劉 曄，劉 奇，李 健，王 玥

(1.中國科學院新疆天文臺，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆微波技術(shù)重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011)

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，頻率資源使用率越來越高，10 MHz～2 GHz頻段廣泛應(yīng)用于商用設(shè)備、通訊設(shè)備、廣播電視、航空導(dǎo)航、公共安全等，使該頻段的電磁環(huán)境異常復(fù)雜。由于射電天文業(yè)務(wù)具有高靈敏度和較寬工作頻率范圍的特點，因此，射頻干擾對射電望遠鏡觀測的影響越來越大，如寬帶、瞬態(tài)信號尤其是周期性瞬態(tài)信號對脈沖星觀測、快速射電暴(Fast Radio Burst, FRB)實時搜尋觀測的影響較大。同樣，寬帶、瞬態(tài)干擾源對連續(xù)譜觀測也有較大的影響，原因是寬帶、瞬態(tài)干擾導(dǎo)致帶寬內(nèi)總的積分功率相對較高。因此，如何捕捉寬帶、瞬態(tài)信號在射電天文觀測中顯得十分重要，只有捕捉并消除這些寬帶、瞬態(tài)信號才能保證射電天文的高效科學產(chǎn)出。

為緩解射頻干擾(Radio Frequency Interference, RFI)對天文觀測造成的影響，工程師在無線電寧靜區(qū)建設(shè)、電磁干擾監(jiān)測、干擾信號捕捉、頻譜分析等方面投入大量精力。美國100 m綠岸射電望遠鏡(Green Bank Telescope, GBT)將兩套射頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)安裝于臺站內(nèi)，其中，饋源臂附近的射頻干擾監(jiān)測系統(tǒng)運用與接收機相同的本振信號進行降頻處理，并使用2 × 40 MHz寬帶快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)頻譜儀，測試速度快且靈敏度高，能夠?qū)ε_站射頻干擾進行有效的監(jiān)測[1]。荷蘭韋斯特博克綜合射電望遠鏡(Westerberg Synthesis Radio Telescope, WSRT)觀測站開發(fā)了頻譜監(jiān)測系統(tǒng)，頻率范圍為20～3 000 MHz，將控制和數(shù)據(jù)分析集成于一體，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、分析、搜尋、成圖等電波環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[2-3]。500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope, FAST)和上海天馬65 m射電望遠鏡均建立了適合自身需求的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[4]。新疆天文臺為實現(xiàn)奇臺110 m全可動射電望遠鏡建設(shè)階段臺址各類電磁干擾的有效監(jiān)測，自主設(shè)計開發(fā)了自動化、高可靠性的電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測頻段為0.1～12 GHz，可實現(xiàn)各類電磁信號的有效監(jiān)測[5]。

但上述電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對寬帶、瞬態(tài)電磁干擾信號的捕捉具有一定的局限性，如系統(tǒng)采用的商用頻譜儀的實時帶寬通常不超過40 MHz，且采用掃頻模式，頻譜測量效率較低[6-7]。所以，本文采用天文領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的Roach II硬件開發(fā)平臺，完成快速掃描模式和脈沖監(jiān)測模式的數(shù)字頻譜儀的開發(fā)與設(shè)計，為射電天文臺址寬頻帶、實時電磁環(huán)境監(jiān)測提供支持。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文基于Roach II開發(fā)平臺設(shè)計研制的數(shù)字頻譜儀，采用奈奎斯特采樣、多相數(shù)字濾波、快速傅里葉變換理論，通過改變通道數(shù)量和掃描時間實現(xiàn)快速掃描模式和脈沖監(jiān)測模式。

Roach II開發(fā)平臺作為當前天文領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的硬件平臺，具有可重構(gòu)開放式計算機體系結(jié)構(gòu)和獨立的可編程功能，同時更多的模塊化設(shè)計可滿足不同性能指標設(shè)計的要求。Roach II開發(fā)平臺的構(gòu)造主要圍繞Virtex-6系列現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)構(gòu)建，可運行Linux操作系統(tǒng)，有兩個Z-DOK接口，可接連多種輸入輸出接口的板卡，如模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換和其他設(shè)備等，在數(shù)字頻譜儀設(shè)計中主要用于連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)，當前可用3 GS/s-8 bit，5 GS/s-8 bit，10 GS/s-4 bit等多款模數(shù)轉(zhuǎn)換器以滿足不同采樣帶寬的需求[8]。

