一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统 |
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| 申请号 | CN202310707726.8 | 申请日 | 2023-06-15 | 公开(公告)号 | CN116719219A | 公开(公告)日 | 2023-09-08 |
| 申请人 | 中国科学院新疆天文台; | 发明人 | 裴鑫; 李健; 段雪峰; 张海龙; 马军; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种超宽带脉冲星 信号 采集与处理系统，涉及射电天文高 精度 脉冲星到达时间观测和科学研究技术领域，包括：接收装置、传输装置和 信号处理 装置，接收装置用于对接收机双极化信号进行信号采集与预处理，输出子带信号；传输装置用于将子带信号从接收装置传输至信号处理装置；信号处理装置用于将子带信号分配至超宽带脉冲星信号处理单元对应的处理 节点 ，调用多线程并行脉冲星处理线程进行相干消色散、折叠和到达时间计算处理，并将处理后的多子带信号合成为超宽带信号。本发明适用于超宽带接收机信号采集与处理，能有效提高脉冲星到达时间观测精度，可根据信号处理带宽调整计算集群的规模，系统功能强大、灵活度高、可扩展性强。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，包括：接收装置、传输装置和信号处理装置， |
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| 说明书全文 | 一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统技术领域背景技术[0002] 脉冲星是一类旋转的中子星，能够周期性发射脉冲信号，直径大多为10千米左右，自转极快。由于脉冲星是在蹋缩的超新星残骸中发现的，研究脉冲星有助于了解星体蹋缩时发生的情况。还可通过研究揭示宇宙诞生和演变的奥秘。每颗脉冲星的周期并非恒定如一，每当脉冲星发射电磁辐射后，就会失去一部分旋转能，且转速下降。通过测量脉冲星的旋转周期，可以精确地推断出脉冲星的转速降低了多少、在演变过程中能量损失了多少，甚至还能够推断出其在因转速太低而无法发光之前，还能生存多长时间。 [0003] 近年来，采用脉冲星测时阵列来探测引力波成为天文领域新的待突破点，通过对多颗在天空呈一定角度分布的自转极其稳定的毫秒脉冲星到达时间进行监测，可以测量纳赫兹引力波信号。然而，引力波信号极其微弱，如何精确的测量脉冲星辐射脉冲信号到达地球的时间是成功探测的关键。 [0004] 望远镜信号接收系统一般将射频信号转换成中频，然后通过模拟链路传输到远端的机房进行信号采集和处理。这种方法的优点是可以将数字设备放置在离望远镜较远的地方，从而降低电子设备产生的电磁干扰。然而，随着超宽带接收机的出现，这种方法的缺点越来越突出。一方面，传输链路中高频段信号的衰减越来越大，之前在接收端采用均衡器补偿的方法已经达不到满意的效果。另一方面，超宽带信号在传输链路中随环境温度变化而带来的信号强度和相位波动增大。 [0005] 目前，根据国际上超宽带观测系统的最新研究成果，超宽带信号对于提高脉冲星测时精度具有显著效果，但是超宽带接收系统将产生海量的数据。此外，传统的多通道消色散技术不能彻底消除子带内的色散效应，高精度测时需要使用相干消色散方法，即通过数据密集型计算消除星际介质对信号传播的影响，以形成更尖锐、更高信噪比的脉冲轮廓，进而提高测时精度。这些因素都将对超宽带高精度脉冲星终端系统的实时传输、分发和处理形成较大的挑战。 [0006] 因此，提出一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，适用于超宽带接收机信号采集与处理，具有脉冲星相干消色散、折叠、搜寻和到达时间等多种观测模式，能有效提高脉冲星到达时间观测精度是本领域技术人员亟需解决的问题。 发明内容[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，适用于超宽带接收机信号采集与处理，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0008] 一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，包括：接收装置、传输装置和信号处理装置， [0009] 所述接收装置用于对接收机双极化信号进行信号采集与预处理，输出子带信号； [0010] 所述传输装置用于将子带信号从接收装置传输至信号处理装置； [0011] 所述信号处理装置用于将子带信号分配至超宽带脉冲星信号处理单元对应的处理节点，调用多线程并行脉冲星处理线程进行相干消色散、折叠和到达时间计算处理，并将处理后的多子带信号合成为超宽带信号。 [0012] 可选的，所述接收装置包括功分器A、功分器B、滤波器和射频信号直采模块；所述功分器A和功分器B分别将接入的接收机双极化信号功分为n路相同的信号，并由n个滤波器滤波选择n个频段，对应接入n个射频信号直采模块中进行信号采集与预处理。 [0013] 可选的，所述射频信号直采模块包括：依次连接的模数转换模块、数字子带划分模块、量化模块、格式化与封装模块和网络模块；所述模数转换模块分别连接配置器、校准器和数据快照模块，所述格式化与封装模块分别连接测试信号模拟器和数据快照模块。 [0014] 可选的，所述数字子带划分模块将模数转换模块采集的数据进行信道化为N个X MHz带宽的数字子带，输出至量化模块截取为mbit的复数数据，所述格式化与封装模块将信道化后的数字子带格式化为VDIF格式，封装为UDP数据包，数据快照模块将格式化与封装后的数据输出查看，测试信号模拟器模拟测试信号进行调试，格式化与封装后的数据通过网络模块输出。 [0015] 可选的，所述射频信号直采模块提供了一路参考天线信号通道，采集参考信号进行自适应RFI滤波处理。 [0016] 可选的，所述传输装置为光纤链路，将接收装置处理后的子带信号通过光纤链路传输至位于信号处理装置的数据交换网络。 [0017] 可选的，所述信号处理装置包括数据交换网络和超宽带脉冲星信号处理单元，所述数据交换网络和超宽带脉冲星信号处理单元之间数据连接，所述超宽带脉冲星信号处理单元通过数据交换网络与存储装置数据连接。 [0018] 可选的，所述存储装置将合成后的超宽带信号进行保存。 [0019] 可选的，所述超宽带脉冲星信号处理单元包括依次连接的数字子带数据接收与分配模块、共享内存环形缓冲区、M组脉冲星处理线程、M组缓冲区、超宽带数据合成模块和处理后数据发送模块。 [0020] 可选的，所述数字子带数据接收与分配模块通过光纤链路从数据交换网络上获取由射频信号直采模块输出的子带信号，并放入共享内存环形缓冲区，M组脉冲星处理线程从共享内存环形缓冲区获取子带信号数据进行相干消色散、折叠和到达时间计算处理，每个线程处理一个子带信号的数据，然后将处理结果放入各自的缓冲区，所述超宽带数据合成模块将N个X MHz带宽的子带信号处理结果拼接为一个N*X MHz带宽的超宽带结果。 [0021] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，具有如下有益效果： [0022] 本发明公开了一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，适用于超宽带接收机信号采集与处理，具有脉冲星相干消色散、折叠、搜寻和到达时间等多种观测模式，能有效提高脉冲星到达时间观测精度，可根据信号处理带宽调整计算集群的规模，系统功能强大、灵活度高、可扩展性强。 [0023] 本发明通过将超宽带信号分解为多个射频子带，可以降低接收机端射频信号跨倍频程而引起的信号交调失真，避免信号采集端因电磁干扰而造成的ADC饱和，减小低频段干扰谐波叠加至高频段而带来的额外干扰。 [0024] 本发明采用射频信号直接采样技术，能够消除信号在传输链路中因环境温度变化而造成的信号强度和相位波动，提高信号采集和传输的保真度。采用低功耗RFSoC电路，能够减小数字设备对射电望远镜带来的电磁干扰，降低电磁屏蔽和散热设计难度。附图说明 [0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。 [0027] 图2为本发明提供的一种射频信号直采模块示意图。 [0028] 图3为本发明提供的一种超宽带脉冲星信号处理单元示意图。 [0029] 图4为本发明提供的一种脉冲星观测结果示意图。 