劉東亮, John Ford, Glen Langston, 南仁東

(1.中國科學(xué)院國家天文臺(tái), 北京 100012；2.美國國立射電天文臺(tái)(NRAO))

現(xiàn)有的射電天文儀器是高度專業(yè)化的，是按照個(gè)人應(yīng)用的需求而被定制、綜合而專門研制的。因此儀器一般都需要3～5年的設(shè)計(jì)、施工與調(diào)試周期,在可以被交付使用時(shí),按照電子業(yè)的摩爾定律儀器已處于被淘汰的階段。針對這些弊端，以美國加州大學(xué)伯克利分校為主的CASPER項(xiàng)目組通過結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)界硬件的發(fā)展與開發(fā)通用的天文信號(hào)處理程序庫，大大縮短了射電天文儀器的研發(fā)周期，提高了使用效率，從而更好地滿足新一代射電天文對高性能實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的要求。在國外，如GBT，Arecibo，艾倫望遠(yuǎn)鏡陣列(ATA)[1],毫米波天線陣(CARMA),ERO陣列和SKA陣等都已經(jīng)采用和計(jì)劃采用CASPER項(xiàng)目的IBOB與BEE2[2]以及下一代數(shù)字后端系統(tǒng)；在國內(nèi)，香港大學(xué)[3]和烏魯木齊天文站[4]等也已經(jīng)廣泛開展基于通用平臺(tái)的射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)的研究工作。

IBOB是一種基于Xilinx Virtex-Ⅱ Pro 2VP50 FPGA的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)[5]。它擁有兩個(gè)Z-DOK接口,可以接駁多種I/O板(包括雙路1GSa/s的采樣卡或者四路250MSa/s的模數(shù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換卡)。在射電天文學(xué)方面的應(yīng)用主要為高速采樣量化信號(hào)，頻帶調(diào)制，多相濾波，傅里葉變換和對數(shù)字信號(hào)的高速傳輸(通過兩個(gè)10Gb網(wǎng)絡(luò)端口(CX4)將數(shù)據(jù)以UDP包形式輸出)，輸出端可接駁BEE2系統(tǒng)、交換機(jī)和高速網(wǎng)卡等[6]。綜合以上特點(diǎn)，采用IBOB平臺(tái)設(shè)計(jì)寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)。

1 寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)的基本原理

數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)的主要任務(wù)是將天線接收并已調(diào)制到基頻的寬帶信號(hào)采樣、量化(編碼)之后通過多相濾波器組將寬帶信號(hào)分解為一定時(shí)頻分辨率的窄帶信號(hào)，重新排序后將這些信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)處理和記錄系統(tǒng)。基于IBOB平臺(tái)的數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)如圖1，系統(tǒng)由3部分構(gòu)成：采樣，濾波，數(shù)據(jù)封裝和傳輸子系統(tǒng)。采樣系統(tǒng)采用Atmel/e2v(AT84AD001B)的雙路1Gsps模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，在interleave模式下可以實(shí)現(xiàn)單路2Gsps采樣速率。濾波系統(tǒng)主要由多相FIR和FFT構(gòu)成，F(xiàn)FT變換后的子通道數(shù)據(jù)依次按8bit實(shí)部和虛部排列構(gòu)成64bit數(shù)據(jù)帶寬，經(jīng)過數(shù)據(jù)流調(diào)整后傳輸?shù)?個(gè)10Gb傳輸端口進(jìn)行交替UDP數(shù)據(jù)封裝。在高速采樣模式下(interleave模式)，由于傳輸系統(tǒng)需要2個(gè)全局時(shí)鐘周期來完成一次UDP封裝(參考Xilinx手冊)，所以在輸入帶寬大于400MHz且單個(gè)10Gb傳輸端口輸出，或輸入帶寬大于800MHz且使用雙傳輸端口輸出時(shí)，需要引入累加器壓縮數(shù)據(jù)后再傳輸。2個(gè)10Gb網(wǎng)絡(luò)端口可以依次傳輸按照不同目標(biāo)IP地址發(fā)送UDP包，通過交換機(jī)或者直接連接10Gb網(wǎng)卡，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 雙路400MHz,2028通道，16IP輸出數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

在Simulink平臺(tái)下，調(diào)用Xilinx System Generator函數(shù)庫和CASPER與BEE2函數(shù)庫[7]，依次連接ADC、PFB和FFT模塊，ADC模塊的時(shí)鐘頻率為800MHz(400MHz的奈奎斯特帶寬)，ADC 4路同步輸出，因此全局時(shí)鐘為1/4的ADC頻率，200MHz；PFB和FFT模塊中設(shè)置大小為211=2048通道輸出，之后連接實(shí)部虛部的分離模塊和系數(shù)量化模塊(圖2)，將FFT輸出的無符號(hào)18bit按比特位選擇其中的8bit(圖3)，并將輸出合并為64bit的總數(shù)據(jù)鏈路[8]。