如圖1，模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)過奈奎斯特采樣，采樣量化后的數(shù)字信號首先經(jīng)過多相濾波器濾波處理并進行通道劃分，然后信號經(jīng)過快速傅里葉變換從時域轉(zhuǎn)換到頻域，得到的頻域信號數(shù)據(jù)進行自相關(guān)，最后將數(shù)據(jù)矢量累加，經(jīng)緩存整合后存儲。

圖1 數(shù)字頻譜儀設(shè)計流程

1.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣及選型

模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為數(shù)字采樣的重要組成部分，性能指標和采樣率的合理設(shè)置是整個數(shù)字頻譜儀設(shè)計的重點。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，確定頻段間隔的信號，為保證信號在采樣后完整地還原，采樣頻率必須大于等于該信號最高頻率的兩倍，即

fsample≥2fmax，

(1)

其中，fsample為采樣頻率；fmax為信號的最高頻率。

按照奈奎斯特采樣定理，設(shè)計2 G帶寬的數(shù)字頻譜儀要求模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率大于等于4 G，高采樣頻率會加大數(shù)據(jù)量，因此，在對模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行選型時，對其性能有較高的要求。硬件平臺中采用型號為EV8AQ160的模數(shù)轉(zhuǎn)換器板卡，板卡內(nèi)部集成了1∶1和1∶2的數(shù)據(jù)多路分離器(Dmux)和低電壓差分信號(Low-Voltage Differential Signaling, LVDS)輸出緩沖器，可降低輸出數(shù)據(jù)率，方便與多種類型的高速現(xiàn)場可編程陣列直接相連，實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)存儲和處理。同時EV8AQ160 板卡內(nèi)集成了4路模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以工作在3種模式下，分別為采樣率1.25 Gsps的四通道模式、采樣率2.5 Gsps的雙通道模式和采樣率5 Gsps的單通道模式[9]。數(shù)字頻譜儀的開發(fā)采用采樣率為5 Gsps的單通道模式，輸出數(shù)據(jù)寬度為8 bit。另外，為了補償由于器件參數(shù)離散和傳輸路徑差異造成的采樣數(shù)據(jù)誤差，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器板卡針對每路模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)的積分非線性、增益、偏置、相位做了控制和校正。

1.2 多相數(shù)字濾波

如何實現(xiàn)抽取前或內(nèi)插后的數(shù)字濾波是采樣率變換的一個十分重要的問題，為避免其在采樣過程中出現(xiàn)混疊現(xiàn)象，數(shù)字濾波器的設(shè)計尤為重要[10]。

假設(shè)x(m)為輸入信號，y(m)為信號輸出，定義其δ函數(shù)為δ(m)，表達式可表示為

(2)

卷積形式：

y(m)=δ(m)*x(m).

(3)

基于數(shù)字濾波器的原理，在數(shù)字頻譜儀開發(fā)中運用多相數(shù)字濾波算法，其信道劃分如圖2。假設(shè)有限脈沖響應(yīng)濾波器(Finite Impulse Response Filters, FIR)的轉(zhuǎn)移函數(shù)[11]為

圖2 多相數(shù)字濾波信道劃分

(4)

其中，N為濾波器的長度，如果將沖擊響應(yīng)δ(m)分為D組，且N為D的整數(shù)倍，即N/D=j，則轉(zhuǎn)移函數(shù)的多相表示為

H(z)=δ(0)z0+δ(D)z-D+…+δ[(j-1)D]z-(j-1)D+δ(1)z-1+δ(D+1)z-(D+1)+…

+δ[(j-1)D+1]z-[(j-1)D+1]+δ(2)z-2+δ(D+2)z-(D+2)+…+δ[(j-1)D+2]z-[(j-1)D+2]

+…+δ(D-1)z-(D-1)+δ(2D-1)z-(2D-1)+δ[(j-1)D+D-1]z-[(j-1)D+D-1]

(5)

定義H(z)的多相分量為

(6)

所以

(7)

