魏紹杰， 侯孝民， 馬 宏， 廉 昕， 姜 坤

(1裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì) 北京 101416 2裝備學(xué)院光電裝備系 北京 101416)

引 言

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量VLBI(Very Long Baseline Interferometry)是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來(lái)的射電干涉測(cè)量新技術(shù)[1]，它是當(dāng)前天文觀測(cè)使用的一項(xiàng)高分辨率、高測(cè)量精度的觀測(cè)技術(shù)，在天體物理、大地測(cè)量、地球物理、深空探測(cè)等方面應(yīng)用極為廣泛[2]。簡(jiǎn)單地說(shuō)，VLBI就是把幾個(gè)小望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合起來(lái)，達(dá)到一架大望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)效果。經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，VLBI技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代角分辨率最高、定位精度最好的天文觀測(cè)技術(shù)[3]。

VLBI數(shù)據(jù)記錄終端設(shè)備是VLBI系統(tǒng)中非常重要的部分，其核心部件是基帶轉(zhuǎn)換器BBC(Base Band Converter)，它承擔(dān)著數(shù)據(jù)采集、頻帶選擇和基帶轉(zhuǎn)換等任務(wù)。

早期的基帶轉(zhuǎn)換器使用的都是模擬器件，包括模擬濾波器、模擬本振等。然而，模擬基帶轉(zhuǎn)換器ABBC(Analog BBC)存在設(shè)備電路復(fù)雜、設(shè)備頻率特性隨環(huán)境溫度變化較大、各子通道特性不一致等問(wèn)題?，F(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了VLBI基帶轉(zhuǎn)換器的升級(jí)換代。2004年，IVS(International VLBI Service for Geodesy＆Astrometry)提出了VLBI2010計(jì)劃[4～6]，對(duì)VLBI系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了更高的測(cè)量精度。其在基帶轉(zhuǎn)換器方面，提出設(shè)計(jì)新的DBBC(Digital BBC)來(lái)替代原有的模擬基帶轉(zhuǎn)換器。與老舊的模擬基帶轉(zhuǎn)換器相比，DBBC具有以下優(yōu)點(diǎn):①穩(wěn)定一致的性能;②低成本;③更強(qiáng)的靈活性;④易于升級(jí);⑤開(kāi)發(fā)周期短?，F(xiàn)在各國(guó)都已開(kāi)始了新的DBBC的研制。

1 VLBI基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

VLBI的基本原理如圖1所示。

圖1 VLBI基本原理

根據(jù)圖1中所示的幾何關(guān)系可知，兩測(cè)站接收觀測(cè)目標(biāo)同一波前的時(shí)間差τg為

式中，c為光速，l為兩天線到射電源的路程差，B為兩測(cè)站之間的基線長(zhǎng)度，θ為基線與射電源方向的夾角。因此，只要采用適當(dāng)?shù)姆椒ň_地測(cè)出兩測(cè)站接收同一信號(hào)的時(shí)間延遲τg，即可根據(jù)式(1)求出射電源的方向角 θ[7]。

一個(gè)完整的VLBI系統(tǒng)由兩個(gè)或兩個(gè)以上接收系統(tǒng)和一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心組成，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。觀測(cè)數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)天線由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集下來(lái)，經(jīng)過(guò)基帶轉(zhuǎn)換、幀格式編輯等處理后，記錄在存儲(chǔ)介質(zhì)中，再通過(guò)事后回放交由數(shù)據(jù)處理中心做相關(guān)處理得到相關(guān)條紋。

圖2 VLBI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器基本原理及實(shí)現(xiàn)方法

數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它主要由模擬單元和數(shù)字單元兩部分組成。天線接收VLBI模擬信號(hào)，經(jīng)射頻接收機(jī)變?yōu)槟M中頻信號(hào)，經(jīng)由模擬單元自動(dòng)增益控制器(AGC)進(jìn)行幅度調(diào)整，送往數(shù)字單元。數(shù)字單元首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，通常以氫原子鐘的信號(hào)作為頻標(biāo)(5MHz)，通過(guò)頻率綜合器生成高頻的采樣時(shí)鐘，作為數(shù)字單元高速ADC的采樣時(shí)鐘。量化所得數(shù)字信號(hào)送往數(shù)字下變頻器進(jìn)行數(shù)字下變頻，再經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波，得到數(shù)字基帶信號(hào)。數(shù)字基帶信號(hào)由通道選擇器送往記錄設(shè)備[3]。

圖3 VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

IVS在VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)方面，推薦了兩種典型的基帶轉(zhuǎn)換方法:一種是基于正交混頻的基帶轉(zhuǎn)換方法;另一種是基于多相濾波器組PFB(Poly-phase Filter Bank)的高效信道化方法。

