太陽(yáng)射電800～975 MHz波段高動(dòng)態(tài)范圍模擬接收機(jī)的研制

董亮，何樂(lè)生，施碩彪

(1.中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011；2.云南大學(xué)－云南天文臺(tái)信息技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650001；3.云南大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650001)

太陽(yáng)射電800～975 MHz波段高動(dòng)態(tài)范圍模擬接收機(jī)的研制

董亮1，2，3，何樂(lè)生2，3，施碩彪1

(1.中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011；2.云南大學(xué)－云南天文臺(tái)信息技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650001；3.云南大學(xué)信息學(xué)院，云南 昆明 650001)

介紹了云南天文臺(tái)10 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡800～975 MHz模擬接收機(jī)的研制。接收系統(tǒng)采用射頻－中頻兩級(jí)放大＋遠(yuǎn)程控制步進(jìn)衰減器模式，能方便地通過(guò)遠(yuǎn)程界面控制射頻或中頻鏈路的增益倍數(shù)，使得整個(gè)接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍在－35 dB－＋25 dB。這樣的設(shè)計(jì)防止在該頻段強(qiáng)RFI信號(hào)造成的接收機(jī)飽和，并且獲得了大動(dòng)態(tài)范圍，能夠滿足強(qiáng)射電爆發(fā)的要求，彌補(bǔ)了10 m射電望遠(yuǎn)鏡的缺省頻段。

分米波太陽(yáng)射電觀測(cè)；高動(dòng)態(tài)范圍；增益步進(jìn)可調(diào)

CN53－1189/P ISSN1672－7673

太陽(yáng)爆發(fā)事件是太陽(yáng)系中最劇烈、最活躍的能量釋放過(guò)程，其中高能粒子和宇宙射線有可能對(duì)地球周圍的空間環(huán)境和磁場(chǎng)帶來(lái)劇烈擾動(dòng)，直接影響衛(wèi)星、通信、電力以及人體健康等，對(duì)人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)不利的影響。低頻太陽(yáng)活動(dòng)反映了太陽(yáng)活動(dòng)等離子體拋射物在日地空間傳播過(guò)程中重要的物理特性。利用云南天文臺(tái)目前的觀測(cè)頻段能覆蓋1.0～2.0太陽(yáng)半徑的太陽(yáng)射電頻譜形態(tài)，能夠?qū)θ盏乜臻g內(nèi)的等離子擾動(dòng)進(jìn)行很好的探測(cè)。

云南天文臺(tái)目前擁有10 m和11 m兩架太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡，其射電觀測(cè)覆蓋頻段從70 MHz的米波頻段一直到1.5 GHz分米波頻段，是國(guó)內(nèi)低頻太陽(yáng)觀測(cè)的唯一臺(tái)站，同時(shí)也是全球“日不落”太陽(yáng)觀測(cè)的重要成員。其中位于云南天文臺(tái)鳳凰山本部的10 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡工作于625 MHz～1.5 GHz (目前欠缺800～975 MHz)頻段，位于澄江撫仙湖的11 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡工作于70 MHz～700 MHz[1]。

但是10 m射電望遠(yuǎn)鏡在建設(shè)之初由于電子設(shè)備動(dòng)態(tài)范圍的原因，無(wú)法對(duì)800～975 MHz內(nèi)的G網(wǎng)干擾進(jìn)行抑制，很容易造成接收機(jī)飽和。為此該望遠(yuǎn)鏡在建設(shè)之初未設(shè)置該頻段的接收機(jī)。然而800～975 MHz頻段對(duì)應(yīng)重要的離子加速區(qū)，反映了日面磁場(chǎng)變化情況和等離子體的速度－密度變化關(guān)系，是不可或缺的觀測(cè)頻段。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，大動(dòng)態(tài)范圍的步進(jìn)衰減器已經(jīng)面市，并且隨著計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)控技術(shù)的發(fā)展，能很方便地通過(guò)軟件遠(yuǎn)程控制接收機(jī)的增益，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的抑制，同時(shí)如果干擾信號(hào)減小不足以飽和接收機(jī)時(shí)，又可以減少衰減量，增加整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度。