圖2 FFT系數(shù)量化模塊Fig.2 Module for quantifying FFT coefficients

圖3 比特選擇模塊Fig.3 Module for bit-value selection

如果直接將64bit總數(shù)據(jù)鏈路輸入到傳輸模塊，則無法控制每個(gè)IP數(shù)據(jù)包中對應(yīng)的頻譜信息，因此引入數(shù)據(jù)流調(diào)整模塊(Corner Turner)，此模塊的功能為順序輸入數(shù)據(jù)，按預(yù)存次序輸出。將2048通道對應(yīng)分配到16個(gè)IP中，每個(gè)IP接收對應(yīng)的128個(gè)通道，具體的數(shù)據(jù)流信息如表1。通過數(shù)據(jù)流調(diào)整模塊和IP數(shù)量的對應(yīng)控制，可以實(shí)現(xiàn)對信號(hào)頻譜的任意目標(biāo)分配，非常靈活。

將排好序的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?0Gb網(wǎng)絡(luò)接口模塊進(jìn)行UDP封裝與傳輸。10Gb傳輸端口的工作方式為64bit數(shù)據(jù)鏈路，200MHz全局時(shí)鐘下，每隔一個(gè)周期傳輸一次數(shù)據(jù)包，最大封裝值為1100×64bit。設(shè)計(jì)中使用2個(gè)10Gb傳輸端口交替工作，將tx_Valid設(shè)置為每32個(gè)時(shí)鐘周期置高，并且在tx_Valid最后一個(gè)時(shí)鐘周期tx_end_of_frame置高，從而完成一次UDP封裝和傳輸。

對應(yīng)的IP選擇可以有兩種方式。其一如圖4所示為依次選擇16個(gè)寄存器，需要在系統(tǒng)配置時(shí)在TinyShell配置目標(biāo)IP地址；另一種方式可以選擇用BRAM來存儲(chǔ)目標(biāo)地址，然后按照時(shí)鐘依次選擇目標(biāo)地址。第二種方式在FPGA寄存器使用上比第一種降低2%[7]。

表1 數(shù)據(jù)流調(diào)整模塊Table 1 Corner turner block module

圖4 10GbE模塊與比特選擇模塊Fig.4 Modules of 10GbE and bit-value selection

為了得到精確的時(shí)間標(biāo)記，使用ARM和1PPS來設(shè)置和控制全局時(shí)鐘，這部分模塊提供了重置計(jì)數(shù)功能，精度為1個(gè)時(shí)鐘周期。在數(shù)據(jù)記錄端，為方便后續(xù)處理，嵌入了計(jì)數(shù)單位的UDP數(shù)據(jù)包給出精確數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)識(shí)。在硬件連接上，根據(jù)要求選擇不同精度的時(shí)鐘來同步系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中使用NTP (網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘協(xié)議)來同步，精度為毫秒單位，通過觸發(fā)reg_arm寄存器來同步IBOB。

1.3 數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)的軟件配置

數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)的軟件配置主要有兩類：(1)濾波器數(shù)據(jù)設(shè)置；(2)鏈接設(shè)置。

這個(gè)設(shè)計(jì)的所有配置在基于Linux的片上系統(tǒng)—TinyShell下完成，TinyShell作為一個(gè)簡單的telnet終端，在系統(tǒng)編譯的過程中以C代碼形式嵌入到IBOB的FPGA中。在濾波器數(shù)據(jù)設(shè)置中，需要設(shè)置同步脈沖(SyncPulse)的初始化周期， FFT位移，F(xiàn)FT輸出系數(shù)，比特位選擇。在鏈接設(shè)置中，需要設(shè)置10GbE接口，包括UDP端口，目的IP與MAC地址，IBOB的源IP和MAC地址[8]。

在計(jì)算機(jī)端，連接并設(shè)置好1Gb網(wǎng)卡與交換機(jī)后，開始接收和記錄數(shù)據(jù)。接收軟件可以使用GULP(一個(gè)將數(shù)據(jù)接受并存儲(chǔ)的通用網(wǎng)絡(luò)接口程序)，在實(shí)驗(yàn)階段使用基于python的網(wǎng)絡(luò)接口程序來接收解包數(shù)據(jù)。

表2 設(shè)計(jì)總表Table 2 Design summary

2 性能測試和分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性, 對寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)的性能進(jìn)行實(shí)際測試。

2.1 測試結(jié)果

設(shè)計(jì)中為了減少FFT處理過程的頻譜泄漏, 添加了窗函數(shù)對信號(hào)進(jìn)行截?cái)嗵幚?，使用基于漢寧窗的多相濾波器組實(shí)現(xiàn)。