2.1 基于正交混頻的基帶轉(zhuǎn)換方法

正交混頻的基帶轉(zhuǎn)換信號(hào)處理流程如圖4所示。

圖4 正交混頻的基帶轉(zhuǎn)換信號(hào)處理流程

由圖4可知，正交混頻數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換法首先需要對(duì)模擬中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣，然后通過(guò)數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生正交的本振信號(hào)，通過(guò)對(duì)采樣信號(hào)的混頻，實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)的正交下變頻，最后利用多級(jí)濾波抽取實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)帶寬的變化和采樣速率的降低。正交混頻數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換方法具有下變頻頻率靈活可設(shè)的優(yōu)點(diǎn)，可以通過(guò)不同的濾波器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多種基帶信號(hào)輸出。

圖5 PFB信道化基帶轉(zhuǎn)換信號(hào)處理流程

2.2 基于PFB信道化基帶轉(zhuǎn)換法

PFB信道化基帶轉(zhuǎn)換信號(hào)處理流程如圖5所示。

基于PFB的高效信道化基帶轉(zhuǎn)換法首先對(duì)中頻模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣，然后通過(guò)串并轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)流的分路處理，經(jīng)過(guò)各支路的分支濾波和DFT變換，實(shí)現(xiàn)多路等帶寬基帶信號(hào)的輸出。PFB法具有實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)，能夠同時(shí)得到多路基帶信號(hào)輸出。

在數(shù)據(jù)記錄格式方面，國(guó)際上主要采用MARK 5B格式，廣泛應(yīng)用于射電天文等領(lǐng)域;在深空探測(cè)領(lǐng)域，主要利用ΔDOR測(cè)量，數(shù)據(jù)記錄幀格式為RDEF(Delta-DOR Raw Data Exchange Format，Delta DOR原始數(shù)據(jù)交換格式)，是CCSDS(The Consultative Committee for Space Data Systems)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)格式。由于每次觀測(cè)的各通道數(shù)據(jù)都會(huì)單獨(dú)產(chǎn)生一個(gè)產(chǎn)品文件，因此RDEF在通道數(shù)及量化位數(shù)的選擇方面十分靈活。RDEF是深空測(cè)控VLBI數(shù)據(jù)記錄格式的發(fā)展趨勢(shì)。

3 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器發(fā)展現(xiàn)狀

目前，進(jìn)行數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器研究的國(guó)外主要機(jī)構(gòu)有美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)Haystack天文臺(tái)、美國(guó)NASA深空網(wǎng)(DSN)、美國(guó) NRAO(National Radio Astronomy Observatory)、歐洲 EVN(European VLBI Network)、歐洲 ESA(European Space Agency)、日本 NICT(National Institute of Information and Communications Technology)等。國(guó)內(nèi)主要研究機(jī)構(gòu)有中科院上海天文臺(tái)、裝備學(xué)院等。現(xiàn)對(duì)各機(jī)構(gòu)研制的VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器一一介紹。

3.1 國(guó)外數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器發(fā)展現(xiàn)狀

3.1.1 美國(guó)MIT Haystack天文臺(tái)的DBE

DBE(Digital Backend)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器輸入通道個(gè)數(shù)為2路，采樣頻率為1.024GHz，量化位數(shù)為2bit，輸入信號(hào)帶寬為512MHz，輸出通道個(gè)數(shù)為16路，每個(gè)通道帶寬為16～32MHz[8]，記錄格式為MARK 5B，采用基于PFB信道化基帶轉(zhuǎn)換法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 美國(guó)DBE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.2 美國(guó)NARO和Haystack天文臺(tái)的RDBE

RDBE(ROACH Digital Backend，其中 ROACH代表 Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器能對(duì)2路512～1024MHz中頻模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣頻率為1.024GHz，量化位數(shù)為8bit，輸出通道個(gè)數(shù)為16路，每個(gè)通道帶寬為16～32MHz[9]，記錄格式為MARK 5B，采用基于PFB信道化基帶轉(zhuǎn)換法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 RDBE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.3 美國(guó)NASA深空網(wǎng)(DSN)的WVSR

