数字滤波技术应用于VLBI数据采集的方法

在VLBI(VeryLongBaselineInterferometry)数据采集终端中,用数字滤波代替模拟滤波有其显著的优势。本文首先介绍了国外在VLBI数据采集终端中采用数字滤波的进展情况,然后阐述了数字滤波在系统中的实现方案。实现数字滤波的关键是信号处理的速度,降低运算量是实现快速处理的关键,本文给出了实现FIR数字滤波器的3种结构,并在运算量方面进行了分析和比较。在这基础上,还对数字滤波的2种系统实现方案进行了具体分析。高性能的FPGA(FieldProgrammablegateArray)芯片是实现数字滤波器的较好选择,文章最后给出了基于FPGA芯片、用查表(LUT:LookUpTable)的方式实现的数字滤波系统框图。     

数字滤波技术在射电天文测量中的应用

随着数字技术的发展，数字信号处理芯片的速度越来越快，这为高速数字滤波的实时实现提供了可能。简要阐述了数字滤波的原理，并对两种数字滤波的实现方法进行了分析；给出了数字滤波较模拟滤波的优势；介绍了数字滤波在射电天文测量中的各种应用。     

基于FPGA的数字匹配滤波器的实现

对数字匹配滤波器的原理和结构进行了简要的介绍,重点给出了在现场可编程门阵列(FPGA)中数字匹配滤波器倒置结构的硬件实现.通过对设计电路的实时仿真表明:该数字匹配滤波器具有捕获精度高、速度快的特点,可应用于其它扩频系统的数字接收机中.     

新疆天文台南山站DBBC2数字终端系统的建立

随着计算机数字技术的高速发展,甚长基线干涉仪测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)所需的关键观测终端设备基带转换器(Base Band Converter,BBC)已从模拟系统(Analog BBC,ABBC)发展为数字系统(Digital BBC,DBBC)。相对于模拟系统,数字系统具有很高的灵活性,并能成倍提高VLBI观测带宽,进而能满足各种高灵敏度的观测需求。考虑到这些技术优势,以及新疆天文台南山站在国内和国际VLBI网中的重要作用,南山站2016年对VLBI终端系统进行了升级,引进了一套意大利Hat-Lab公司研发的DBBC2终端。介绍了DBBC2系统的主要构成模块和工作原理以及系统的组装、连接、配置、校准和调试方法。在对系统硬件和软件进行全面的检测和测试后,与国内和国际的主要台站开展了联合观测,并多次成功获得相关干涉条纹。这一系列的成功观测表明,南山DBBC2系统已成功安装,并具有很高的可靠性。应用新的DBBC2系统,南山站可参与2/4 Gbps的记录速率的宽带VLBI观测,极其有助于天文学家对宇宙中更暗弱的射电源开展毫角秒分辨率的成图观测。     

嵌入式千兆以太网传输系统在VLBI硬件相关处理机中的应用

甚长基线干涉测量（VLBI）是重要的射电天文技术，具有极高的空间分辨率，是国际上广泛采用的深空探测器高精度测量手段。硬件相关处理机则是VLBI数据预处理的核心设备。随着以FPGA（Field Programmable Gate Array）为实现平台的嵌入式系统的不断发展，用FPGA和嵌入式系统作为实现方式成为硬件相关处理机研究的一个方向。研究了如何利用嵌入式千兆以太网传输系统对硬件相关处理机的长期累加子系统（LTA）进行改进。     

用于VLBI数字基带转换的多相滤波技术研究

该文阐述了利用低通滤波器和多相滤波器技术实现VLBI数字基带转换的原理,建立了采用多相滤波器与FFT技术的数字基带转换系统的仿真模型;然后对本模型的算法复杂度进行了分析和比较;最后对该模型的正确性进行了仿真实验验证.     

Mark5B格式器及10G网络传输系统在VLBI中的应用

由于遥远的天体发出的无线电信号极其微弱,信噪比极低,VLBI系统要想得到较高的测量精度,必须尽量加大测量带宽和提高采样位数,但是这样会导致VLBI终端(比如数字基带转换器)产生的观测数据激增。传统的VLBI终端数据传输系统采用VSI接口,数据最高传输速率限制在2 Gbps,且数据记录设备必须采用定制的Mark5B设备,极其不灵活,因此已经不能适应现在VLBI系统的观测需求。为了提高数据传输速率,增加数据记录设备的灵活性,上海天文台新研制的基于多相滤波器组和快速傅里叶变换方式的数字基带转换器的数据传输系统采用了高速灵活的10 G网络接口。10 G网络系统中数据传输采用报文交换方式,因此数据到达接收端的时间不是精确可靠的,这要求数据在进入10 G网络接口之前必须已经具有标准的VLBI数据格式,所以在10 G网络前端设计了Mark5B格式器。详细介绍了基于现场可编程门阵列的Mark5B格式器及10 G网络传输系统的设计原理,并在文章的最后通过三组实验验证了其功能的正确性和性能的稳定性。     

