VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器測試進(jìn)展

羅近濤，陳 嵐，吳亞軍，項(xiàng) 英，朱人杰，余 赟，舒逢春，郝龍飛，張秀忠

(1.中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.中國科學(xué)院云南天文臺，昆明 650011)

甚長基線干涉測量技術(shù)(VLBI，Very Long Baseline Interferometry)是一種重要的射電天文技術(shù)，最初為以高分辨率觀測遙遠(yuǎn)類星體的結(jié)構(gòu)而發(fā)展起來。經(jīng)過40年左右的發(fā)展，VLBI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技術(shù)，不僅廣泛用于天文學(xué)、測地學(xué)研究，在國際上也被廣泛用于對深空探測器的高精度測量[1]。

VLBI系統(tǒng)的信號流程如圖1，按照信號流向，VLBI系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在VLBI2010展望中，定義了新型的VLBI數(shù)據(jù)終端[2]，該定義主要考慮以下幾個(gè)方面：(1)新的系統(tǒng)需要包括接收機(jī)輸出到數(shù)據(jù)記錄或傳輸?shù)较嚓P(guān)處理機(jī)之前的全部信號處理功能；(2)將用數(shù)字邏輯電路來完成信號處理；(3)更高的可靠性能，更好的數(shù)據(jù)質(zhì)量；(4)相比傳統(tǒng)模擬終端，價(jià)格更低廉用途更廣泛；(5)具有靈活的功能和可升級性。

圖1 VLBI系統(tǒng)信號流程圖Fig.1 Flowchart of the VLBI system

作為數(shù)據(jù)終端的重要組成部分，基帶轉(zhuǎn)換器(BBC，Baseband Converter)承擔(dān)著頻段選擇、數(shù)據(jù)采集等任務(wù)。隨著A/D轉(zhuǎn)換器芯片工作時(shí)鐘的提高，在更高的頻率(1GHz～2GHz)[3-4]上將模擬信號數(shù)字化成為可能。同時(shí)，隨著數(shù)字信號處理算法的豐富、FPGA(Field Programmable Gate Array)和DSP(Digital Signal Processing)芯片運(yùn)行速度的提升，許多曾經(jīng)只能用模擬器件實(shí)現(xiàn)的高頻電子線路正逐步為數(shù)字電路所替代。芯片加算法成為數(shù)字電路發(fā)展的一種趨勢。在此趨勢下，美國、歐洲和日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)都致力于新型數(shù)字VLBI數(shù)據(jù)終端的研究。這些研究有一個(gè)共性，采用高速A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器，對高頻信號進(jìn)行數(shù)字濾波，從而得到基帶信號。

中國科學(xué)院上海天文臺VLBI技術(shù)實(shí)驗(yàn)室從2002年開始研究數(shù)字濾波和數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器(DBBC，Digital Baseband Converter)，于2007年正式啟動VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器項(xiàng)目。

2009年7月，利用中國VLBI網(wǎng)，在昆明—烏魯木齊基線上，用VLBI長基線干涉測量方法對VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了測試，并與一同參加測試的模擬基帶轉(zhuǎn)換器進(jìn)行對比。此次VLBI長基線觀測信號源為射電源。結(jié)果表明數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器帶通性能優(yōu)于模擬基帶轉(zhuǎn)換器；所觀測射電源流量高時(shí)，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比優(yōu)于模擬基帶轉(zhuǎn)換器，所觀測射電源流量低時(shí)，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比與模擬基帶轉(zhuǎn)換器相當(dāng)。

1 VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器

基帶轉(zhuǎn)換器是VLBI臺站的關(guān)鍵設(shè)備，世界上大部分的VLBI臺站所使用的是傳統(tǒng)的模擬基帶轉(zhuǎn)換器。目前模擬基帶轉(zhuǎn)換器已經(jīng)停產(chǎn)，使得繼續(xù)使用和維護(hù)十分困難。新型的基于數(shù)字電路的VLBI轉(zhuǎn)換器逐漸開始出現(xiàn)。

