宽带多信道数字相关接收机及接收方法与流程

本发明涉及射电观测技术领域，更具体地涉及一种宽带多信道数字相关接收机及接收方法。

背景技术：

射电波段的观测是研究天体(包括太阳、地球、行星及太阳系外天体)的一个十分重要的手段，称为射电观测。因为射电辐射反映出辐射体重要的特性和状态。不同波段的射电波反映出不同的特性和状态，其辐射频率与环境参数密切相关。因而根据某一频率上射电辐射的观测研究，可以推出源区的电子密度或磁场等物理信息。

在太阳物理领域，射电观测可以提供从太阳色球到日地空间广阔区域中、有关等离子体和高能粒子动力学行为等信息，这是其他手段所不具备的。因此，射电观测是研究太阳剧烈活动最重要的探测手段。多波段宽带频谱射电观测得到的各种频谱精细结构，可以提供关于太阳日冕磁场、能量释放机制、高能粒子的产生和传播、以及相应的辐射机制等方面的丰富信息。由于太阳爆发活动初始能量释放区附近空间的辐射主要发生在厘米～分米波段。而在此区域，厘米～分米波段成像观测的缺失将严重制约探索太阳剧烈活动的起源和发生发展规律，并限制对太阳活动以及对人类影响的研究和预报能力。因此，研制在厘米～分米波段的射电宽带日像仪就显得格外重要。

到目前为止，太阳射电成像观测主要集中于高时间分辨的频谱流量观测和少数几个频点上：如日本野边山日像仪(nobeyamaradioheliograph，norh)在17ghz和34ghz2个频点上观测；法国南茜日像仪(nancayradioheliograph，nrh)在150～450mhz之间的5个频点上观测；俄罗斯伊尔库茨克太阳射电望远镜(siberiansolarradiotelescope，ssrt)在5.7ghz单个频点上观测。

norh和nrh均基于综合孔径原理的干涉成像技术(ssrt目前正在根据综合孔径成像技术进行设备改造)对太阳进行射电成像观测。一般而言，基于综合孔径成像的日像仪由天线阵列、模拟接收单元和数字相关接收机组成。其中数字相关接收机在日像仪中扮演着核心角色：对模拟接收单元输出的中频信号进行采集、滤波、预处理、量化和复相关运算。

如图1和2均为norh数字相关接收机的整体结构框图，分别对应数字采集量化部分和复相关部分。但是，上述现有技术仍然存在如下技术缺陷：

1、norh和nrh的数字相关接收机由于技术构架的限制，无法做到多频率通道灵活观测。如norh观测频率仅为17ghz和34ghz，nrh的观测频率只是150mhz～450mhz带宽内的5个频点；

2、由于norh和nrh在复相关运算之前采用1bit量化，相关输出的灵敏度不高，在满足nyquist采样率的情况下仅为无量化相关灵敏度的63.7％。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明的目的在于提出一种宽带多信道数字相关接收机及接收方法，用于解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供一种宽带多信道数字相关接收机，包括：

数字采集模块，用于输入来自射电成像观测采集的中频模拟宽带信号，并对中频模拟宽带信号进行多相滤波信道化处理和量化处理，得到一量化正交信号；

相关处理模块，用于接收数字采集模块输出的量化正交信号，并对量化正交信号进行复相关运算得到一复相关结果；

同步控制模块，用于接收数字采集模块和相关处理模块的状态信号及复相关结果，并将接收的状态信号和复相关结果打包后输出。

进一步地，上述数字采集模块具有多个中频输入通道，用于输入来自射电成像观测采集的多个天线的中频模拟宽带信号。

进一步地，上述多相滤波信道化通过多相滤波器组和级联半带滤波器组完成，多相滤波器组用于将中频模拟宽带信号进行信道化，得到正交基带信号；级联半带滤波器组用于将正交基带信号转换为一系列以2倍带宽下降的正交基带信号。

进一步地，上述正交基带信号经过量化处理后得到量化正交信号。

进一步地，对上述中频模拟宽带信号进行的处理还包括：信道选择设置，用于根据观测需要，对多信道输出某个固定带宽的正交基带信号。

进一步地，对上述中频模拟宽带信号进行的处理还包括自相关处理，数字采集模块对中频模拟宽带信号依次进行多相滤波通道化、信道选择设置和信道自相关处理后，得到一自相关信号；同步控制模块还用于接收自相关信号，并将自相关信号一并打包后输出。