為此云南天文臺(tái)射電天文研究組與云南大學(xué)信息學(xué)院聯(lián)合研制了800～975 MHz頻段高動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)(代號(hào):XK247)，彌補(bǔ)了云南天文臺(tái)在該頻段上觀測(cè)的空缺。

本文介紹本接收機(jī)的研發(fā)過(guò)程、性能參數(shù)以及初步的觀測(cè)結(jié)果。

1 方案選擇

1.1 無(wú)線電環(huán)境測(cè)試

“工欲善其事，必先利其器”，云南天文臺(tái)射電天文研究組首先對(duì)目前800～975 MHz頻段進(jìn)行了無(wú)線電環(huán)境測(cè)量，使得接收機(jī)的設(shè)計(jì)有根據(jù)。從圖1可見(jiàn)800～887.5 MHz頻段內(nèi)無(wú)線電干擾較強(qiáng)，887.5 MHz頻段內(nèi)無(wú)線電干擾較少。

1.2 現(xiàn)有接收機(jī)接收及兩種方案

目前云南天文臺(tái)10 m太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡射頻部分的狀態(tài)如圖2。

圖2 云南天文臺(tái)10 m射電望遠(yuǎn)鏡原有接收機(jī)拓?fù)鋱DFig.2 The block diagram showing the topological structure of the old analog receiver on the 10meter radio telescope of the Yunnan Observatory

從無(wú)線電環(huán)境測(cè)試來(lái)看，有必要將整個(gè)接收機(jī)分為兩個(gè)中頻輸出，這樣可以減輕后端數(shù)字接收機(jī)的壓力，即使800～887.5 MHz頻段干擾過(guò)強(qiáng)時(shí)，也不至于影響887.5～975 MHz頻段觀測(cè)。

開(kāi)始考慮在A處或者B處加入增補(bǔ)頻段接收機(jī)，在A處補(bǔ)充接收機(jī)，雖然會(huì)使得原接收機(jī)整體響應(yīng)下降3 dB，但是原各個(gè)通道之間的增益平衡基本相同。在B處補(bǔ)充接收機(jī)，雖然不影響其余通道的增益性能，但是引起了第1通道與其余通道的增益值不同，不利于定標(biāo)。所以綜合考慮新增加的通道為XK247型U段太陽(yáng)接收機(jī)，接入方法見(jiàn)圖3。

圖3 新老接收機(jī)的連接關(guān)系Fig.3 The connection between the old and new receivers

XK247型太陽(yáng)接收機(jī)工作頻率為800 MHz～975 MHz，將其分兩段:800 MHz～887.5 MHz和887.5 MHz～975 MHz，分別進(jìn)行下變頻處理。

根據(jù)后端數(shù)字信號(hào)采集處理板的需求，XK247型太陽(yáng)接收機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)輸入頻率:800～975 MHz(功分器為625～1 500 MHz)；(2)輸出兩路，中頻為10～97.5 MHz；(3)增益:≥35 dB；(4)增益控制范圍:≥60 dB，步進(jìn)1 dB；(5)噪聲系數(shù):≤12 dB；(6)本振穩(wěn)定度:2 ppm；(7)電源電壓:AC220V；(8)控制接口:RS232。

2 接收機(jī)工作原理及測(cè)試結(jié)果

輸入信號(hào)為800～975 MHz寬帶射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)2次功分，第1個(gè)功分器輸出1路經(jīng)放大和衰減后輸出給原來(lái)的接收機(jī)。另一路在經(jīng)過(guò)一個(gè)功分器，輸出兩路，分別給800～887.5 MHz下變頻通道和887.5～975 MHz下變頻通道，如圖4。

原接收機(jī)射頻輸入為625～1 500 MHz，采用功分器功放兩路，有3.5 dB損耗，在經(jīng)過(guò)一級(jí)放大器，10 dB增益，在加衰減器調(diào)整增益，使輸出的信號(hào)電平和輸入基本相同[2－3]。

兩個(gè)下變頻通道的構(gòu)造完全相同，下面就以一個(gè)通道說(shuō)明。

輸入信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波器，通帶頻率為800～887.5 MHz(887.5～975 MHz)，濾波特性見(jiàn)圖5。