WVSR(寬帶VLBI科學(xué)接收機(jī))主要應(yīng)用于ΔDOR(Delta Differential One-way Ranging)測(cè)量，具有全頻譜接收記錄功能，具備中頻處理頻帶內(nèi)任意指定帶寬的下變頻和記錄功能[10]。它能對(duì)4路10～630MHz中頻模擬信號(hào)(中心頻率320MHz)進(jìn)行采樣，采樣頻率為1.280GHz，采樣量化位數(shù)為8bit。WVSR分為窄帶模式和寬帶模式，輸出通道個(gè)數(shù)為16路，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器從采樣帶寬內(nèi)選擇任意16MHz帶寬頻帶進(jìn)行基帶轉(zhuǎn)換?；鶐л敵鲂盘?hào)為復(fù)信號(hào)，具有多種帶寬和量化位數(shù)選擇，帶寬范圍為1kHz-16MHz，量化位數(shù)為1～16bit。其中，窄帶輸出通常用于航天器觀測(cè)，帶寬為1～100kHz，量化位數(shù)為1～16bit可選。射電源信號(hào)通常用寬帶輸出，帶寬范圍為1～16MHz，量化位數(shù)為1～2bit可選。記錄格式為RDEF，其設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖8 所示[11]。

圖8 WVSR設(shè)備結(jié)構(gòu)

3.1.4 歐洲 EVN 的 DBBC2

DBBC2(Digital Base-Band Converter 2)采用分立的采集板和用于處理的電路板，能對(duì)4路1～512MHz、512～1024MHz、1024 ～1536MHz、1536 ～2048MHz或者2 路 1 ～1024MHz、1024 ～2048MHz的寬帶中頻模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)應(yīng)采樣頻率為1.024GHz或者2.048GHz，采樣量化位數(shù)為8bit，支持窄帶模式和寬帶模式，最大輸出通道個(gè)數(shù)為 64 路，通道帶寬為 16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz、500kHz、250kHz且?guī)捒蛇x，步進(jìn)10kHz，最大輸入信號(hào)速率大于34Gb/s，最大輸出信號(hào)速率為8.192Gb/s，記錄格式為MARK 5B，可通過(guò)對(duì)FPGA CORE模塊的重新配置實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)，主要采用基于正交混頻的基帶轉(zhuǎn)換方法[12]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 歐洲D(zhuǎn)BBC2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.5 歐洲 ESA 的IFMS

歐空局的無(wú)線電科學(xué)觀測(cè)和△DOR觀測(cè)都基于IFMS(Intermediate Frequency and Modem System)硬件平臺(tái)[13]。IFMS的采樣頻率為280MHz，采樣量化位數(shù)為8bit，能夠?qū)崿F(xiàn)接收頻帶內(nèi)8路任意頻點(diǎn)信號(hào)的同時(shí)接收，輸出信號(hào)帶寬為1kHz～2MHz，量化位數(shù)1～16bit可選，具備多普勒頻移補(bǔ)償功能，不同通道之間的時(shí)標(biāo)同步精度優(yōu)于1ns。IFMS主要由一個(gè)高速公共前端HS-CFE(High-Speed Common Front End)、若干個(gè)通用數(shù)字信號(hào)處理器GDSP(Generic Digital Signal Processor)以及一個(gè)B碼時(shí)組成，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖10所示。

3.1.6 日本NICT的ADS系列

日本的NICT成功研制了K5 VLBI系統(tǒng)。K5 VLBI系統(tǒng)有兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，一種為 K5/VSI系統(tǒng)，利用 ADS系列器件進(jìn)行數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換，用VSI-H標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;另一種為K5/VSSP或K5/VSSP32系統(tǒng)，利用IP-VLBI采樣器實(shí)現(xiàn)，主要用于大地測(cè)量。二者有各自的軟件，數(shù)據(jù)格式也不相同。其中，K5/VSI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)用ADS系列采樣器，ADS系列各代產(chǎn)品的特性如表1所示[14]。

圖10 IFMS系統(tǒng)框圖

表1 日本VLBI系統(tǒng)各代數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器特性

ADS1000為單通道輸入，采樣率為1.024GHz，量化位數(shù)為1bit或2bit;ADS2000支持16通道輸入，單通道采樣率為64MHz，量化位數(shù)為2bit，專用于VLBI大地測(cè)量;ADS3000是ADS1000的升級(jí)產(chǎn)品，單通道輸入，采樣率為2.048GHz，量化位數(shù)為8bit，能夠通過(guò)FPGA的重新配置，實(shí)現(xiàn)多種輸出模式，最高輸出數(shù)據(jù)率為4Gb/s;其最新產(chǎn)品ADS3000+，設(shè)計(jì)輸入通道個(gè)數(shù)為2路或4路，采樣率最高可達(dá)4.096GHz，量化位數(shù)為8bit，采用更加強(qiáng)大的FPGA(Xilinx Virtex-5)，能夠通過(guò)FPGA進(jìn)行數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換，記錄格式為MARK 5B，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11所示。

3.2 國(guó)內(nèi)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器發(fā)展現(xiàn)狀