具体实施方式[0030] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0031] 本发明实施例公开了一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，包括：接收装置、传输装置和信号处理装置， [0032] 所述接收装置用于对接收机双极化信号进行信号采集与预处理，输出子带信号； [0033] 所述传输装置用于将子带信号从接收装置传输至信号处理装置； [0034] 所述信号处理装置用于将子带信号分配至超宽带脉冲星信号处理单元对应的处理节点，调用多线程并行脉冲星处理线程进行相干消色散、折叠和到达时间计算处理，并将处理后的多子带信号合成为超宽带信号。 [0035] 进一步的，所述接收装置包括功分器A、功分器B、滤波器和射频信号直采模块；所述功分器A和功分器B分别将接入的接收机双极化信号功分为n路相同的信号，并由n个滤波器滤波选择n个频段，对应接入n个射频信号直采模块中进行信号采集与预处理。所述射频信号直采模块包括：依次连接的模数转换模块、数字子带划分模块、量化模块、格式化与封装模块和网络模块；所述模数转换模块分别连接配置器、校准器和数据快照模块，所述格式化与封装模块分别连接测试信号模拟器和数据快照模块。所述数字子带划分模块将模数转换模块采集的数据进行信道化为N个X MHz带宽的数字子带，输出至量化模块截取为mbit的复数数据，所述格式化与封装模块将信道化后的数字子带格式化为VDIF格式，封装为UDP数据包，数据快照模块将格式化与封装后的数据输出查看，测试信号模拟器模拟产生测试信号进行调试，格式化与封装后的数据通过网络模块输出。所述射频信号直采模块提供了一路参考天线信号通道，采集参考信号进行自适应RFI滤波处理。所述射频信号直采模块采用RFSoC电路，所述RFSoC电路集成FPGA、ARM、ADC/DAC和10/40/100Gb网络，单芯片进行16路2.5Gsps‑14bit采样或8路5Gsps‑14bit采样。 [0036] 进一步的，所述传输装置为光纤链路，用于将接收装置处理后的子带信号通过光纤链路传输至位于信号处理装置的数据交换网络。 [0037] 进一步的，所述信号处理装置包括数据交换网络和超宽带脉冲星信号处理单元，所述数据交换网络和超宽带脉冲星信号处理单元之间数据连接，所述超宽带脉冲星信号处理单元通过数据交换网络与存储装置数据连接。所述存储装置用于将合成后的超宽带信号进行保存。所述超宽带脉冲星信号处理单元包括依次连接的数字子带数据接收与分配模块、共享内存环形缓冲区、M组脉冲星处理线程、M组缓冲区、超宽带数据合成模块和处理后数据发送模块。所述数字子带数据接收与分配模块通过光纤链路从数据交换网络上获取由射频信号直采模块输出的子带信号，并放入共享内存环形缓冲区，M组脉冲星处理线程从共享内存环形缓冲区获取子带信号数据进行相干消色散、折叠和到达时间计算处理，每个线程处理一个子带信号的数据，然后将处理结果放入各自的缓冲区，所述超宽带数据合成模块将N个XMHz带宽的子带信号处理结果拼接为一个N*XMHz带宽的超宽带结果。 [0038] 在具体实施方式中，一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，如图1所示，包括：功分器、滤波器、射频信号直采模块、100Gb数据交换网络、超宽带脉冲星信号处理单元、数据存储单元等。 [0039] 其中，功分器A和功分器B分别将接入的接收机双极化信号RFPol_A和RFPol_B功分为3路相同的信号，分别由滤波器1、滤波器2、滤波器3滤波选择Band1、Band2和Band3三个频段，对应接入射频信号直采模块1、射频信号直采模块2、射频信号直采模块3分别进行信号采集与预处理。处理后的数字子带信号通过100Gb光纤链路传输至位于信号处理机房的100Gb数据交换网络，继而分配至超宽带脉冲星信号处理单元对应的处理节点，调用多线程并行脉冲星处理线程进行相干消色散、折叠、到达时间等处理，并将多子带数据合成为超宽带信号，最后发送至数据存储单元进行保存。 [0040] 在具体实施方式中，射频信号直采模块提供了一路参考天线信号通道，用于自适应RFI滤除功能下的参考信号采集与处理。 [0041] 在具体实施方式中，射频信号直采模块对输入的3路射频信号进行采集和预处理，如图2所示，包括：模数转换模块、数字子带划分模块、量化模块、格式化与封装模块、100Gb网络模块、数据快照1和数据快照2、配置器、校准器和测试信号模拟器等。模数转换模块采集Pol_A、Pol_B、Ref_A三路射频信号，配置器对模数转换模块的采样速率、同步特性、混频参数、抽取模式、总线时钟和奈奎斯特区间等参数进行配置，校准器对模数转换模块的正交调制幅度和相位进行校准，数据快照1可将模数转换模块采集数据输出查看。