中國科學(xué)院上海天文臺VLBI技術(shù)實(shí)驗(yàn)室從2002年開始研究數(shù)字濾波和數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器(DBBC，Digital Baseband Converter)，與意大利CNR共同研制了簡化型DBBC[5]，為后續(xù)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2007年正式啟動VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器項(xiàng)目[6]。上海天文臺VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器原理框圖如圖2，主要由模擬和數(shù)字兩部分組成。來自天線接收機(jī)的中頻信號經(jīng)由模擬部分自動增益進(jìn)行幅度調(diào)整，送往數(shù)字部分。數(shù)字部分首先對信號進(jìn)行數(shù)字化，采樣時(shí)鐘1024MHz，量化所得數(shù)字信號送往數(shù)字下變頻器，由數(shù)字下變頻器進(jìn)行數(shù)字下變頻，得到數(shù)字基帶信號。數(shù)字基帶信號由通道選擇器送往記錄設(shè)備。

圖2 VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器原理圖Fig.2 Principle of the VLBI digital baseband converter

上海天文臺VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器主要設(shè)計(jì)指標(biāo)和特性如下：輸入頻標(biāo)5MHz，采用1pps信號；輸入中頻數(shù)4路；通道數(shù)16(上下邊帶各8個(gè))；通道帶寬32MHz、16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz和0.5MHz，并且?guī)捒蛇x；兼容Mark4格式器和Mark5B/C記錄設(shè)備；兼容FS系統(tǒng)；相位校正信號和自相關(guān)監(jiān)視輸出；通過PCI總線進(jìn)行控制；數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器數(shù)字部分的核心器件為信號處理板，尺寸為1U。該信號處理板載有一塊高速A/D采樣芯片，4塊XilinxFPGA芯片，圖3為信號處理板實(shí)物照片。

圖3 VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器信號處理板Fig.3 Signal processing board of the VLBI digital baseband converter

目前上海天文臺VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器項(xiàng)目已完成驗(yàn)收，在中國VLBI網(wǎng)4個(gè)觀測站——上海佘山站、烏魯木齊南山站、北京密云站和云南昆明站均安裝有完整的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)。

2 VLBI長基線測試

2009年7月8日，利用中國VLBI網(wǎng)，VLBI長基線觀測對VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了測試實(shí)驗(yàn)，觀測站上模擬基帶轉(zhuǎn)換器作為對比參照，也參與了觀測。

2.1 中國VLBI網(wǎng)

中國VLBI網(wǎng)(CVN,Chinese VLBI Network)由4個(gè)VLBI觀測站(上海佘山站、烏魯木齊南山站、北京密云站、云南昆明站)和一個(gè)VLBI相關(guān)處理中心(上海)構(gòu)成，如圖4。

上海站和烏魯木齊站建于上世紀(jì)80～90年代，在國際VLBI聯(lián)測中發(fā)揮了重要作用，是國際VLBI組織——?dú)W洲VLBI網(wǎng)(EVN)、國際天體測量VLBI網(wǎng)(IVS)和亞太VLBI網(wǎng)的正式成員。北京密云站的50m口徑射電望遠(yuǎn)鏡和昆明站的40m口徑射電望遠(yuǎn)鏡為中科院國家天文臺新建，承擔(dān)繞月探測工程的數(shù)據(jù)接收任務(wù)和VLBI測軌分系統(tǒng)的聯(lián)測任務(wù)。

圖4 中國VLBI網(wǎng)Fig.4 Chinese VLBI Network

2.2 觀測數(shù)據(jù)獲取與處理

2009年7月8日的VLBI長基線觀測，數(shù)據(jù)傳輸與處理流程如圖5。參加觀測的臺站為中國VLBI網(wǎng)昆明觀測站和烏魯木齊觀測站，兩站數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器和模擬基帶轉(zhuǎn)換器均參與觀測。觀測目標(biāo)源為射電源，數(shù)據(jù)有效時(shí)間從UT時(shí)間7月8日15：30左右開始，有效觀測時(shí)間約8小時(shí)。有效觀測時(shí)間內(nèi)，對高流量和低流量射電源均進(jìn)行了觀測，觀測時(shí)間段和相應(yīng)的射電源及其流量見表1。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸與處理流程Fig.5 Block diagram of the data transfer and data processing