圖4 接收機(jī)鏈路結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The complete pipeline structure of the new receiver

圖5 (a)800～887.5 MHz濾波器特性圖；(b)887.5～975 MHz濾波器特性圖Fig.5 (a)The frequency response of the bandpass filter of 800MHz－887.5MHz；(b)The frequency response of the bandpass filter of 887.5MHz－975MHz

在第1混頻器前面包括射頻放大器、射頻數(shù)控衰減器、濾波器，射頻數(shù)控衰減器是調(diào)整系統(tǒng)射頻增益，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整到無(wú)失真情況以后一般不需要再調(diào)整。數(shù)控衰減器通過(guò)增益調(diào)整軟件經(jīng)接收機(jī)后面的串口通過(guò)協(xié)議進(jìn)行調(diào)整。

混頻器采用高本振頻率，因此輸出中頻和輸入頻率倒相，即輸出中頻頻率低端(10 MHz)對(duì)應(yīng)射頻頻率的高端即887.5 MHz(975 MHz)；輸出中頻的高端(97.5 MHz)對(duì)應(yīng)射頻頻率的低端800 MHz (887.5 MHz)。兩段中頻與射頻的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1，接收機(jī)內(nèi)部各模擬器件的增益情況如表2。

混頻器輸出中頻后包括中頻濾波器、中頻放大器、中頻數(shù)控衰減器等，中頻數(shù)控衰減器用于調(diào)整系統(tǒng)中頻增益。

表1 頻率關(guān)系表Table 1 A list of IF frequencies corresponding to RF frequencies in the system

表2 系統(tǒng)各級(jí)增益表Table 2 The gain of each section of the system

一般情況下調(diào)整中頻數(shù)控衰減器即可，除非輸入信號(hào)很強(qiáng)，否則一般不需要調(diào)整射頻數(shù)控衰減器。圖6是做好的實(shí)物圖。

圖6 接收機(jī)整體照片F(xiàn)ig.6 A picture of the entire receiver

3 遠(yuǎn)程控制軟件說(shuō)明

遠(yuǎn)程控制軟件基于安裝在控制計(jì)算機(jī)的接收機(jī)增益控制軟件，通過(guò)RS232串口對(duì)接收機(jī)射頻可控衰減器和中頻可控衰減器進(jìn)行控制，命令格式如表3。

3.1 通信方式

上下機(jī)通信均采用8051系統(tǒng)的串口形式。采用串型方式1的通信方式，RS232電平(＋3.3V)，波特率為9.6 kbps。10位移位收發(fā)，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。

表3 系統(tǒng)控制命令集Table 3 A list of the system control commands

3.2 通信協(xié)議

通信指令敘述為每條指令8個(gè)字節(jié)。

LC:信息長(zhǎng)度，從SAD字節(jié)開(kāi)始至VS字節(jié)結(jié)束的字節(jié)數(shù)，共5(DATA1＋DATA2＋SAD＋CMD＋VS)字節(jié)。

SAD—從機(jī)地址范圍DEH，DFH。主機(jī)發(fā)送信息幀時(shí)SAD為目的從機(jī)的設(shè)備地址。當(dāng)從機(jī)應(yīng)答信息幀時(shí)SAD為本機(jī)的設(shè)備地址。

CMD:命令字節(jié)；命令字01H－03H。主機(jī)發(fā)送命令，從機(jī)的應(yīng)答信息幀的命令字與接收到主機(jī)的信息幀的命令字一致。

DATA1，DATA2—通信數(shù)據(jù)。

VS—校驗(yàn)位，是LC、SAD、CMD、DATA1與DATA2的逐字節(jié)累加和，1字節(jié)(高字節(jié)舍去，保留低字節(jié))。

命令說(shuō)明:

STX:固定為F8H；LC:固定為05

SAD:為地址:DE—800～887.5 MHz頻段；DF—887.5～975 MHz頻段

CMD:為命令字，01為射頻衰減器控制；02為中頻衰減器控制；03為內(nèi)部衰減器查詢

DATA1:數(shù)據(jù)1；DATA2:數(shù)據(jù)2；VS:校驗(yàn)位；ETX:幀尾

3.3 命令說(shuō)明

01命令:射頻衰減器控制:

i.DATA1－表示正負(fù)號(hào)，0－為負(fù)；1－為正。

ii.DATA2－表示數(shù)值，即根據(jù)DATA1的正負(fù)在原來(lái)數(shù)據(jù)上進(jìn)行計(jì)算并控制。

02命令:中頻衰減器控制:

i.DATA1－表示正負(fù)號(hào)，0－為負(fù)；1－為正。

ii.DATA2－示數(shù)值，即根據(jù)DATA1的正負(fù)在原來(lái)數(shù)據(jù)上進(jìn)行計(jì)算并控制。

03命令:i.DATA1－表示查詢衰減值時(shí)射頻衰減器的值。

ii.DATA2－表示查詢衰減值時(shí)中頻衰減器的值。

控制界面如圖7。

圖7 軟件控制界面Fig.7 The control interface

4 初步觀測(cè)

2013年1月射電天文研究組聯(lián)合云南大學(xué)信息學(xué)院終端設(shè)計(jì)小組將模擬接收機(jī)＋后端信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)調(diào)，得到正確的信號(hào)觀測(cè)圖(圖8)。

圖8 軟件觀測(cè)界面Fig.8 The observation interface

5 總結(jié)與展望

為800～975 MHz波段設(shè)計(jì)的新觀測(cè)系統(tǒng)包括模擬接收機(jī)部分和數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，是太陽(yáng)射電觀測(cè)重要的補(bǔ)充波段，彌補(bǔ)了我國(guó)在這一觀測(cè)頻段領(lǐng)域的長(zhǎng)期空白。同時(shí)也是射電天文在強(qiáng)無(wú)線電干擾頻段進(jìn)行觀測(cè)的一次大膽嘗試，通過(guò)初步觀測(cè)證明系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的情況下，沒(méi)有出現(xiàn)飽和失真的情況并且能正常工作，這可以為目前飽受無(wú)線電干擾影響的射電天文觀測(cè)提供有益的思路。

[1] 施碩彪，董亮，高冠男，等.米波太陽(yáng)射電頻譜儀的科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)方案[J].天文研究與技術(shù)——國(guó)家天文臺(tái)臺(tái)刊，2011，8(3):229－235.

Shi Shuobiao，Dong Liang，Gao Guannan，et al.Scientific objectives and technical design of a meter-wave spectrometer for solar radio observation[J].The Astronomical Research and Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2011，8(3):229－235.

[2] Ludwig R，Bretchko P.射頻電路設(shè)計(jì)—理論與應(yīng)用[M].王子宇，張肇儀，徐承和，等譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

[3] 陳艷華，李朝暉，夏瑋.ADS應(yīng)用詳解:射頻電路設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:人民郵電出版社，2008.

Design of a High Dynamic Range Analog Receiver for Solar Radio Observation in 800MHz－975MHz

Dong Liang1，2，3，He Lesheng2，3，Shi Shuobiao1
(1.Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China，Email:dongliang＠ynao.ac.cn；2.Joint Laboratory of Information Technologies of Yunnan University and Yunnan Observatories，Kunming 650001，China；3.College of Information Science and Technology，Yunnan University，Kunming 650001，China)

In this paper we introduce the design of a high dynamic range analog receiver for solar radio observation in 800MHz－975MHz.The receiver is installed on the 10 meter solar radio telescope of the Yunnan Observatory.In the receiver system we adopt the RF-IF(Radio Frequency-Intermediate Frequency)two-stage amplification and step attenuators in a remote control mode.This allows us to easily control the gains of RF parts and IF parts of the system and to retrieve real-time gain values.The dynamic range of this receiver is from－30dB to＋25dB.Because of its high dynamic range the receiver system not only avoids any overflow inducted by strong Radio Frequency Interferences(including communication signals)，but also meets the conditions for observation of strong solar radio bursts，whose signals are usually thousands of times stronger than quiet-time signals.

Solar decimeter-wave radio observation in decimetric wave band；High dynamic range；Gain step control

P162.11

A

1672－7673(2014)02－0111－07

2013－05－02；

2013－05－20

董 亮，男，工程師.研究方向:射電天文技術(shù).Email:dongliang＠ynao.ac.cn