射电天文望远镜高速数据采集系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设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捜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 him化ed meters Ape;rture S地erical Radio Telescope,简称FAST)正在紧张建设中，当FAST建成之后，其 第一次全面的中性氨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3.2G化的交织采样模式。
[000引进一步，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 至化ing-RAM中，存满后发出存满信号，通知W太网将存满的数据传输出去；同时待存储的数 据存储到化ng-RAM中，直到其发出存满信号，通知W太网取走数据，待存储数据又重新存储 至IjP i ng-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W太网传输模块，该W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W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W体现为多种不同形式，并不应理解为局限于运里叙述的示例性实施 例。而是，提供运些实施例，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W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WlOGW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W实现12位量化精度，3.2G化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转换忍片 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1.6G化，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 (化ina Reconfigurable Analog-Digital Backend),其主要模块有两个FMC接口，可W外 接两块模数转换器，并集成两片高性能VbtexG FPGA处理忍片及一片VbtexS FPGA控制忍 片，12个lOG/sW太网输出接口，288MB的板上QDR(如ad Data Rate)存储空间和16GB的孤R3 (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（Re 2Wm2、 VACC)W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W高效 地实现多通道信号的并行滤波，同时又可W大量减少计算，因此本系统