一种低频射电阵列数字波束合成系统的制作方法

本实用新型涉及数字波束合成技术领域，具体涉及一种低频射电阵列数字波束合成系统。

背景技术：

平方公里射电阵(Square Kilometre Array，SKA)是目前人类兴建的最大天文观测设备，SKA所期望探索的科学目标对其性能指标提出了非常苛刻的要求，这也就使得诸多前沿的射电观测技术被应用于SKA。中国作为SKA主要参与国，必须在SKA正式运行之后能够有效地处理和分析其科学数据，这一目标离不开中国射电天文工作者对其中诸多前沿技术的深入理解，而低频射电阵列的数字波束合成技术便是其中最为重要的技术之一。同时为了后续能够顺利的研发出相应的数据处理软件，也必须对数据的获得过程和数字波束合成的工作原理有充分深入地理解。

我国自主研发的台址位于新疆天山的21厘米阵(21cm Array，21CMA)望远镜是我国唯一自行研制的工作在低频射电波段的干涉阵，也是国际上建设最早的SKA探路者项目。21CMA采用的是基于固定电缆长度的相位调整技术完成波束合成，属于模拟波束合成技术。目前，21CMA正在考虑由模拟波束形成向数字波束合成升级。所以我国尚无采用数字波束合成技术开展干涉观测的先例，这一空白亟待填补，因此低频射电阵列的数字波束合成系统的研制的必要性和迫切性十分明显。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种低频射电阵列数字波束合成系统，其能够填补射电天文观测数字波束合成技术的空白。

为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种低频射电阵列数字波束合成系统，主要由控制中心和远程系统两大部分组成。上述控制中心包括3个控制光收发器和计算机集群；其中计算机集群设有主时钟信号输出接口、触发信号输出接口和以太网信号输出接口；计算机集群的主时钟信号输出接口连接第一控制光收发器的输入端；计算机集群的触发信号输出接口连接第二控制光收发器的输入端；计算机集群的以太网信号输出接口连接第三控制光收发器的输入端。上述远程系统包括N个天线单元、2个功分器、1个交换机和3个远程光收发器；每个天线单元包括1面对数周期天线和1台主机；每台主机均设有模拟信号输入接口、时钟信号输入接口、触发信号输入接口和路由网口；每面对数周期天线的输出端接入主机的模拟信号输入接口；第一远程光收发器的输入端连接第一控制光收发器的输出端，第一远程光收发器的输出端连接一个功分器即时钟信号功分器的输入端，该时钟信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的时钟信号输入接口；第二远程光收发器的输入端连接第二控制光收发器的输出端，第二远程光收发器的输出端连接另一个功分器即触发信号功分器的输入端，该触发信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的触发信号输入接口；第三远程光收发器的输入端连接第三控制光收发器的输出端，第三远程光收发器的输出端连接交换机的输入端，该交换机的输入端的N路输出端分别连接N个主机的路由网口。上述N为大于1的正整数。

作为改进，上述低频射电阵列数字波束合成系统，还进一步包括控制光纤多路复用器和远程光纤多路复用器；控制光纤多路复用器的2个输入端分别连接第二控制光收发器的输出端和第三控制光收发器的输出端；控制光纤多路复用器的输出端与远程光纤多路复用器的输入端连接；远程光纤多路复用器的2个输出端分别连接第二远程光收发器的输入端和第三远程光收发器的输入端。

上述方案中，第一远程光收发器的输入端与第一控制光收发器的输出端之间，第二控制光收发器的输出端与控制光纤多路复用器的一个输入端之间，以及远程光纤多路复用器的一个输出端与第二远程光收发器的输入端之间均通过1310nm波长光纤连接。第三控制光收发器的输出端与控制光纤多路复用器的另一个输入端之间，以及远程光纤多路复用器的另一个输出端与第三远程光收发器的输入端之间均通过1480nm波长光纤或1550nm波长光纤连接。

作为改进，每个天线单元还进一步包括1个低噪声放大器、2个中频放大器和1个带通滤波器；对数周期天线的输出端依次经过低噪声放大器、第一中频放大器、带通滤波器和第二中频放大器后接入主机的模拟信号输入接口。