进一步地，上述量化为2-bit量化处理。

进一步地，上述同步控制模块通过向数据采集模块和相关处理模块提供系统时钟、时序信号、控制信号和系统参数，来实现对数据采集模块和相关处理模块的控制。

进一步地，上述系统参数包括延时补偿和相位补偿。

为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种宽带多信道数字相关接收处理系统，包括上述的宽带多信道数字相关接收机，还包括一存储模块和一电源模块，其中：

存储模块，与同步控制模块连接，用于接收并存储打包后数字采集模块和相关处理模块的状态信号和复相关结果；

电源模块，用于为整个宽带多信道数字相关接收处理系统的其他模块供电。

本发明还提供了一种宽带多信道数字相关接收方法，通过一包括同步控制模块、数字采集模块和相关处理模块的宽带多信道数字相关接收机实现，包括以下步骤：

步骤1、同步控制模块向数字采集模块和相关处理模块发送指令，开始输入自射电成像观测采集的中频模拟宽带信号；

步骤2、数字采集模块输入中频模拟宽带信号，并对中频模拟宽带信号进行多相滤波信道化处理和量化处理，得到一量化正交信号和一自相关结果；

步骤3、相关处理模块接收量化正交信号，并对量化正交信号进行复相关运算得到一复相关结果；

步骤4、同步控制模块接收数字采集模块和相关处理模块的状态信号及复相关结果，并将接收的状态信号和复相关结果打包后输出。

基于上述技术方案可知，本发明提出的宽带多信道数字相关接收机及接收方法具有如下有益效果：

(1)在观测时间内能够实现多频率通道观测和信号处理，通过采用多相滤波器组(polyphase&fftfilterbank，pffb)和级联半带滤波器组(cascadehalfbandfilter-bank：chbf)，对中频模拟宽带信号进行多相滤波信道化处理，从而可灵活选取所需观测基带信号的带宽与中心频点，同时降低外界环境无线电干扰所带来的影响；

(2)在对正交基带信号复相关运算前，进行2-bit量化，相对于1-bit量化，2-bit量化的相关灵敏度可从63.7％提高至88.1％；

(3)通过对正交基带信号进行自相关处理，在计算和输出基带信号复相关结果的同时，可获得基带信号的自相关功率值，因此本发明提出的宽带多信道数字相关接收机也具备宽带射电频谱仪的基本功能。

附图说明

图1是日本nobeyama日像仪数字相关接收机的数字采集量化部分；

图2是日本nobeyama日像仪数字相关接收机的复相关处理部分；

图3是本发明一实施例提出的宽带多信道数字相关接收机的结构示意图；

图4是本发明一实施例提出的明安图射电日像仪的装置图；

图5是本发明一实施例提出的宽带多信道数字相关接收机的信号处理流程图；

图6是本发明一实施例提出的宽带多信道数字相关接收机中，数字采集模块的板卡装置图；

图7是本发明一实施例提出的宽带多信道数字相关接收机的安装示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

由中国国家天文台研发的、包括本发明的宽带多信道数字相关接收机组件的明安图射电频谱日像仪(mingantuspectralradioheliograph，以下简称muser)，首次在厘米～分米波段(0.4ghz～15ghz)上实现同时以高空间、高时间和高频率分辨率观测太阳爆发活动的动力学性质，探测太阳剧烈活动的起源。它在具有国际先进水平的太阳射电宽带动态频谱仪和太阳磁场望远镜等国内现有仪器设备基础上，填补目前国际上对太阳耀斑能量初始释放区分米波段高分辨射电成像观测的空白，力求在日冕物理研究中取得重要的原创性研究成果，使我国在太阳活动探测与研究、太阳活动对地影响等领域的研究进入国际先进行列，并推动我国在无线电物理学、等离子体物理学、地球物理学和空间科学以及航空、航天等学科领域的发展。

以下是明安图射电频谱日像仪与其他日像仪的性能对比表：

明安图射电日像仪中的宽带多信道数字相关接收机是其核心组成部分，其主要功能为接收和采集来自所有天线模拟后端的宽带中频信号，并对信号进行信道化、2-bit量化和复相关处理，输出结果为不同天线间在各个基带内的复相关输出和自相关输出。