數(shù)字頻譜儀開發(fā)設(shè)計中采用多相濾波器組(Polyphase Filter Bank, PFB)模塊、有限脈沖響應(yīng)濾波器、快速傅里葉變換模塊組成多相濾波器。其中，多相濾波器組模塊設(shè)置通道數(shù)目，頻率通道數(shù)目對應(yīng)快速傅里葉變換運算點數(shù)的一半，即快速掃描模式下，多相濾波器組模塊設(shè)置為16 384，得到8 192個通道的濾波器組，脈沖監(jiān)測模式下，多相濾波器組模塊設(shè)置為2 048，得到1 024個通道的濾波器組。多相數(shù)字濾波設(shè)計的優(yōu)點主要表現(xiàn)為通過通道劃分抑制鄰?fù)ǖ栏蓴_，降低數(shù)據(jù)計算量，實現(xiàn)高效的實時信號采集。

1.3 總體架構(gòu)設(shè)計

依據(jù)上述設(shè)計流程及理論基礎(chǔ)，運用MATLAB/Simulink和Casper Toolflow庫，采用模塊化設(shè)計思想，分別實現(xiàn)快速掃描模式和脈沖監(jiān)測模式設(shè)計?？焖賿呙枘Ｊ胶兔}沖監(jiān)測模式的總體架構(gòu)設(shè)計相同，就數(shù)字采樣、多相數(shù)字濾波、快速傅里葉變換點數(shù)、矢量累加模塊、存儲單元(Bram)模塊等的參數(shù)做了相應(yīng)的更改，以實現(xiàn)不同測量模式的設(shè)計。

(1)參數(shù)設(shè)置：如圖3，數(shù)字頻譜儀總體架構(gòu)主要由數(shù)字采樣、多相數(shù)字濾波、快速傅里葉變化、自相關(guān)、延時(Delay)模塊(藍色)、矢量累加設(shè)計、存儲單元模塊(黃色)等組成。

? 延時模塊為一個移位寄存器，可以配置其延時時鐘周期的整數(shù)倍，在數(shù)字頻譜儀設(shè)計中采用延時模塊將采樣數(shù)據(jù)在時間上對齊。以快速掃描模式為例，2 GHz的帶寬，分為8 192個通道，其分辨率帶寬為244 kHz，通過設(shè)置延時模塊的參數(shù)可使頻率與通道一一對應(yīng)，避免出現(xiàn)頻偏現(xiàn)象，因此，延時模塊的設(shè)置是整個數(shù)字頻譜儀設(shè)計中非常重要的環(huán)節(jié)。

? 矢量累加采用Vacc模塊，如圖4，該模塊主要是將數(shù)據(jù)進行矢量排序累加，另外可消除毛刺對頻譜的影響。有new_acc和din兩個輸入端口，其中new_acc輸入端口是接收一個新累加開始的脈沖信號，即接收到新的脈沖信號，開始一次累加；din端口是數(shù)據(jù)的輸入端口，對應(yīng)一個輸出端口dout，通過設(shè)置輸出端口的參數(shù)，可有效控制數(shù)據(jù)的長度和位數(shù)寬度，當完成一次完整的矢量累加，Valid端口輸出布爾型1，并與存儲單元模塊進行交互作用，其他時候輸出為0。

圖4 矢量累加模塊

Vacc模塊有3個參數(shù)，其中vector length是輸入或者輸出的矢量長度。就快速掃描模式而言，快速傅里葉變換設(shè)置16 384個點，輸出8 192個頻率通道的數(shù)據(jù)，分為奇數(shù)通道和偶數(shù)通道各4路信號，因此，累加的矢量長度設(shè)置為1 024，對應(yīng)的脈沖監(jiān)測模式的矢量長度設(shè)置為128。累加是將信號重合的累加，沒有做平均處理，所以會使得數(shù)據(jù)的位數(shù)快速增長，為了避免溢出，要控制累加的次數(shù)和時間。Number of output bits設(shè)置輸出信號的位數(shù)；Binary point(output)設(shè)置二進制數(shù)的所有位數(shù)中有多少個小數(shù)位。new_acc主要是標定一個積分時間的開始，防止矢量數(shù)據(jù)錯位。