上述方案中，计算机集群中配备有DSP和FPGA。

上述方案中，N个天线单元中的其中一个天线单元设为主天线单元，该主天线单元的主机中配备有GPU和FPGA。

上述方案中，N个对数周期天线呈规则排列。

与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：

1、填补了我国低频射电阵列数字波束合成系统的空白，帮助相关研究人员掌握数字波束射电干涉观测技术，其波束合成数据结果将面向SKA的数据处理程序提供重要的测试样本；

2、采用A/D前置的分布式数字化采集的方式，直接通过远程系统将接收信号转换成数字信号，可以避免传输模拟信号存在的信号衰减和幅度/相位不一致的问题；

3、在远程时钟同步方面，由于控制中心与远程系统之间的距离千米量级，以往的本地时钟分发方案实现时钟同步将无法使用，因此本实用新型提出使用光纤传送时钟信号，为了实现远程时钟同步，使用带宽滤波器有效抑制了光收发器的非线性效应，为了提高远程时钟同步的精度，使用高精度的功分器进行时钟分发；

4、相比国内仅有的基于固定电缆长度的相位调整技术完成波束合成方法精度要高得多。

附图说明

图1为低频射电阵列数字波束合成系统框图。

图2为低频射电阵列天线布局图。

具体实施方式

下面通过一个具体的实例对本实用新型进行进一步详细说明，但需要指出的是本实用新型不仅限于下述实施例。

一种低频射电阵列数字波束合成系统，如图1所示，其主要由控制中心和远程系统两大部分组成。在本实用新型中所述控制中心与远程系统的实际距离为1200米左右。

上述控制中心包括1个控制光纤多路复用器、3个控制光收发器和配备有高速DSP和FPGA的计算机集群。上述控制中心包括1个控制光纤多路复用器、3个控制光收发器和计算机集群；其中计算机集群设有主时钟信号输出接口、触发信号输出接口和以太网信号输出接口；计算机集群的主时钟信号输出接口连接第一控制光收发器的输入端；计算机集群的触发信号输出接口连接第二控制光收发器的输入端，第二控制光收发器的输出端连接控制光纤多路复用器的一个输入端；计算机集群的以太网信号输出接口连接第三控制光收发器的输入端，第三控制光收发器的输出端连接控制光纤多路复用器的另一个输入端。

控制中心的时钟信号的频率为400MHz，由高速DSP板卡提供。控制中心的时钟信号进入第一控制光收发器经1310nm波长光纤送入地下光缆传送至远程系统。

控制中心的触发信号为TTL电平信号，由TTL模块提供。触发信号的作用是使能A/D采样模块进行采样，高电平有效，这个触发信号由控制中心启动和停止。控制中心的触发信号进入第二控制光收发器经控制光纤多路复用器送入地下光缆传送至远程系统。

控制中心的以太网信号由控制中心的交换机提供。控制中心的以太网信号进入第三控制光收发器经控制光纤多路复用器送入地下光缆传送至远程系统。

上述远程系统包括19个天线单元、2个功分器、1个交换机、3个远程光收发器和1个远程光纤多路复用器。2个功分器型号相同，为一分24路功分器即具有1路输入接口和24路输出接口，工作频率范围为250MHz-500MHz，输入驻波比为1.09:1，所有接口的接头形式为SMA型。每个天线单元包括1面对数周期天线、1个低噪声放大器、2个中频放大器、1个带通滤波器和1台主机；每台主机均设有模拟信号输入接口、时钟信号输入接口、触发信号输入接口和路由网口；每面对数周期天线的接收信号依次进入低噪声放大器、第一中频放大器、带通滤波器和第二中频放大器，最后的输出信号进入主机的模拟信号输入接口；第一远程光收发器的输入端连接第一控制光收发器的输出端，第一远程光收发器的输出端连接一个功分器即时钟信号功分器的输入端，该时钟信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的时钟信号输入接口；远程光纤多路复用器的输入端连接控制光纤多路复用器的输出端；远程光纤多路复用器的一个输出端连接第二远程光收发器的输入端，第二远程光收发器的输出端连接另一个功分器即触发信号功分器的输入端，该触发信号功分器的输出端的N路输出端分别连接N个主机的触发信号输入接口；远程光纤多路复用器的另一个输出端连接第三远程光收发器的输入端，第三远程光收发器的输出端连接交换机的输入端，该交换机的输入端的N路输出端分别连接N个主机的路由网口。