具体地，本发明公开的用于明安图射电日像仪中的宽带多信道数字相关接收机，包括：

数字采集模块，用于输入来自射电成像观测采集的中频模拟宽带信号，并对中频模拟宽带信号进行多相滤波信道化处理和量化处理，得到一量化正交信号；

相关处理模块，用于接收数字采集模块输出的量化正交信号，并对量化正交信号进行复相关运算得到一复相关结果；

同步控制模块，用于接收数字采集模块和相关处理模块的状态信号及复相关结果，并将接收的状态信号和复相关结果打包后输出。

优选地，上述数字采集模块具有多个中频输入通道，用于输入来自射电成像观测采集的多个天线的中频模拟宽带信号。

上述多相滤波信道化通过多相滤波器组和级联半带滤波器组完成，多相滤波器组用于将中频模拟宽带信号进行信道化，得到正交基带信号；级联半带滤波器组用于将正交基带信号转换为一系列以2倍带宽下降的正交基带信号。

上述正交基带信号经过量化处理后得到量化正交信号。

优选地，对上述中频模拟宽带信号进行的处理还包括：信道选择设置，用于根据观测需要，对多信道输出某个固定带宽的正交基带信号。带宽选择时可以根据环境无线电干扰监测结果来选择无干扰的中心频点所在信道进行输出和后续量化相关处理，这样可以将外界无线电干扰的影响降至最低。

优选地，对上述中频模拟宽带信号进行的处理还包括自相关处理，数字采集模块对中频模拟宽带信号依次进行多相滤波通道化、信道选择设置和信道自相关处理后，得到一自相关信号；同步控制模块还用于接收自相关信号，并将自相关信号一并打包后输出。

优选地，上述量化为2-bit量化处理。

上述同步控制模块通过向数据采集模块和相关处理模块提供系统时钟、时序信号、控制信号和系统参数，来实现对数据采集模块和相关处理模块的控制。

优选地，上述系统参数包括延时补偿和相位补偿。

基于上述的宽带多信道数字相关接收机，本发明还公开了一种宽带多信道数字相关接收处理系统，包括上述的宽带多信道数字相关接收机，还包括一存储模块和一电源模块，其中：

存储模块，与同步控制模块连接，用于接收并存储打包后数字采集模块和相关处理模块的状态信号和复相关结果；

电源模块，用于为整个宽带多信道数字相关接收处理系统的其他模块供电。

本发明还公开了一种宽带多信道数字相关接收方法，通过一包括同步控制模块、数字采集模块和相关处理模块的宽带多信道数字相关接收机实现，包括以下步骤：

步骤1、同步控制模块向数字采集模块和相关处理模块发送指令，开始输入自射电成像观测采集的中频模拟宽带信号；

步骤2、数字采集模块输入中频模拟宽带信号，并对中频模拟宽带信号进行多相滤波信道化处理和量化处理，得到一量化正交信号和一自相关结果；

步骤3、相关处理模块接收量化正交信号，并对量化正交信号进行复相关运算得到一复相关结果；

步骤4、同步控制模块接收数字采集模块和相关处理模块的状态信号及复相关结果，并将接收的状态信号和复相关结果打包后输出。

其中，数字采集模块中用于实现输入中频模拟宽带信号的器件为采样率高于1gsps，量化位宽≥8位的模数转换器，如e2v公司生产的ev10aq190；实现对中频模拟宽带信号进行多相滤波信道化处理和量化处理功能的器件为fpga芯片，如altera公司的型号为stratixiiiep3s260的fpga芯片。

以下通过具体实施例对本发明提出的宽带多信道数字相关接收机及接收方法进行详细描述。

实施例

如图3所示，本实施例提出一种宽带多信道数字相关接收机，包括：

数字采集模块，用于输入来自射电成像观测采集的中频模拟宽带信号，并对中频模拟宽带信号依次进行多相滤波信道化处理、信道选择设置和量化处理，得到一量化正交信号；对中频模拟宽带信号依次进行多相滤波信道化处理、信道选择设置和信道自相关处理，得到一自相关结果；

