深空測控VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器發(fā)展現(xiàn)狀研究*

魏紹杰， 侯孝民， 馬 宏， 廉 昕， 姜 坤

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

引 言

甚長基線干涉測量VLBI(Very Long Baseline Interferometry)是20世紀60年代后期發(fā)展起來的射電干涉測量新技術(shù)[1]，它是當前天文觀測使用的一項高分辨率、高測量精度的觀測技術(shù)，在天體物理、大地測量、地球物理、深空探測等方面應(yīng)用極為廣泛[2]。簡單地說，VLBI就是把幾個小望遠鏡聯(lián)合起來，達到一架大望遠鏡的觀測效果。經(jīng)過50多年的發(fā)展，VLBI技術(shù)已經(jīng)成為當代角分辨率最高、定位精度最好的天文觀測技術(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題。現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展推動了VLBI基帶轉(zhuǎn)換器的升級換代。2004年，IVS(International VLBI Service for Geodesy＆Astrometry)提出了VLBI2010計劃[4～6]，對VLBI系統(tǒng)進行改造升級，實現(xiàn)了更高的測量精度。其在基帶轉(zhuǎn)換器方面，提出設(shè)計新的DBBC(Digital BBC)來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:①穩(wěn)定一致的性能;②低成本;③更強的靈活性;④易于升級;⑤開發(fā)周期短。現(xiàn)在各國都已開始了新的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，兩測站接收觀測目標同一波前的時間差τg為

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

一個完整的VLBI系統(tǒng)由兩個或兩個以上接收系統(tǒng)和一個數(shù)據(jù)處理中心組成，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。觀測數(shù)據(jù)信號經(jīng)天線由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集下來，經(jīng)過基帶轉(zhuǎn)換、幀格式編輯等處理后，記錄在存儲介質(zhì)中，再通過事后回放交由數(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，經(jīng)射頻接收機變?yōu)槟M中頻信號，經(jīng)由模擬單元自動增益控制器(AGC)進行幅度調(diào)整，送往數(shù)字單元。數(shù)字單元首先對信號進行數(shù)字化，通常以氫原子鐘的信號作為頻標(5MHz)，通過頻率綜合器生成高頻的采樣時鐘，作為數(shù)字單元高速ADC的采樣時鐘。量化所得數(shù)字信號送往數(shù)字下變頻器進行數(shù)字下變頻，再經(jīng)過數(shù)字濾波，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[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)換信號處理流程如圖4所示。

圖4 正交混頻的基帶轉(zhuǎn)換信號處理流程

由圖4可知，正交混頻數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換法首先需要對模擬中頻信號進行數(shù)字化采樣，然后通過數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生正交的本振信號，通過對采樣信號的混頻，實現(xiàn)采樣信號的正交下變頻，最后利用多級濾波抽取實現(xiàn)輸出信號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，可以通過不同的濾波器設(shè)計，實現(xiàn)多種基帶信號輸出。

圖5 PFB信道化基帶轉(zhuǎn)換信號處理流程

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)換法首先對中頻模擬信號進行數(shù)字化采樣，然后通過串并轉(zhuǎn)換實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)流的分路處理，經(jīng)過各支路的分支濾波和DFT變換，實現(xiàn)多路等帶寬基帶信號的輸出。PFB法具有實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、計算效率高的優(yōu)點，能夠同時得到多路基帶信號輸出。

在數(shù)據(jù)記錄格式方面，國際上主要采用MARK 5B格式，廣泛應(yīng)用于射電天文等領(lǐng)域;在深空探測領(lǐng)域，主要利用ΔDOR測量，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)布的標準格式。由于每次觀測的各通道數(shù)據(jù)都會單獨產(chǎn)生一個產(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是深空測控VLBI數(shù)據(jù)記錄格式的發(fā)展趨勢。

