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射电天文望远镜高速 数据采集系统

阅读：607发布：2020-05-14

专利汇可以提供射电天文望远镜高速数据采集系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于结合了高性能的模数转换模块与高速以太网传输模块，实现了望远镜的数据高速采集与传输要求，并且能够实时对数据做频谱处理，包括：模拟前端单元，接收望远镜收集的微弱有效信号，并将其转换成高性噪比的中频信号；模数A/D转换单元，接收上述中频信号，并将中频模拟信号转换为数字信号；FPGA控制处理单元，将上述数字信号进行预处理，形成经过数字功率检波的频域信号；数据传输单元，将最终的数据利用10G以太网高速输出至外部服务器上。本发明搭建了一个高速的天文数据采集平台，可满足射电天文数据高速、高质量、稳定可靠的采集需求。，下面是射电天文望远镜高速数据采集系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，该系统包括：
模拟前端单元，接收望远镜收集的微弱有效信号，并将其转换成高性噪比的中频信号；
模数A/D转换单元，接收上述中频信号，并将中频模拟信号转换为数字信号；
FPGA控制处理单元，将上述数字信号进行预处理，形成经过数字功率检波的频域信号；
数据传输单元，将最终的数据高速输出至外部服务器上。
2.如权利要求1所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述模拟前端单元包括放大器、滤波器、衰减器和混频器，所述有效信号通过放大器将模拟信号放大足够的倍数，再通过滤波器和衰减器减掉明显的噪音成分，最后通过混频器将信号频率转换成高性噪比的所述中频信号。
3.如权利要求1所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述模数A/D转换单元将所述中频信号进行采样处理、量化处理和编码处理，转化为所述数字信号。
4.如权利要求3所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述采样处理采用模拟信号输入，3.2GHz采样率的交织采样模式。
5.如权利要求1所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述FPGA控制处理单元包括多相滤波模块、傅里叶转换模块、数字功率检波模块和输出缓存模块。
6.如权利要求5所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，通过所述多相滤波模块进行多通道信号的并行滤波，所述多相滤波模块与里叶转换模块的通道数一致，设置为4096，taps为4。
7.如权利要求5所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述多相滤波模块的输出位宽为16位，所述里叶转换模块的输出位宽为22位。
8.如权利要求5所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述输出缓存模块包括2个缓冲区：Ping-RAM、Pong-RAM，待存储数据先送到Ping-RAM中，存满后发出存满信号，通知以太网将存满的数据传输出去；同时待存储的数据存储到Pong-RAM中，直到其发出存满信号，通知以太网取走数据，待存储数据又重新存储到Ping-RAM中去，循环往复交替存储。
9.如权利要求1所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述数据传输单元包括Ping-Pong RAM，4组GTX高速串行收发器，输出控制单元，PHY收发器以及SFP+光模块，可实现10G/s的高速传输。

说明书全文

射电天文望远镜高速 数据采集系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种射电天文望远镜高速数据采集系统。

背景技术

[0002] 射电天文是发现脉冲星获得诺贝尔奖的重要窗口，而射电望远镜是获得射电天文数据的直接途径，因此射电天文望远镜的高性能对脉冲星的搜索和谱线分子的研究具有至关重要的意义。在我国贵州省内，世界最大单口径射电望远镜FAST（Five hundred meters Aperture Spherical Radio Telescope，简称FAST）正在紧张建设中，当FAST建成之后，其第一次全面的中性氢和脉冲星巡天所产生的数据速率达MB/s，数据量高达PB级。因此，搭建一个高速的天文数据采集平台是必不可少的需求。

发明内容

[0003] 针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种效率高、高速运行的射电天文望远镜高速数据采集系统。

[0004] 为实现上述目的，本发明射电天文望远镜高速数据采集系统，包括：模拟前端单元，接收望远镜收集的微弱有效信号，并将其转换成高性噪比的中频信号；
模数A/D转换单元，接收上述中频信号，并将中频模拟信号转换为数字信号；
FPGA控制处理单元，将上述数字信号进行预处理，形成经过数字功率检波的频域信号；
数据传输单元，将最终的数据高速输出至外部服务器上。

[0005] 进一步，所述模拟前端单元包括放大器、滤波器、衰减器和混频器，所述有效信号通过放大器将模拟信号放大足够的倍数，再通过滤波器和衰减器减掉明显的噪音成分，最后通过混频器将信号频率转换成高性噪比的所述中频信号。