?存儲單元為接口模塊，主要用于實現(xiàn)存儲功能，在現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部以陣列形式呈現(xiàn)。共有3個輸入端口和1個輸出端口，如圖5，數(shù)據(jù)流進入data_in端口，從data_out端口輸出。數(shù)據(jù)流通過addr地址線控制數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的位置，保持數(shù)據(jù)排列的正確性。由脈沖信號控制有效存儲地址和數(shù)據(jù)流的輸入端同步。

圖5 存儲模塊

Bram模塊讀取數(shù)據(jù)的時間設(shè)置應(yīng)該與數(shù)據(jù)矢量累加的時間保持一致，這是因為如果讀取時間間隔太短會導(dǎo)致在一定時間段內(nèi)或者在循環(huán)讀取數(shù)據(jù)的過程中，相鄰多次的讀取結(jié)果相同，也就是說重復(fù)讀取了存儲器中沒有更新的數(shù)據(jù)；讀取時間間隔較長則會導(dǎo)致儲存器更新了多次數(shù)據(jù)，而讀取只進行一次，就會使得部分頻譜數(shù)據(jù)遺漏。

(2)編譯運行：如圖6，首先，在Simulink中完成總體架構(gòu)設(shè)計，對各模塊進行參數(shù)設(shè)置，確保數(shù)據(jù)流相同，點擊運行后進行仿真，校驗編譯前無錯誤顯示；其次，在MATLAB中輸入命令casper_xps啟動編譯，編譯生成二進制bof文件；最后，將二進制bof文件拷貝到Roach II開發(fā)平臺的相應(yīng)目錄下，并確保Roach II開發(fā)平臺與計算機之間采用千兆以太網(wǎng)連接，采用Python語言在Linux操作系統(tǒng)中編寫數(shù)字頻譜儀運行的控制腳本，基于Python腳本在本地計算機上即可啟動Roach II開發(fā)平臺，并進行相應(yīng)的性能和頻譜信號測試。

圖6 性能測試流程

2 性能測試

Python腳本控制Roach II開發(fā)平臺的運行是實現(xiàn)數(shù)字頻譜儀測試功能至關(guān)重要的一步。首先，清除緩存區(qū)的各個變量，采用IP連接Roach II開發(fā)平臺，連接完成后將要執(zhí)行的bof文件載入Roach II開發(fā)平臺；然后，將累加長度、增益大小等軟件寄存器的寫入數(shù)值進行相關(guān)設(shè)置，并等待10 s過濾不正確的頻譜輸出值，讀取8個存儲單元模塊中的數(shù)據(jù)并存儲在數(shù)組中，將8個數(shù)組交錯組合成一個數(shù)組，輸出并存儲。

2.1 動態(tài)范圍測量

數(shù)字頻譜儀的動態(tài)范圍是指頻譜儀能測量到的輸入端同時存在最大信號與最小信號的比值(dB)，并且對于較小信號允許以給定不確定度測量。因此，動態(tài)范圍的測量是開發(fā)設(shè)計數(shù)字頻譜儀的重要指標。構(gòu)建硬件測試系統(tǒng)，采樣時鐘由性能好、精度高的Valon 5008提供，同時由信號發(fā)生器提供外部10 MHz信號進行鎖定，如圖7。

圖7 硬件測試系統(tǒng)

在10 MHz～2 GHz范圍內(nèi)選取200 MHz，600 MHz，1 400 MHz，1 800 MHz 4個頻點，信號發(fā)生器輸出固定功率，功率值從-3 dBm開始，每次改變-3 dBm，測試數(shù)字頻譜儀的動態(tài)范圍，假設(shè)信號發(fā)生器輸出的功率值為第n個，對應(yīng)的數(shù)字頻譜儀采集的無量綱數(shù)值為y(n)，如果滿足

(8)

即可認為數(shù)字頻譜儀采集的信號為不失真的有效信號。

測試結(jié)果如圖8，可以看出快速掃描模式和脈沖監(jiān)測模式在-9 dBm至-64 dBm功率值下滿足(8)式，因此，數(shù)字頻譜儀的動態(tài)范圍達到55 dB，滿足一般寬帶、瞬態(tài)電磁干擾信號測量的要求。