相关处理模块，与数字采集模块连接，用于接收量化正交信号，并对量化正交信号进行复相关运算得到一复相关结果；

同步控制模块，与数据采集模块和相关处理模块连接以进行控制，用于接收数字采集模块和相关处理模块的状态信号及复相关结果和自相关结果，并将接收的状态信号、复相关结果和自相关结果打包后输出。

多相滤波信道化通过多相滤波器组和级联半带滤波器组完成，多相滤波器组用于将中频模拟宽带信号进行信道化，得到正交基带信号；级联半带滤波器组用于将正交基带信号转换为一系列以2倍带宽下降的正交基带信号；该正交基带信号经过量化处理后得到量化正交信号。

信道选择设置用于根据观测需要，对多信道输出某个固定带宽的正交基带信号。

基于上述宽带多信道数字相关接收机，本实施例还提出一种宽带多信道数字相关接收处理系统，包括上述的宽带多信道数字相关接收机，还包括一存储模块和一电源模块，其中：

存储模块，与同步控制模块连接，用于接收并存储打包后数字采集模块和相关处理模块的状态信号、复相关结果和自相关结果；

电源模块，用于为整个宽带多信道数字相关接收处理系统的其他模块供电。

此处以明安图射电日像仪为例，对本实施例的宽带多信道数字相关接收机和宽带多信道数字相关接收处理系统进行具体描述，宽带多信道数字相关接收机的主要功能为接收和采集来自所有天线(muser-i阵列40天线，muser-h阵列60天线)模拟后端的宽带中频信号(带宽为400mhz)，并对信号进行信道化、2-bit量化和复相关处理，输出结果为不同天线间在各个基带内的复相关输出和自相关输出。

在muser-i和muser-h阵列系统内部，由数字相关接收机mdcr-i和mdcr-h各自独立实现上述功能。因两者系统构架相似，这里仅描述mdcr-i的技术方案，明安图射电日像仪的装置组成如图4所示，具体包括：

数字采集(dig)模块输入中频模拟宽带信号(带宽400mhz)，输出2-bit量化后的量化正交信号到相关处理模块。dig模块由6块板卡组成，标记为dig-1～dig-6，其中dig-6为备用板卡。每块dig板卡有8个模拟中频输入通道，每个通接收道以1gsps采样率对来自前端8路天线的模拟宽带信号(50mhz～450mhz)进行数字采样，并将每路模拟宽带信号进行16通道的正交信道化，在得到基带的正交信号(i，q)后，对其进行2-bit量化，将2-bit量化后的正交基带信号输出到相关处理模块。

相关处理(cor)模块，输入来自dig模块的2-bit量化正交信号，进行复相关运算，并输出复相关运算结果到同步控制模块。cor模块由4块板卡组成，标记为cor-1～cor-4。每块cor板卡使用32组信号线接收来自不同dig板卡量化后的正交基带信号(输入数据带宽约为25.6gbps)，对不同天线相同基带的量化正交信号进行复相关运算，并将复相关结果通过4组信号线输出(输出数据带宽约为64mbps)。

同步控制(syn)模块，用于控制dig模块和cor模块的输入/输出，主要有三个功能：1、为dig模块和cor模块提供系统时钟和时序信号；2、向dig模块和cor模块传输系统控制信号和系统参数(如延时补偿和相位补偿)；3、接收来自cor模块的复相关结果、来自dig模块的自相关结果、dig模块和cor模块的状态信息数据，将其封包作为最终输出发送到存储模块。

dig模块、cor模块和syn模块提供数据交互通道通过数据通信(com)模块实现。com模块设计为带有13个数据插槽的背板，主要功能是为8块dig板卡、4块cor板卡和1块syn板卡之间的数据通信提供高速数据通道。在com模块背板上，8块dig板卡的插槽设计是统一对等的；4块cor板卡的插槽设计是统一对等的。对等板卡之间可以互换数据插槽。