3 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器發(fā)展現(xiàn)狀

目前，進行數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器研究的國外主要機構(gòu)有美國麻省理工學院(MIT)Haystack天文臺、美國NASA深空網(wǎng)(DSN)、美國 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。國內(nèi)主要研究機構(gòu)有中科院上海天文臺、裝備學院等?，F(xiàn)對各機構(gòu)研制的VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器一一介紹。

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

3.1.1 美國MIT Haystack天文臺的DBE

DBE(Digital Backend)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器輸入通道個數(shù)為2路，采樣頻率為1.024GHz，量化位數(shù)為2bit，輸入信號帶寬為512MHz，輸出通道個數(shù)為16路，每個通道帶寬為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DBE系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1.2 美國NARO和Haystack天文臺的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2路512～1024MHz中頻模擬信號進行采樣，采樣頻率為1.024GHz，量化位數(shù)為8bit，輸出通道個數(shù)為16路，每個通道帶寬為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NASA深空網(wǎng)(DSN)的WVSR

WVSR(寬帶VLBI科學接收機)主要應(yīng)用于ΔDOR(Delta Differential One-way Ranging)測量，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4路10～630MHz中頻模擬信號(中心頻率320MHz)進行采樣，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帶寬頻帶進行基帶轉(zhuǎn)換?；鶐л敵鲂盘枮閺?fù)信號，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，帶寬為1～100kHz，量化位數(shù)為1～16bit可選。射電源信號通常用寬帶輸出，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進行采樣，對應(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，最大輸出通道個數(shù)為 64 路，通道帶寬為 16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz、500kHz、250kHz且?guī)捒蛇x，步進10kHz，最大輸入信號速率大于34Gb/s，最大輸出信號速率為8.192Gb/s，記錄格式為MARK 5B，可通過對FPGA CORE模塊的重新配置實現(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

歐空局的無線電科學觀測和△DOR觀測都基于IFMS(Intermediate Frequency and Modem System)硬件平臺[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路任意頻點信號的同時接收，輸出信號帶寬為1kHz～2MHz，量化位數(shù)1～16bit可選，具備多普勒頻移補償功能，不同通道之間的時標同步精度優(yōu)于1ns。IFMS主要由一個高速公共前端HS-CFE(High-Speed Common Front End)、若干個通用數(shù)字信號處理器GDSP(Generic Digital Signal Processor)以及一個B碼時組成，其實現(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系列器件進行數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換，用VSI-H標準接口進行數(shù)據(jù)傳輸;另一種為K5/VSSP或K5/VSSP32系統(tǒng)，利用IP-VLBI采樣器實現(xiàn)，主要用于大地測量。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大地測量;ADS3000是ADS1000的升級產(chǎn)品，單通道輸入，采樣率為2.048GHz，量化位數(shù)為8bit，能夠通過FPGA的重新配置，實現(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)計輸入通道個數(shù)為2路或4路，采樣率最高可達4.096GHz，量化位數(shù)為8bit，采用更加強大的FPGA(Xilinx Virtex-5)，能夠通過FPGA進行數(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 中科院上海天文臺的CDAS

中科院上海天文臺對數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的研究在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，其研制的CDAS(Chinese Digital Acquisition System)已經(jīng)裝配在中國的四個VLBI站(北京、上海、昆明、烏魯木齊)。CDAS輸入通道個數(shù)為4路，輸入信號帶寬為512MHz/1024MHz可選，采樣頻率為1.024GHz/2.048GHz可選，輸出通道個數(shù)為 32 路，輸出信號帶寬為 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 裝備學院的CDBE

我院測量控制教研室也對數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器進行了研究，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)換器對比分析

現(xiàn)對上述幾種VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的各項指標進行全面的對比，如表2所示。