在7月8日觀測中，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)由Mark5B記錄系統(tǒng)記錄，模擬基帶轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)由Mark5A記錄系統(tǒng)記錄，均按照事后模式記錄在硬盤上。觀測結(jié)束后，數(shù)據(jù)硬盤送至上海VLBI相關(guān)處理中心，使用軟件相關(guān)處理機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理[7-8]。由于觀測中安排有低流量射電源，相關(guān)處理機(jī)積分時(shí)間設(shè)為10min，F(xiàn)FT長度設(shè)為128點(diǎn)，獲得足夠的信噪比以獲得條紋。相關(guān)處理機(jī)完成處理之后，生成輸出結(jié)果，由數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算長基線條紋的信噪比。

表1 有效數(shù)據(jù)時(shí)段所觀測射電源及其流量

2.3 結(jié)果分析

CVN相關(guān)處理機(jī)輸出結(jié)果包含有昆明觀測站和烏魯木齊觀測站數(shù)據(jù)自相關(guān)譜以及兩站數(shù)據(jù)互相關(guān)譜。數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器與模擬基帶轉(zhuǎn)換器自相關(guān)幅度譜如圖6。圖6中數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器和模擬基帶轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)為昆明觀測站記錄，起始時(shí)間為UT2009年7月8日18點(diǎn)36分，數(shù)據(jù)時(shí)長10min，帶寬2MHz，觀測頻段為X波段。

圖6 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器與模擬基帶轉(zhuǎn)換器自相關(guān)幅度譜Fig.6 Auto-correlation amplitudes of the digital baseband converter and the analog baseband converter

由圖6可看出，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器阻帶比模擬基帶轉(zhuǎn)換器陡峭且更接近2MHz。數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器有效帶寬較寬。圖6中，模擬基帶轉(zhuǎn)換器通帶內(nèi)有起伏，沿斜線下降；數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器通帶內(nèi)保持水平?？梢钥闯鲈谟行拑?nèi)，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器自相關(guān)幅度譜比模擬基帶轉(zhuǎn)換器自相關(guān)幅度譜平坦。數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器幅度較平坦部分約為帶通的90%，模擬基帶轉(zhuǎn)換器僅為75%～80%，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器帶通特性明顯好于模擬基帶轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)相關(guān)處理機(jī)輸出結(jié)果，數(shù)據(jù)分析軟件計(jì)算出長基線條紋信噪比。圖7是昆明—烏魯木齊基線上，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比和模擬基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比。橫軸為觀測時(shí)間，左方縱軸為條紋信噪比，右方縱軸為所觀測射電源流量。

圖7 昆明—烏魯木齊基線，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比和模擬基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比以及所觀測射電源的流量Fig.7 Fringe SNRs of the digital baseband converter and the analog baseband converter of the Kunming-Urumuqi baseline.Dashed curve：the flux densities of the observed sources

圖7中，15：51時(shí)刻，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比低于模擬基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比，其余時(shí)刻，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比不低于模擬基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比。

圖7中，所觀測射電源流量低于1Jy時(shí)，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比和模擬基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比均低于25，二者差距不大，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器信噪比較模擬基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比略高，或與之相當(dāng)。所觀測射電源流量高于1Jy時(shí)，二者均在56以上，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比明顯高于模擬基帶轉(zhuǎn)換器條紋信噪比。由此可得出結(jié)論，射電源觀測中，射電源流量高時(shí)，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器性能好于模擬基帶轉(zhuǎn)換器，射電源流量低時(shí)，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器性能與模擬基帶轉(zhuǎn)換器相當(dāng)。

3 結(jié) 論

2009年7月8日，利用中國VLBI網(wǎng)昆明觀測站、烏魯木齊觀測站和上海中心，以射電源為信號源，通過VLBI長基線觀測，對兩觀測站的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測試，觀測中對高流量和低流量射電源均有觀測。兩觀測站上模擬基帶轉(zhuǎn)換器作為對照，一同參與觀測。觀測數(shù)據(jù)由CVN相關(guān)處理機(jī)處理，根據(jù)相關(guān)處理機(jī)輸出結(jié)果計(jì)算出長基線條紋信噪比。

此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器帶通特性優(yōu)于模擬基帶轉(zhuǎn)換器；數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器長基線條紋信噪比性能優(yōu)于模擬基帶轉(zhuǎn)換器。

致謝：感謝中國VLBI網(wǎng)昆明觀測站、烏魯木齊觀測站和上海觀測站參加DBBC長基線條紋測試觀測，上海VLBI相關(guān)處理中心完成了數(shù)據(jù)的相關(guān)處理。感謝VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器項(xiàng)目組全體成員的努力。

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