[0006] 进一步，所述模数A/D转换单元将所述中频信号进行采样处理、量化处理和编码处理，转化为所述数字信号。

[0007] 进一步，所述采样处理采用模拟输入信号采样率为3.2GHz的交织采样模式。

[0008] 进一步，所述FPGA控制处理单元包括多相滤波模块、傅里叶转换模块、数字功率检波模块和输出缓存模块。

[0009] 进一步，通过所述多相滤波模块进行多通道信号的并行滤波，所述多相滤波模块与傅里叶转换模块的通道数一致，设置为4096个，taps为4。

[0010] 进一步，所述多相滤波模块的输出位宽为16位，所述傅里叶转换模块的输出位宽为22位。

[0011] 进一步，所述输出缓存模块包括2个缓冲区：Ping-RAM、Pong-RAM，待存储数据先送到Ping-RAM中，存满后发出存满信号，通知以太网将存满的数据传输出去；同时待存储的数据存储到Pong-RAM中，直到其发出存满信号，通知以太网取走数据，待存储数据又重新存储到Ping-RAM中去，循环往复交替存储。

[0012] 进一步，所述数据传输单元包括以太网传输模块，该以太网传输模块由Ping-Pong RAM，GTX高速串行收发器，输出控制单元，PHY收发器以及SFP+光模块组成。

[0013] 本发明搭建了一个高速的天文数据采集平台，可满足射电天文数据高速、高质量、稳定可靠的采集需求。附图说明

[0014] 图1为本发明系统结构示意图；图2为模数A/D转换单元内部工作原理示意图；
图3为FPGA控制处理单元流程示意图；
图4为数据传输单元的组成原理示意图。

具体实施方式

[0015] 下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

[0016] 射电天文望远镜主要由天线和接收系统组成，接收系统包括模拟前端和数字后端，本系统属于数字后端中的重要组成部分。

[0017] 如图1所示，本发明射电天文望远镜高速数据采集系统，结合了高性能的模数转换模块与高速以太网传输模块，实现了望远镜的数据高速采集与传输要求，并且采用了最新的天文专用FPGA处理板，实时对数据做频谱处理，本系统包括：模拟前端单元1，接收望远镜收集的微弱有效信号，并将其转换成高性噪比的中频信号；
模数A/D转换单元2，接收上述中频信号，并将中频模拟信号转换为数字信号；
FPGA控制处理单元3，将上述数字信号进行预处理，形成经过数字功率检波的频域信号；
数据传输单元4，将最终的数据以10G以太网高速输出至外部服务器上。

[0018] 模拟前端单元1包括放大器、滤波器、衰减器和混频器。望远镜接收的有效信号是极其微弱的，因此先用放大器将模拟信号放大足够的倍数，再通过滤波器和衰减器减掉明显的噪音成分，最后通过混频器将高频信号转换成高性噪比的中频信号，送给模数A/D转换单元2。

[0019] 模数A/D转换单元2将中频信号进行采样处理、量化处理和编码处理，转化为数字信号。可以实现12位量化精度，3.2GHz的交织采样模式的高速率采样，将数字信号与分频后的时钟送入FPGA控制处理单元3。

[0020] 本实施例中，模数A/D转换单元2选择高性能、双通道12位的 A/D转换芯片ADC12D1600，其最高3.2GSPS的采样率符合FAST望远镜接收机的超宽带的需求。

[0021] 如图2所示，模数A/D转换单元2采用I通道输入模拟信号，配置V5引脚的DES功能位为高电平，则双边采样模式（DES）被选中，ADC内部的两个通道都将从VI口获取信号，在时间上进行交织采样，VQ输入端无效闲置，此时，给定输入时钟1.6GHz，ADC工作在3.2GSPS的采样速率，输出分为四个通道：I，Id，Q，Qd，每一个通道的数据速率为800MHz，由于ADC的采样速率远远高于FPGA的工作频率，因此ADC的四个通道里再划分为4路，降低每一路的数据速率为200MHz，共分为16路数据输出。该单元主要采用Verilog语言编程，ISE 软件编译执行FPGA控制处理单元3对转换后的天文数字信号进行预处理，包括多相滤波模块、傅里叶转换模块、数字功率检波模块和输出缓存模块，将时域信号转变成频域信号后进行数字功率检波。

[0022] 本实施例中，FPGA控制处理单元3选用自动化所自主研发制造的FPGA处理板CRANE（China Reconfigurable Analog-Digital Backend），其主要模块有两个FMC 接口，可以外接两块模数转换器，并集成两片高性能Virtex6 FPGA处理芯片及一片Virtex5 FPGA控制芯片，12个10G/s以太网输出接口，288MB的板上QDR（Quad Data Rate)存储空间和16GB的DDR3（Double Data Rate）存储空间，可根据需要扩展。FPGA控制处理单元的主要功能如图3所示，包括多相滤波模块（PFB-FIR），傅里叶转换模块（FFT），数字功率检波模块（Re2+Im2、VACC）以及输出缓存模块Ping-Pong RAM。