表2 各機構(gòu)DBBC指標對比

由表2可知，各機構(gòu)數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器都各具特點。除DBE、RDBE、CDBE為2路模擬輸入外，其余均可進行4路中頻模擬輸入，ESA的IFMS最多可支持8路中頻模擬輸入;采樣頻率基本都達到1.024GHz(IFMS除外)，DBBC2和 CDAS最高可達2.048GHz，而日本的K5系統(tǒng) ADS3000+的采樣率最高可達4.096GHz;量化位數(shù)除DBE為2bit外，其余均為8bit;輸出通道個數(shù)都達到了16個(IFMS除外)，歐洲EVN的DBBC2輸出通道個數(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DSN的WVSR和歐洲ESA的IFMS支持RDEF格式外，其余機構(gòu)產(chǎn)品均支持MARK 5B格式，而裝備學院的CDBE可兼容RDEF和MARK 5B格式，便于國際合作聯(lián)合觀測。

對比可知，美國在數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器研究方面起步早，處于領(lǐng)先位置，在針對天文、測地、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和裝備學院CDBE也達到了國際一流水平，其中，CDBE同時兼容RDEF和MARK 5B格式，已多次參與國際聯(lián)合觀測，并在嫦娥3號系列任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。

5 結(jié)束語

本文介紹了數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的基本原理，并對當前國際上主要的VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器進行全面的對比分析。隨著各國在深空領(lǐng)域的不斷探索，為滿足深空測控更加苛刻的要求，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。目前各國都在積極研制自己的深空測控通信系統(tǒng)，尤其是數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器部分。我國在深空探測領(lǐng)域起步較晚，但發(fā)展迅速，今后應(yīng)當繼續(xù)緊追國際前沿，不斷提高自身的深空測控水平，增強自身實力，進一步加強國際間合作，力爭在深空探測領(lǐng)域取得一席之地。

[1]張彥芬，蘇利娜，王 力.VLBI技術(shù)的發(fā)展與展望[J].北京測繪，2010(4):23～25.

[2]楊文軍，郝龍飛.VLBI終端系統(tǒng)的發(fā)展歷史和未來展望[J].天文研究與技術(shù)，2012，9(4):374～380.

[3]羅近濤，等.VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器測試進展[J].天文研究與技術(shù)，2010，7(3):214～221.

[4]Gino Tuccari，Alan Whitney，Hans Hinteregger，et al.IVS-WG3 Report on the Backend System[R].IVS Memorandum 2006-003v01，2004.

[5]Bill Petrachenko.VLBI2010 Digital Back End(DBE)Requirements[R].IVS Memorandum 2008-014v01，2008.

[6]馬高峰.VLBI2010與GNSS聯(lián)合數(shù)據(jù)分析理論及方法研究[D].解放軍信息工程大學博士學位論文，2011.

[7]林克雄.甚長基線射電干涉測量技術(shù)[M].北京:宇航出版社，1985.

[8]Dan Smythe，Sheperd Doeleman.Haystack DBE Program[R].EVN TOG Meeting，2006.

[9]Chet Ruszczyk.VLBI 2010 Using the RDBE and Mark 5C[R].7th IVS General Meeting，2012.

[10]Thornton C L，Border J S.Radiometric Tracking Techniques for Deep-Space Navigation[M].California:Deep-Space Communications and Navigation Systems Center of Excellence Jet Propulsion Laboratory California Institute of Technology，2000:65～66.

[11]A Wideband Very-Long Baseline Interferometry[R/OL].DSMS Telecommunications Link Design Handbook，810-005.April 15，2011，http://deepspace.jpl.nasa.gov/dsndocs/810-005/211/211A.pdf.

[12]TOG Workshop DBBC[R].EVN TOG Workshop，Onsala，2012.

[13]Roberto Madde，Trevor Morley，Marco Lanucara，et al.A Common Receiver Architecture for ESA Radio Science and Delta-DOR Support[J].Proceedings of the IEEE，2007，95(11):2215～2223.

[14]Mamoru Sekido，Yasuhiro Koyama，Tetsuro Kondo.Introduction to the K5 System[R].TOW 2009 class note，2009.

[15]Zhang Xiuzhong，Shu Fengchun，Xiang Ying.VLBI Technology Development at SHAO[C].IVS 2010 General Meeting Proceedings，383 ～387.

[16]姜 坤.深空測控VLBI全頻譜數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換方法設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2011，51(12):20～26.