寬帶實時脈沖星數(shù)字接收機關(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域。脈沖星數(shù)字終端是脈沖星觀測和搜索的重要儀器，也為天體譜線的觀測、搜尋太陽系系外行星等課題提供了強有力的工具。隨著對脈沖星等射電天文研究的不斷深入，對脈沖星觀測設備也提出了更高的要求，需要在更寬帶寬、更高時間分辨率和更高頻率分辨率條件下完成脈沖星信號的高速實時處理和數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄。本文針對這些要求，對寬帶實時脈沖星數(shù)字終端關(guān)鍵技術(shù)展開研究，并結(jié)合實際觀測，研制了基于軟

2、件無線電的不同帶寬的脈沖星數(shù)字終端樣機。本文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)對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)濾波器組寬帶信號子帶分解算法展開了研究，并針對PDFT和WOLA濾波器組算法的特點，提出了改進的IWOLA(Improved WOLA)濾波器組的寬帶信號通道化處理算法，解決系統(tǒng)設計時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中的應用，并詳細分析和比較了IWOLA組合架構(gòu)和WOLA組合架構(gòu)及組合復FFT算法對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

4、上，提出了分級子帶非相干消色散算法，利用MATLAB對算法進行了性能仿真。分級子帶非相干消色散算法不需要額外的片上RAM資源，同時緩解了數(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)字終端硬件平臺設計了脈沖星分級子帶非相干消色散系統(tǒng)，使系統(tǒng)實現(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)詳細分析了脈沖星數(shù)字終端的系統(tǒng)需求，然后

5、提出并實現(xiàn)了Xilinx Virtex-5架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端的系統(tǒng)設計方案，并以此為基礎，提出了Xilinx Virtex-6架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端的系統(tǒng)設計方案，使系統(tǒng)具有處理能力強、體積小、功耗低和便于擴展的優(yōu)點。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)字終端的硬件平臺基礎上，提出了4GHz帶寬脈沖

6、星數(shù)字終端的系統(tǒng)設計方案。
　　(4)基于Xilinx Virtex-5架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端的硬件平臺設計并實現(xiàn)了從140MHz到1.2GHz多個不同帶寬、不同時間和頻率分辨率的脈沖星非相干消色散系統(tǒng)的FPGA和相應控制軟件設計，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、時間分辨率為0.2ms和0.1ms的系統(tǒng)，基于組合復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)字終端硬件平臺的單通道高頻率分辨率寬帶譜分析系統(tǒng)的設計，使硬件平臺的處理能力更強，并驗證了系統(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)設計與實現(xiàn)，并利用天文臺對Xilinx Virtex-5架構(gòu)脈沖星數(shù)字終端從140MHz到1.2GHz各個帶寬的系統(tǒng)進行了大量脈沖星觀測，驗證了系統(tǒng)的正確性和性能。到目前為止，總計觀測了超過100顆脈沖星，觀測的脈沖星周期達幾個毫秒，脈沖星輻射流量可低至3mJy，系統(tǒng)最高時間分辨率為0.1ms，單次觀測時，脈沖TOA的誤差約為1μs。本文的寬帶脈沖星數(shù)字終端的設計與實現(xiàn)為我國利用完全自主研制的脈沖星射電天文設備進行脈沖星觀測研