数字子带划分模块将模数转换模块采集的数据进行信道化为N个X MHz带宽的数字子带，输出至量化模块截取为mbit的复数(m/2bit实部+m/2bit虚部)数据。格式化与封装模块将信道化后的数字子带格式化为VDIF(VLBI数据交换格式)格式，封装为UDP(用户数据报协议)数据包，每个数据包大小为8224字节(32字节帧头，8192字节数据)，数据快照2可将格式化与封装模块打包的数据输出查看，测试信号模拟器可以模拟产生测试信号进行调试。格式化与封装后的数据最后通过2个100Gb网络模块输出。 [0042] 脉冲星信号受星际介质的影响会造成信号的色散效应，为补偿该效应，需进行消色散处理，将展宽的信号恢复为真实的脉冲信号。由于脉冲星到达地球的信号极其微弱，为提高信噪比，需对信号进行长时间观测并根据脉冲星的周期进行折叠。脉冲星到达时间观测对终端系统的时间准确度和精确度都要求极高，脉冲星相干消色散可提供更高的脉冲星到达时间精度。 [0043] 在具体实施方式中，超宽带脉冲星信号处理单元从100Gb数据交换网络上获取由射频信号直采模块输出的数字子带信号，调用多线程并行脉冲星处理线程进行相干消色散、折叠和到达时间观测处理，并将多子带数据合成为超宽带信号，最后发送至数据存储单元进行保存。如图3所示，包括：数字子带数据接收与分配模块、共享内存环形缓冲区、脉冲星处理线程、缓冲区、超宽带数据合成模块和处理后数据发送模块。数字子带数据接收与分配模块通过100Gb链路从100Gb数据交换网络上获取由射频信号直采模块输出的数字子带信号，并放入共享内存环形缓冲区。M个脉冲星处理线程从共享内存环形缓冲区获取数字子带数据进行相干消色散、折叠和到达时间观测处理，每个线程处理一个数字子带的数据，然后将处理结果放入各自的缓冲区。超宽带数据合成模块将N个X MHz带宽的数字子带处理结果拼接为一个N*X MHz带宽的超宽带结果，最后由处理后数据发送模块发送至数据存储单元进行保存。 [0044] 在具体实施方式中，射频片上系统(RFSystemonChip)是一种低功耗、高性能和高集成度的芯片，集成了FPGA、ARM、ADC/DAC和10/40/100Gb网络等丰富的资源，单芯片最多可实现16路2.5Gsps‑14bit采样或8路5Gsps‑14bit采样，对于射电天文中宽带射频信号直接采集的需求非常契合。本发明射频信号直采模块采用RFSoC进行设计，将704‑4032MHz射频信号分成三个模拟子带分别采集，三个模拟子带band1、band2和band3频率范围分别为：704‑1344MHz、1344‑2368MHz和2368‑4032MHz。三个射频信号直采模块的采样速率分别为： 4096MSPS、2560MSPS、4096MSPS，采样精度为14bit。数字子带划分模块将超宽带信号信道化为26个128MHz带宽的数字子带，射频信号直采模块1、射频信号直采模块2、射频信号直采模块3的输出数字子带数量分别为：5个、8个、13个，量化模块将数据截取为32bit的复数(16bit实部+16bit虚部)，通过2个100Gb网络端口分发至超宽带脉冲星信号处理单元进行实时处理。超宽带脉冲星信号处理单元包括9台GPU服务器，每台服务器配备4张GPU加速卡，接收并处理3个双极化数字子带的数据。 [0045] 基于26米射电望远镜进行超宽带脉冲星观测实验，采用L波段低温制冷接收机，对J0332+5434脉冲星进行跟踪观测。将4个数字子带的信号进行采集和处理，对应射频频率范围为：1028‑1540MHz，观测时长为32秒，经过消色散和折叠处理后的观测结果如图4所示。脉冲星轮廓清晰可见，信噪比较好，与国际上公布的数据吻合。 [0046] 本发明提供了一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，将超宽带信号分解为多个射频子带，采用高性能、高集成度、低功耗RFSoC电路在接收机前端直接对射频信号进行采样，然后将宽带信号变换为多个数字子带，并通过100Gb网络传输至分布式计算集群，调用多线程并行脉冲星处理线程进行相干消色散和在线折叠等处理，并将多子带数据进行合成，最后发送至数据存储单元进行保存，实现超宽带信号的高保真采集和脉冲星信号高精度实时处理。 [0047] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。 [0048] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 |
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