、噪声系数、三阶交调点和P1dB输出功率等各方面器件性能，考虑选用Mini-circuits生产的宽带放大器CMA-5043+。由于接收机的一级放大器控制了整个前端中频接收系统的总的噪声
温度，所以要选择低噪音，高增益的放大器。在0.05GHz-3GHz的频带范围内它的增益范围是10.2dB-25.2dB，相对来说的高增益。Noise Figure范围是0.73-1.1dB，相比同频段其他器件要小1dB左右。较高的Output IP3，范围是
31-33.6dBm，P1dB输出功率范围是18.9-21.2dBm。
[0054] 另一方面，为了考虑每一级放大器增益不能太大以至超过下一级放大器的P1dB输出功率使其饱和而不能正常工作，还要考虑最终性噪比能尽可能大一些，同时要保证输出到模数转换电路系统的信号功率值不能超过其最大工作范围6dBm，所以要考虑接收机的前端电路系统中各级宽带射频放大器与数字可变电子衰减器的选型与巧妙组合。第一低噪声放大器后加一个5dB的固定衰减器，用于抑制上级与本级宽带射频放大器间的
驻波，并选择工作频段为0.03-6GHz，增益范围为17.5dB的宽带射频放大器ADL5610对信号三级放大。整个前端电路系统中有两个数字可变
电阻衰减器HMC624LP4，它们的调节范围是0-31.5dB，步进是0.5dB。
[0055] 基于上述实施例，本实施例结合图2，对该前端电路系统的二次处理模块进行说明，该二次处理模块，包括：
[0056] 与所述混频器电连接的数字开关，与所述数字开关电连接的低通滤波器和与所述低通滤波器电连接的第四宽带射频放大器。
[0057] 具体地，该数字开关用于将满足模数转换电路系统的功率要求的中频信号分为多个频段，对于每一频段的通带信号，后接低通滤波器对其进行滤除杂波的处理。对于进行滤波之后的通带信号，后接第四宽带射频放大器对其进行放大处理。需要说明的是，第四宽带射频放大器为ADL5610。
[0058] 基于上述实施例，本实施例中的所述低通滤波器将所述中频信号分为4个频段，所述4个频段分别为：0-200MHz、0-400MHz、0-800MHz和0-1500MHz。四个低通滤波器的型号分别为LPCN-200、LPCN-400、LPCN-800和LPCN-1500。
[0059] 本实施例提供的一种射电望远镜的前端电路系统，通过对中频信号进行滤波处理，使得该前端电路系统能够应用于不同的观测需要，并通过数字开关选择相应的基带频段进行输出，使得该系统的灵活性高。
[0060] 基于上述实施例，本实施例结合图2，对该前端电路系统中的时钟模块进行说明。
[0061] 所述时钟模块包括：
[0062] 第一压控振荡器，用于为所述混频器提供本振；
[0063] 第二压控振荡器，用于为所述模数转换电路系统和所述后端FPGA电路系统提供时钟。
[0064] 具体地，该时钟模块中包括两个压控振荡器，通过调节两个压控振荡器，实现可靠并可调的时钟输出。
[0065] 基于上述实施例，所述时钟模块还包括：
[0066] 与所述第一压控振荡器电连接的第四固定衰减器、与所述第四固定衰减器电连接的第五宽带射频放大器；
[0067] 与所述第二压控振荡器电连接的第六宽带射频放大器。
[0068] 需要说明的是，第四固定衰减器的选型为GAT-5、第五宽带射频放大器和第六宽带射频放大器的选型均为ADL5610。
[0069] 具体地，如图2所示，RF IN端口直接输入天线采集的射频信号，REF IN端口用于输入10MHz信号，为两个压控振荡器提供参考频率。RF端口输出放大信号，即中频信号；IF端口输出混频并滤波后的放大信号，即通带信号。两个端口的
输出信号均可直接作为模数转换电路系统的
输入信号源。CLK OUT端口输出可变的时钟，频率范围137.5MHz-1100MHz，可为模数转换电路系统和后端FPGA电路系统提供稳定的外部时钟输入。同时利用Python语言编写控制界面,最终实现对器件的数字化控制。
[0070] 本发明充分利用压控振荡器以及数控变阻器的灵活性，完成通带的选择，通过对FPGA上储存的数字变频系数的实时更新，实现对各个频段完整、灵活、高效的控制。使得一套系统可以多变的、无成本的完成多项接收机的功能和波段。这样不仅仅大大降低成本，还可以充分利用数字系统的灵活性，最大限度的配合望远镜和低噪音放大器的噪音属性和频率属性。
[0071] 前端电路系统的功能全部通过
软件来控制，这包括控制压控振荡器的频率和功率(10MHz至3GHz)；控制数字可变电子衰减器的电阻(0.5dB
精度)；控制数字开关等。这些模拟电路的器件，均由FPGA的GPIO口控制。同时开发由C++语言控制的界面(用C++语言来开发一个界面)，通过KATCP通信协议对中频板上的端口进行控制。
[0072] 最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