每个天线单元包括1面对数周期天线、1个低噪声放大器LNA、2个中频放大器、1个带通滤波器和1台主机。每个天线单元的主机配有精度为8bits的A/D采样模块，采样速率均为400Mbps，每个A/D采样模块有3个接口，分别是模拟信号接口、时钟信号接口和触发信号接口。此外，每个天线单元的主机还配备有路由网口。19面对数周期天线的工作频率是50MHz-200MHz，19面对数周期天线的布局图如图2所示，按照正六边形状分布，正六边形的边长为2.8米。每面对数周期天线的接收信号依次进入低噪声放大器LNA、第一中频放大器(60dB)、带通滤波器(50-200MHz)和第二中频放大器(60dB)，最后的输出信号进入主机的A/D采样模块的模拟信号接口，作为A/D采样模块的模拟输入信号。19个天线单元中的其中一个天线单元设为主单元，主单元的主机中配备有高速FPGA板和GPU。

在本实用新型优选实施例中,所述低噪声放大器LNA的指标如下：

(1)输入频率：50～200MHz；

(2)噪声系数：≤1dB；

(3)阻抗：50Ω；

(4)输入、输出驻波比：≤1.5:1；

(5)输入电平：0.0132mV(RMS)；

(6)增益：80dB；

(7)增益平坦度：≤±1dB；

(8)输出P1dB：≥10dBm。

第一远程光收发器输入端连接1310nm波长光纤，该光纤承载400MHz时钟信号即上述控制中心经地下光缆传送的时钟信号。第一远程光收发器的输出端连接1个功分器即时钟信号功分器的输入端，该时钟信号功分器的输出端选取19路，每路将输出与输入信号相同的400MHz时钟信号，时钟信号功分器的19路输出端分别连接19台主机的A/D采样模块的时钟信号接口。时钟信号功分器的目的是使得19个A/D采样的输入时钟信号同步。

第二远程光收发器输入端连接1310nm波长光纤，该光纤承载触发信号即上述控制中心经地下光缆传送的触发信号。第二远程光收发器输出端连接第1个功分器即触发信号功分器的输入端，该触发信号功分器的输出端选取19路，每路将输出与输入信号相同的触发信号，触发信号功分器的19路输出端分别连接19台主机的A/D采样模块的触发信号接口。触发信号功分器的目的是使得19个A/D采样的输入触发信号同步。

第三远程光收发器输入端连接1480nm波长光纤或1550nm波长光纤，该光纤承载以太网信号即上述控制中心经地下光缆传送的以太网信号。第三远程光收发器的输出端连接远程系统的交换机，该交换机路由出19个以太网信号，使用19条网线将19台主机的19个路由网口相连。

经过A/D采样后，除了主单元外，其余单元实时采集的数据经以太网将数据实时地传送至主单元，随后进入主单元的FPGA开发板进行数字波束合成。

本实用新型所提出的低频射电阵列数字波束合成系统，其主要由控制中心和远程系统组成，由控制中心传送时钟信号、触发信号和以太网信号给远程系统完成数据采集，远程系统完成数字波束合成。控制中心主要为远程系统提供(输送)A/D采样模块所需的时钟信号和触发信号，以及为远程系统的主机提供所需的以太网信号，同时控制远程系统实现时钟同步、触发信号同步，最终共同完成数字波束合成。本实用新型采用A/D前置的分布式数字化采集的方式，避免了传输模拟信号存在的信号衰减和幅度/相位不一致的问题。使用光纤传送时钟信号实现远程时钟同步，并通过带宽滤波器有效抑制了光收发器的非线性效应，使用高精度的功分器进行时钟分发，提高了远程时钟同步的精度。