上海天文台MK5A终端系统的安装与测试

简要阐述了上海天文台VLBI终端系统的发展历史与性能；介绍了在没有MK4解码器、互联网又不能满足需要的特殊情况下，利用数据质量分析仪(DQA)完成MK5A终端系统安装与测试的过程和方法。目前，MK5A终端系统已经成功地应用于上海天文台所有的VLBI实验。     

VLBI监控系统的改进

对Mark5B监控系统软件的设计思想、软件功能、通讯机制等几个方面作了介绍。Mark5B记录系统是当今世界VLBI观测台站中广泛使用的最为先进的记录系统之一,也是VLBI终端系统的重要组成部分。研制Mark5B监控系统软件的主要目的是进一步提高VLBI终端记录系统的可靠性,保障VLBI联测数据有效和高质量。该软件是在Qt开发环境下采用signals/slots的安全类型机制,并在Qt creator IDE上设计图形界面,完成数据采集和网络通信工作。Mark5B监控系统不仅适用于VLBI天体物理测量观测、VLBI测地观测,而且适用于中国VLBI网(The Chinese VLBI Network,CVN)联测。     

VLBI终端系统的发展历史和未来展望

甚长干涉测量技术(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)起源于20世纪60年代,它的发展已经对大地测量、地球动力学和天体测量产生了深远的影响。同样,VLBI终端系统作为VLBI系统的重要组成部分,在近40年里也在不断地更新和快速发展,从一开始的Mark 1系统发展到现在的Mark 5系统,从一开始的磁带记录到现在的硬盘记录甚至通过因特网就能实现数据的实时传输,可以说发生了翻天覆地的变化。如今Mark 6系统也已经开发出来,相信不久的将来,该系统会广泛应用于天文领域。主要描述了VLBI终端系统的发展历程和未来展望。     

相干消色散脉冲星观测系统的研究

云南天文台射电天文研究团组利用从美国伯克利大学CASPER天文信号与电子学研究中心购买的现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)接收机平台ROACH2,实现了512 MHz输入带宽,512 MHz带宽分为128通道输出(每个通道4 M带宽),8比特采样和双极化输入(1 024 MHz)的基带数据采集终端。海量数据传输方式通过SFP+万兆网口实现,利用编写的脚本文件调用DSPSR程序包实现数据的解码、相干消色散、偏振计算和折叠等处理。数据处理结果以PSRFITS格式存储。构建以ROACH2为基带数据采集终端和DSPSR为数据处理核心的脉冲星观测系统,相比于以VLBI观测终端为基础构建的观测系统,在观测模式、数据处理方法、运算效率和观测数据的通用性等方面具有更好的优越性。     

探测器VLBI信号仿真方法

为研究VLBI对探测器的数据处理方法并评估其处理能力,现有做法需基于测站VLBI终端接收的探测器信号进行。采用信号仿真方法可以根据设计轨道与信标特点,利用计算机生成需要的探测器VLBI信号,相比试验观测具有独特的优势。观测试验时,测站终端接收探测器下行射频信号,通过混频变换为中频信号,再进行数字化采集数据。仿真信号时,为减少计算规模,直接构造数字中频信号,二次采样后提取通道信号,获得数字终端的VLBI仿真信号。由于探测器相对VLBI测站运动,测站接收的探测器下行信号反映目标的视向速度变化。根据探测器信号时延模型,研究了探测器点频信号和有限带宽信号多普勒效应的模拟方法。通过仿真信号与VLBI终端接收信号的对比以及对VLBI相关处理结果的分析,验证了探测器VLBI信号仿真方法的可行性,为后续仿真技术在月球与火星探测器中的VLBI测定轨应用奠定了技术基础。     