圖5所示分別為128階的矩形窗、漢寧窗和海明窗的比較。漢寧窗的主瓣要比同階的矩形窗寬，與海明窗相當(dāng)，旁瓣最大泄漏為-42dB，矩形窗為-23db，漢寧窗為-52db。漢寧窗旁瓣隨其階數(shù)的增加以-5.5dB/個(gè)的速度衰減，為最快；海明窗與矩形窗則都以-1.5dB/個(gè)的速度下降。除此之外還測試了凱澤窗和布萊克曼窗，從各種窗函數(shù)的特性看，布萊克曼窗旁瓣的衰減最大，但計(jì)算最為復(fù)雜。海明窗的旁瓣衰減略比漢寧窗大，但是隨旁瓣增加其衰減很慢。因此實(shí)際信號(hào)分析中常常選用漢寧窗，只要選擇恰當(dāng)?shù)碾A數(shù)，使用漢寧窗截?cái)嗟臅r(shí)候，頻譜泄漏可以更小，這樣就可以有效改善FFT輸出的頻率響應(yīng)，抑制頻譜泄露。

加入多相濾波器組后的FFT輸出旁瓣抑制達(dá)到近-70db較之FFT輸出的-30db旁瓣[10]，使得旁帶干擾大大降低。

測試部分采用虛擬脈沖輸入，在經(jīng)過寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)后，由計(jì)算機(jī)中記錄原始數(shù)據(jù)。圖6為原疊加信號(hào)在ADC量化后的數(shù)據(jù)值，圖中顯示為加入了窄帶脈沖信號(hào)的白噪聲能量譜。圖7為寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)后的數(shù)據(jù)值，使用Matlab對原始數(shù)據(jù)下采樣后繪制頻譜圖。從圖7中可以看出經(jīng)過寬帶數(shù)字頻譜儀器后，頻譜圖出現(xiàn)了明顯的窄帶脈沖，其他為信號(hào)發(fā)生器的噪聲，說明頻譜儀工作良好。

圖5 漢寧窗，海明窗，矩形窗函數(shù)響應(yīng)比較Fig.5 Comparisons of the response functions of the Hann，Hamming，and Rectangular windows

圖6 ADC采樣序列Fig.6 A sampling sequence of the ADC

圖7 寬帶數(shù)字濾波器輸出頻譜圖Fig.7 Output spectrum of the spectrometer

2.2 數(shù)字頻譜儀器設(shè)備穩(wěn)定性以及對后端系統(tǒng)的影響

作為接收機(jī)后端系統(tǒng)的前端設(shè)備，寬帶濾波器主要工作是將信號(hào)做初步處理后傳送到計(jì)算機(jī)集群、磁盤陣列等設(shè)備上，因此高速實(shí)時(shí)地處理寬帶信號(hào)不僅是對濾波器設(shè)備的要求與挑戰(zhàn)，也是對整個(gè)后端系統(tǒng)更高效更經(jīng)濟(jì)的要求。同時(shí)由于天文觀測經(jīng)常需要設(shè)備持續(xù)工作短至幾分鐘，長達(dá)幾天，因此數(shù)字頻譜儀器的抗干擾和穩(wěn)定性也影響后端設(shè)備的運(yùn)作。

出于實(shí)時(shí)性考慮，IBOB板載的FPGA最大可以運(yùn)行在200MHz，可以實(shí)時(shí)處理單路帶寬為1G(2Gsps采樣率，8bit精度)的寬帶信號(hào)，使用IBOB陣列則可以累加更大帶寬。出于穩(wěn)定性考慮，IBOB系統(tǒng)采用低噪供電系統(tǒng)與封閉式設(shè)計(jì)，有效避免了干擾，在試驗(yàn)階段，連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)24小時(shí)后，系統(tǒng)沒有報(bào)錯(cuò)中斷與重啟動(dòng)作，對系統(tǒng)做第二次性能測試，對照兩次圖譜顯示誤差率低于量化精度，因此該系統(tǒng)可以保證觀測在一定時(shí)間內(nèi)持續(xù)運(yùn)行。

3 結(jié) 論

通過對基于IBOB的射電望遠(yuǎn)鏡寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)的分析和測試，達(dá)到了在實(shí)際應(yīng)用中需要的設(shè)計(jì)要求; 對比驗(yàn)證了加窗后的FFT處理有效降低了通道間的頻譜泄露，初步討論和測試了數(shù)字頻譜儀對后端系統(tǒng)的影響，穩(wěn)定高速的實(shí)時(shí)寬帶數(shù)字頻譜儀系統(tǒng)可以提高整個(gè)數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)的信號(hào)傳輸性能;最后對系統(tǒng)進(jìn)行了上電測試,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性和可靠性。要在射電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中實(shí)際應(yīng)用，還需要在現(xiàn)有初步研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行更進(jìn)一步的系統(tǒng)分析和測試,尤其是特殊環(huán)境的可靠性測試。

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