[0023] 射电天文仪器主要功能就是分析射电信号频谱强度信息，多相滤波模块可以高效地实现多通道信号的并行滤波，同时又可以大量减少计算，因此本系统的滤波器选择基于FIR设计的多相滤波器组（PFB），通道数与FFT一致，设置为4096，taps为4，本系统使用窗函数法设计FIR 低通滤波器，布莱克曼窗边瓣峰值最小，但主瓣较宽，汉宁窗和汉明窗主瓣较窄，但汉宁窗边瓣峰值最大，本系统选汉明窗作为FIR滤波器设计的窗函数。

[0024] 多相滤波器模块设定输入位宽为12位，通过计算可知PFB模块的输出位宽为15.4位，傅里叶变换模块输出位宽为21.4位时满足不增加整个系统的信噪比的基本要求，因此本系统设置PFB模块的输出位宽为16位，FFT模块的输出位宽为22位。

[0025] FFT采用实数快速傅里叶变换模块，输出数据只选取实数部分，数据量减少一半，通道数设置为4096，则系统的频率分辨率为781250Hz。数据从FFT模块输出后，需要数字功率检波，即将数字信号平方后经过积分得到信号的功率信息，主要有平方模块和累加模块组成，累加次数是上位机可控，取值10000次，积分时间为12.8ms。FPGA控制处理单元的实现采用MATLAB软件的SIMULINK工具仿真及实现，再使用ISE软件的System Generator工具生成黑盒子文件，在ISE软件中运行。

[0026] 本设计中所选的FPGA芯片XC6VLX240T是Xilinx公司生产的Virtex6系列一款高性能的可编程逻辑器件，逻辑单元高达241152个，1块RAM最大容量高达14976Kb，分布式RAM最多有3650Kb，因此在FPGA内部配置2个缓冲区，即图上所示的Ping-Pong RAM，在硬件上采用双端口的SRAM单元，采用Ping-Pong方式操作，首先通过控制信号将待存储数据送到Ping-RAM中，存满后发出存满信号，通知以太网将存满的数据传输出去，同时待存储的数据存储到Pong-RAM中，直到其发出存满信号，通知以太网可以取走数据，待存储数据又重新存储到Ping-RAM中去，循环往复交替存储，直到数据完整传送出去。

[0027] 数据传输单元4主要指以太网传输模块，大量数据经过高速采集，并经过FPGA控制处理单元3上处理后，必须要及时传输出去及存储，以备后面科研工作所需。如图4所示，该单元包括Ping-Pong RAM，GTX高速串行收发器，输出控制单元，PHY收发器以及SFP+光模块。

[0028] 数据经过FPGA控制处理单元3处理后，存储在RAM 中，等待输出控制单元命令GTX高速串行收发器将数据取走并传输至PHY收发器、及SFP+光模块。SFP+光模块和PHY收发器是实现该10G以太网光接口的硬件设备。SFP+光模块是采用SFP+接口的光纤模块，主要由光电子器件、功能电路及光接口等组成，实现所传输信号的光电转换。PHY收发器是物理层芯片，主要作用是提供以太网输入通道。GTX高速串行收发器是Xilinx公司在Virtex6系列芯片上集成的专用串行通信模块，每块Virtex6型的FPGA芯片中含有24个GTX收发器模块，本设计通过使用4个GTX高速串行收发器来实现10 Gb/s的高速传输。每一个GTX核中包含一个接收链路和一个发送链路，工作方式为全双工工作方式。数据传输单元4工作时钟为156.25MHz，传输位宽为64比特，每个数据包的长度最大设置为1488字节。该单元利用ISE软件中的系统自带的IP核生成，Verilog语言编程执行。

[0029] 以太网功能模块已经集成在了CRANE板的尾板上，一共有12个接口，本系统可根据需要选择合适数量的接口并行输出，接收端的电脑只需配置好SFP+接口的以太网卡，并与服务器集群相连，便可将数据高速存储到服务器上。

[0030] 本发明射电天文望远镜高速数据采集系统的参数设置表如下：序号主要元件参数配置
1 输入时钟 1.6GHz，-2dBm
2 输入信号 10MHz-1.6GHz（-10dBm-7dBm）
3 模数A/D转换单元 3.2GHz，12bit，16路采样输出
4 多相滤波器模块 4抽头汉明窗，2^12点
5 傅里叶变换模块（FFT） 4096通道
6 叠加次数（VACC） 10000
7 信号输出 10G Ethernet，64bit

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