一种VLBI数字基带转换器的阈值计算方法及其FPGA实现

随着电子技术的进步,数字化的设备成为发展的趋势.在VLBI2010中定义了新型VLBI数据终端,新的系统使用数字逻辑电路完成VLBI的数据采集.数字基带转换器(Digital Base Band Converter,DBBC)是VLBI数据终端的核心部件,其功能是将射频接收机输出的宽带模拟中频信号数字化处理后,选取若干频道转换为基频信号.与模拟设备相比,其在带通特性、长基线条纹信噪比性能等方面有很大优势.其中经过基带转换后的信号需要通过自动增益控制(Auto Gain Control,AGC)模块进行阈值比较,得到2 bits量化信号作为输出.目前2 bits数字自动增益控制模块设置阈值的方法是基于传统的自动增益控制方法,即信号通过平方、累加和开方,计算出信号的平均功率,再通过平均功率得到阈值.提出了一种量化闽值计算的新方法,该方法通过统计数字信号各比特位的状态分布,并与原阈值进行比较,从而确定新阈值的相应比特位的值,使经阈值比较后的量化输出符合预定的比例.阈值随每N个输入信号的统计情况进行更新,从而实现2 bits动态量化.这种方法可以避免多位数据的平方、累加和开方的复杂计算,从而减少数字自动增益控制模块的资源占用.通过对其FPGA设计的仿真结果分析,验证了该方法的可行性.对2 bits量化原理及其量化误差分析的关键部分作了论述,并通过MATLAB计算出最佳量化门限和量化状态.     

VLBI数字基带转换器测试进展

叙述了中国科学院上海天文台正在研发的VLBI数字基带转换器的最新测试进展。首先介绍了VLBI数字基带转换器的项目背景。接着介绍了VLBI数字基带转换器的设计指标和系统组成。然后介绍了利用VLBI长基线方法测试分析VLBI数字基带转换器性能的具体过程,并且通过在VLBI观测中与传统模拟VLBI基带转换器进行了性能对比,得出结论:目前VLBI数字基带转换器在以射电源为信号源的VLBI观测中,射电源流量高时条纹信噪比优于模拟VLBI基带转换器,射电源流量低时条纹信噪比与模拟VLBI基带转换器相当,且数字基带转换器带通特性好于模拟基带转换器。     

两颗致密射电源的327MHz VLBI观测

1989年6月，对两颗射电源（3C345和3C454.3）作了327MHz VLBI观测。本文给出两颗源的模型拟合参数，并就结构作了分析和讨论。VLBI数据的相关处理和分析是在上海天文台VLBI系统上完成的。     

上海天文台VLBI数据采集系统的运行和改进

本简单回顾了上海天台VLBI数据采集（简称终端）系统建立的过程。着重叙述了佘山25米站VLBI终端系统的组成和主要性能，以及自1987年以来运动情况和对该系统改进与完善方面所作的一些工作。     

数字调频和数字伺服在被动型氢原子钟上的应用

简单介绍了被动型氢原子钟的组成及原理,阐述了基于数字调频和数字伺服的电子电路在被动型氢原子钟上的应用(目的是改善钟性能),并给出了设计的最终测试结果及其分析,数据表明该系统的稳定度比原有系统有很大提高。为了进一步改善钟性能,又对伺服系统提出了以数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)为主体的新的方案。     

空间太阳望远镜中1-bit图像相关器的实现

两维图像相关跟踪是空间太阳望远镜(SST)主光学望远镜系统达到0.1″分辨率的关键之一。本文提出了采用1-bit相关算法来实现图像快速相关运算,并设计出了基于FPGA DSP架构的相关器硬件结构。25MHz下32×32点图像相关运算在XCV800芯片上实现仅需0.33ms,而硬件规模仅为基于FFT相关器(12-bit数据)的1/9。     

嫦娥三号任务VLBI数据通信软件研制及其应用

VLBI测轨分系统已经成功完成嫦娥三号任务实时阶段VLBI测定轨使命。数据通信软件是分系统关键软件(B级)之一,负责分系统和北京航天飞行控制中心(北京中心)的实时数据交换工作。对数据通信的任务进行简单介绍,并给出功能需求、系统设计及其实现细节;总结了数据通信软件在嫦娥三号任务中的执行情况;最后讨论了数据通信软件的表现并展望在未来探测任务的应用。数据通信软件在嫦娥三号任务中的优异表现显示软件达到研制目标,满足任务要求。     

GPS中BOC调制的FPGA实现

GPS系统中提出了一种新的信号形式,二进制偏移载波(BOC)调制是这种新的信号形式产生的技术关键。首先介绍了BOC调制的定义及其频谱特性,然后阐述了基于FPGA(现场可编程门阵列)硬件平台的BOC调制实现方法,并给出了仿真波形。结果表明,该实现方法是值得提倡的。