图4中标号①～⑥的信号描述如下：

①、天线到dig模块的模拟信号，带宽为400mhz；

②、syn模块板卡到dig模块板卡和cor模块板卡的时钟和时序控制信号；

③、dig模块板卡输出的2bit量化正交信号，作为cor模块板卡的输入；

④、syn模块板卡到dig模块板卡和cor模块板卡的双向数据总线，传输控制指令和返回的状态信息；

⑤、cor模块板卡输出的相关结果数据，作为syn模块板卡的数据输入；

⑥、syn模块板卡对复相关结果数据和其他系统信息进行数据封包所输出的数据帧，通过高速数据总线传输到数据存储单元。

图5是本实施例提出的宽带多信道数字相关接收机的信号处理流程图，主要描述了对来自单个天线的宽带信号的处理：首先高速模数转换器(adc，采样率为1gsps)对400mhz带宽的宽带信号(50～450mhz)进行采样，采样后的数字信号经过延时调整后进入到多相滤波器组pffb中，pffb对400mhz带宽的数字信号进行信道化，得到初始带宽为25mhz，中心带宽在50～450mhz内均匀分布的16路正交基带信号i、q。每路基带信号经过相位补偿后再经过级联半带滤波器组chbf，chbf对每路25mhz带宽的基带信号都输出一系列以2倍带宽下降的正交基带信号：12.5mhz、6.25mhz、3.125mhz、1.5625mhz。这些不同带宽的正交基带信号再通过信道带宽选择器(channelbandwidthselector，cbs)，cbs将根据实际观测需要，对所有信道输出某个固定带宽的基带信号(默认为25mhz)，之后量化器(two-bitquantizer，tq)对16信道固定带宽的基带信号进行2-bit量化，输出的2-bit正交基带信号进入复相关器(complexmultiplier-accumulator，cmac)，cmac计算不同天线相同基带信道之间的复相关结果。另外，cbs输出的正交基带信号同时还进入信道自相关器(channelauto-correlator，cac)，cac计算每个基带信道的自相关(功率)结果。最终不同天线相同基带信道的复相关结果和每个天线所有基带信道的自相关结果作为主要数据，和其他参数共同封包(datapackager：dp)为输出数据帧传输到存储单元。

因此，mdcr进行太阳射电成像所需相关数据的数字信号处理算法绝大部分都在dig模块中实现，包括宽带信号的多相滤波信道化(pffb)、信道选择设置(chbf&cbs)、2-bit量化(tq)和信道自相关(cac)，cor模块主要实现的是对2-bit量化后的正交基带信号进行复相关运算(cmac)。

其中，dig模块的每块板卡都具有完全相同的结构和元器件组成。高速数字采集模块的功能由e2v公司生产的ev10aq190实现。单片ev10aq190包括4个通道，单通道采样速率可达1.25gsps，量化位宽为10bits；延迟调整和相位补偿功能、pffb、chbf、cbs、quantizer和cac等功能在altera公司生产的高性能fpga-stratixiiiep3s260内编程实现。

具体的，前端模拟宽带信号(50mhz～450mhz)在经过高速数字采集和通过pffb后变为16路带宽为25mhz的数字正交基带信号；进一步每路基带信号通过chbf后根据不同抽头，可分别获得带宽为12.5mhz、6.25mhz、3.125mhz和1.5625mhz的宽带信号。以1.5625mhz的宽带信号为例，在400mhz带宽内共有256个中心频点。在带宽选择时可以根据环境无线电干扰监测结果来选择无干扰的中心频点所在信道进行输出和后续量化相关处理，这样可以将外界无线电干扰的影响降至最低。

如图6所示，是本实施例中dig模块数字采集板卡的电路板布局图，从图6可以看出，每块数字采集板卡包括两片atmele2v10aq190高速数字采集芯片和两片alterastratixiiie260可编程逻辑芯片。其中每片atmel完成4路模拟宽带信号的数字采集；alterastratixiii实现对数字信号的信道化、带宽选择和2-bit正交量化处理。整块采集卡实现对8路模拟宽带信号的数字采集和信道化处理。

图7是本实施例提出的宽带多信道数字相关接收机，在19英寸机柜内的安装集成示意图，如图所示：数字相关接收机位于机柜上方，包括dig模块、syn模块和cor模块在内的所有板卡通过vpx插槽连接到通信主板上，安装在14u的机箱内。数字接收处理单元顶部空间安装四个风扇盘以便散热，为增加散热效率，底部预留出风扇盘安装空间。数字单元存储服务器和存储阵列位于19英寸机柜的中部(尺寸3u)和下部(尺寸16u)，通过光纤和数字接收处理单元模块连接。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。