寬帶實(shí)時(shí)脈沖星數(shù)字接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、脈沖星是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，它的發(fā)現(xiàn)為射電天文的研究開辟了嶄新的研究領(lǐng)域。脈沖星數(shù)字終端是脈沖星觀測(cè)和搜索的重要儀器，也為天體譜線的觀測(cè)、搜尋太陽(yáng)系系外行星等課題提供了強(qiáng)有力的工具。隨著對(duì)脈沖星等射電天文研究的不斷深入，對(duì)脈沖星觀測(cè)設(shè)備也提出了更高的要求，需要在更寬帶寬、更高時(shí)間分辨率和更高頻率分辨率條件下完成脈沖星信號(hào)的高速實(shí)時(shí)處理和數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄。本文針對(duì)這些要求，對(duì)寬帶實(shí)時(shí)脈沖星數(shù)字終端關(guān)鍵技術(shù)展開研究，并結(jié)合實(shí)際觀測(cè)，研制了基于軟

2、件無(wú)線電的不同帶寬的脈沖星數(shù)字終端樣機(jī)。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)對(duì)多相離散傅里葉變換PDFT(Polyphase Discrete Fourier Transform)濾波器組和加權(quán)疊加WOLA(Weighted Overlap-Add)濾波器組寬帶信號(hào)子帶分解算法展開了研究，并針對(duì)PDFT和WOLA濾波器組算法的特點(diǎn)，提出了改進(jìn)的IWOLA(Improved WOLA)濾波器組的寬帶信號(hào)通道化處理算法，解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)F

3、PGA硬件資源不足的問題，使得各子帶的后續(xù)處理一致。利用MATLAB仿真分析了IWOLA與WOLA濾波器組的通道特性。討論了IWOLA濾波器組算法在射電天文觀測(cè)中的應(yīng)用，并詳細(xì)分析和比較了IWOLA組合架構(gòu)和WOLA組合架構(gòu)及組合復(fù)FFT算法對(duì)FPGA硬件資源的消耗情況。IWOLA組合架構(gòu)比WOLA組合架構(gòu)和組合復(fù)FFT算法節(jié)省了更多片上RAM資源。
　　(2)在研究了直接消色散、樹消色散和子帶消色散等脈沖星非相干消色散算法的基礎(chǔ)

4、上，提出了分級(jí)子帶非相干消色散算法，利用MATLAB對(duì)算法進(jìn)行了性能仿真。分級(jí)子帶非相干消色散算法不需要額外的片上RAM資源，同時(shí)緩解了數(shù)據(jù)輸出接口的壓力，在保證頻率分辨率的前提下，提高了系統(tǒng)的時(shí)間分辨率。然后利用Xilinx Virtex-6架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)了脈沖星分級(jí)子帶非相干消色散系統(tǒng)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分硬件消色散，并降低數(shù)據(jù)輸出率，減小了軟件消色散的數(shù)據(jù)處理量。
　　(3)詳細(xì)分析了脈沖星數(shù)字終端的系統(tǒng)需求，然后

5、提出并實(shí)現(xiàn)了Xilinx Virtex-5架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并以此為基礎(chǔ)，提出了Xilinx Virtex-6架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，使系統(tǒng)具有處理能力強(qiáng)、體積小、功耗低和便于擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)。Xilinx Virtex-6架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端比Xilinx Virtex-5架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端具有更好的性能和更豐富的硬件資源。在基于Xilinx Virtex-6架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端的硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上，提出了4GHz帶寬脈沖

6、星數(shù)字終端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
　　(4)基于Xilinx Virtex-5架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了從140MHz到1.2GHz多個(gè)不同帶寬、不同時(shí)間和頻率分辨率的脈沖星非相干消色散系統(tǒng)的FPGA和相應(yīng)控制軟件設(shè)計(jì)，包括基于高速數(shù)字下變頻(DDC)算法的300MHz和140MHz帶寬系統(tǒng)，基于WOLA濾波器組算法的帶寬為150MHz、時(shí)間分辨率為0.2ms和0.1ms的系統(tǒng)，基于組合復(fù)FFT高效算法的600MHz和1.

7、2GHz帶寬系統(tǒng)。然后通過比較基于高速DDC算法的脈沖星數(shù)字終端對(duì)FPGA硬件資源的消耗，分析了基于WOLA濾波器組算法的脈沖星數(shù)字終端對(duì)FPGA硬件資源的節(jié)省量。
　　(5)優(yōu)化了基于Xilinx Virtex-6架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端硬件平臺(tái)的單通道高頻率分辨率寬帶譜分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使硬件平臺(tái)的處理能力更強(qiáng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。
　　本文致力于寬帶脈沖星數(shù)字終端關(guān)鍵技術(shù)研究，完成了Xilinx Virtex-5架構(gòu)脈沖星數(shù)字

8、終端的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并利用天文臺(tái)對(duì)Xilinx Virtex-5架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端從140MHz到1.2GHz各個(gè)帶寬的系統(tǒng)進(jìn)行了大量脈沖星觀測(cè)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性和性能。到目前為止，總計(jì)觀測(cè)了超過100顆脈沖星，觀測(cè)的脈沖星周期達(dá)幾個(gè)毫秒，脈沖星輻射流量可低至3mJy，系統(tǒng)最高時(shí)間分辨率為0.1ms，單次觀測(cè)時(shí)，脈沖TOA的誤差約為1μs。本文的寬帶脈沖星數(shù)字終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為我國(guó)利用完全自主研制的脈沖星射電天文設(shè)備進(jìn)行脈沖星觀測(cè)研