圖8 動態(tài)范圍測量

2.2 線性度測試

線性度測試可以有效檢測數(shù)字頻譜儀在信號監(jiān)測時的功率響應(yīng)，是設(shè)計數(shù)字頻譜儀的重要指標。信號發(fā)生器輸出固定功率，通過改變頻率值可測得數(shù)字頻譜儀的線性度，由于設(shè)計中采集的數(shù)據(jù)是無量綱的，可通過

Pm=10log10(c)+b

(9)

對測得的數(shù)據(jù)進行量化處理，得到單位為dBm的功率值，其中，Pm為量化后的功率值，單位為dBm；c為采集的原始數(shù)據(jù)，無量綱；b為校準系數(shù)。以信號發(fā)生器輸出-20 dBm的測試結(jié)果為基準，分別量化數(shù)字頻譜儀測得的其他功率值的測試結(jié)果，如圖9。結(jié)果顯示1 000 MHz為一個壞點，這是由于模數(shù)轉(zhuǎn)換器板卡自身的設(shè)計缺陷導(dǎo)致的，其他頻點的線性度良好，數(shù)字頻譜儀設(shè)計基本符合要求。

圖9 線性度測試

2.3 對比測試

為驗證開發(fā)的數(shù)字頻譜儀的準確性，搭建了基于數(shù)字頻譜儀和商用頻譜儀的測量平臺，系統(tǒng)鏈路如圖10。首先，信號經(jīng)過雙極化對數(shù)周期天線XSLP9142后通過帶通濾波器做濾波處理，可有效抑制高于2 000 MHz的信號、干擾及噪聲；然后，信號通過BBV9743前置放大器、衰減器、功分器連接開發(fā)的數(shù)字頻譜儀和N9030A商用頻譜儀；最后，分別存儲測試數(shù)據(jù)并成圖。其中，系統(tǒng)鏈路中的信號發(fā)生器主要為數(shù)字頻譜儀提供10 MHz參考信號。

測試時設(shè)置數(shù)字頻譜儀的積分時間為50 ms，設(shè)置N9030A頻譜儀的掃描時間為50 ms，測試頻率10～2 000 MHz。另外，可通過對Roach II開發(fā)平臺設(shè)置不同的閾值與N9030A頻譜儀做匹配度對比。測試系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)及技術(shù)指標如表1。

表1 測試系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)及技術(shù)指標

依據(jù)圖10的測試鏈路，首先，更換不同的濾波器與衰減器進行摸查測試，可有效抑制帶外干擾對系統(tǒng)鏈路造成的影響；然后，通過設(shè)置不同的閾值進行系統(tǒng)性能測試，尋找最佳臨界閾值。圖11分別為功率閾值-64 dBm,-60 dBm,-55 dBm,-50 dBm的對比結(jié)果，其中濾波器為500～3 200 MHz，選用15 dB的衰減器。

圖10 對比測試鏈路圖

圖11 不同閾值的對比結(jié)果

測試結(jié)果如圖11，數(shù)字頻譜儀與商用頻譜儀的測試結(jié)果整體上有較好的吻合度，但當閾值設(shè)置為-64 dBm和-60 dBm時，數(shù)字頻譜儀可以采集到1 406～1 422 MHz，1 976～1 984 MHz的信號，N9030A商用頻譜儀沒有采集到該信號，因為該信號為數(shù)字頻譜儀內(nèi)部信號。通過升高閾值發(fā)現(xiàn)，-55 dBm是最佳臨界閾值，數(shù)字頻譜儀與商用頻譜儀的功率響應(yīng)吻合度高，信號的頻率響應(yīng)與商用頻譜儀一致。

3 結(jié) 論

本文基于Roach II開發(fā)平臺，開發(fā)設(shè)計了實時帶寬為10 MHz～2 GHz的數(shù)字頻譜儀，完成了快速掃描和脈沖監(jiān)測兩種不同觀測模式的開發(fā)設(shè)計與性能測試。測試結(jié)果顯示，數(shù)字頻譜儀的動態(tài)范圍可達到55 dB，且與商用頻譜儀有較好的吻合度，具有相對準確的測量精度，可應(yīng)用于寬帶實時頻譜監(jiān)測、瞬態(tài)信號監(jiān)測等領(lǐng)域，為射電天文臺址的電磁干擾分析、頻譜管理策略制定、接收機設(shè)計等提供技術(shù)支撐。