3.2.1 中科院上海天文臺(tái)的CDAS

中科院上海天文臺(tái)對(duì)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的研究在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平，其研制的CDAS(Chinese Digital Acquisition System)已經(jīng)裝配在中國(guó)的四個(gè)VLBI站(北京、上海、昆明、烏魯木齊)。CDAS輸入通道個(gè)數(shù)為4路，輸入信號(hào)帶寬為512MHz/1024MHz可選，采樣頻率為1.024GHz/2.048GHz可選，輸出通道個(gè)數(shù)為 32 路，輸出信號(hào)帶寬為 32MHz、16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz 和 0.5MHz，并且?guī)捒蛇x，記錄格式為MARK 5B，采用基于PFB信道化基帶轉(zhuǎn)換法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示[15]。

圖12 CDAS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2.2 裝備學(xué)院的CDBE

我院測(cè)量控制教研室也對(duì)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了研究，并成功研制出具有全頻譜功能的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)化器[16]CDBE(Chinese Digital Backend)。該平臺(tái)采用三片Altera Stratix III系列芯片和一片Stratix II系列芯片。采樣頻率為1.024GHz，采樣量化位數(shù)為8bit，支持窄帶模式和寬帶模式，最大輸出通道個(gè)數(shù)為16路，寬帶模式可輸出帶寬為 16、8、4、2、1、0.5MHz，窄帶模式可輸出帶寬為 200、100、50、25、16、8、4、2、1kHz，輸出信號(hào)中心頻率、帶寬可設(shè)置，視頻分辨率10Hz，支持MARK 5B和RDEF兩種記錄格式，采用基于PFB信道化基帶轉(zhuǎn)換法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 CDBE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 各數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器對(duì)比分析

現(xiàn)對(duì)上述幾種VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行全面的對(duì)比，如表2所示。

表2 各機(jī)構(gòu)DBBC指標(biāo)對(duì)比

由表2可知，各機(jī)構(gòu)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器都各具特點(diǎn)。除DBE、RDBE、CDBE為2路模擬輸入外，其余均可進(jìn)行4路中頻模擬輸入，ESA的IFMS最多可支持8路中頻模擬輸入;采樣頻率基本都達(dá)到1.024GHz(IFMS除外)，DBBC2和 CDAS最高可達(dá)2.048GHz，而日本的K5系統(tǒng) ADS3000+的采樣率最高可達(dá)4.096GHz;量化位數(shù)除DBE為2bit外，其余均為8bit;輸出通道個(gè)數(shù)都達(dá)到了16個(gè)(IFMS除外)，歐洲EVN的DBBC2輸出通道個(gè)數(shù)最大為64;輸出通道帶寬范圍各有不同，WVSR和CDAS能提供較大的范圍選擇;至于支持的數(shù)據(jù)記錄格式，除美國(guó)DSN的WVSR和歐洲ESA的IFMS支持RDEF格式外，其余機(jī)構(gòu)產(chǎn)品均支持MARK 5B格式，而裝備學(xué)院的CDBE可兼容RDEF和MARK 5B格式，便于國(guó)際合作聯(lián)合觀測(cè)。

對(duì)比可知，美國(guó)在數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器研究方面起步早，處于領(lǐng)先位置，在針對(duì)天文、測(cè)地、深空等方面都有性能優(yōu)異的設(shè)備;歐洲EVN的DBBC2在模擬輸入帶寬和輸出通道個(gè)數(shù)方面處于領(lǐng)先水平，整體性能良好;日本K5系統(tǒng)在采樣率方面較為出色;中科院CDAS和裝備學(xué)院CDBE也達(dá)到了國(guó)際一流水平，其中，CDBE同時(shí)兼容RDEF和MARK 5B格式，已多次參與國(guó)際聯(lián)合觀測(cè)，并在嫦娥3號(hào)系列任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的基本原理，并對(duì)當(dāng)前國(guó)際上主要的VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器進(jìn)行全面的對(duì)比分析。隨著各國(guó)在深空領(lǐng)域的不斷探索，為滿足深空測(cè)控更加苛刻的要求，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器正朝著采樣率逐漸提高、量化位數(shù)不斷增加、記錄帶寬更大更靈活可選、兼容多種數(shù)據(jù)記錄格式的方向發(fā)展。目前各國(guó)都在積極研制自己的深空測(cè)控通信系統(tǒng)，尤其是數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器部分。我國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域起步較晚，但發(fā)展迅速，今后應(yīng)當(dāng)繼續(xù)緊追國(guó)際前沿，不斷提高自身的深空測(cè)控水平，增強(qiáng)自身實(shí)力，進(jìn)一步加強(qiáng)國(guó)際間合作，力爭(zhēng)在深空探測(cè)領(lǐng)域取得一席之地。

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