新疆天文臺(tái)南山站DBBC2數(shù)字終端系統(tǒng)的建立*

楊文軍，楊 軍，江 悟，夏 博，李 健， 崔 朗，張 華，李 鵬，高志福

(1. 中國科學(xué)院國家天文臺(tái)新疆天文臺(tái)，新疆 烏魯木齊 830011；2. 查爾姆斯理工大學(xué)Onsala天文臺(tái)，瑞典 43992； 3. 中國科學(xué)院射電天文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；4. 中國科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030)

射電觀測(cè)由于信號(hào)頻率高、頻帶寬，一般要經(jīng)過下變頻為中頻，再分為若干一定帶寬的通道。VLBI網(wǎng)把完成這一數(shù)據(jù)采集過程的設(shè)備叫做基帶轉(zhuǎn)換器[1-2]。南山站目前擁有兩套上海天文臺(tái)生產(chǎn)的數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器(Chinese Data Acquisition System, CDAS)[3]和一套美國生產(chǎn)的模擬基帶轉(zhuǎn)換器。其中數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器主要用于國內(nèi)聯(lián)測(cè)和東亞聯(lián)測(cè)，模擬基帶轉(zhuǎn)換器主要用于歐洲VLBI網(wǎng)(The European VLBI Network, EVN)和IVS(International VLBI Service for Geodesy & Astrometry)國際聯(lián)測(cè)。2010年以后，國際許多臺(tái)站的模擬終端逐步更新為數(shù)字終端。當(dāng)前較為流行的是歐洲數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器，其中DBBC1系統(tǒng)主要是測(cè)試產(chǎn)品，未進(jìn)行推廣，而DBBC2系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于歐洲VLBI網(wǎng)天文觀測(cè)臺(tái)站。近幾年，DBBC3數(shù)字終端系統(tǒng)也已研制出來，它將應(yīng)用于歐洲VLBI網(wǎng)天體物理寬帶VLBI終端系統(tǒng)和測(cè)地VGOS(The VLBI2010 Global Observing System)超寬帶VLBI系統(tǒng)中*http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2015/。目前DBBC3數(shù)字終端系統(tǒng)已在瑞典Onsala VLBI測(cè)站進(jìn)行了測(cè)試并取得成功。南山站的模擬基帶轉(zhuǎn)換器建造于20世紀(jì)80年代末，使用至今已進(jìn)行過多次升級(jí)和改造，由于設(shè)備使用過久，許多器件早已停產(chǎn)，使得設(shè)備維護(hù)比較困難，維護(hù)成本也相對(duì)較高。另外，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展和天文觀測(cè)需求的提高，南山站的模擬基帶轉(zhuǎn)換器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足未來的天文觀測(cè)要求，為此南山站于2016年從意大利HAT-Lab s.r.l公司購進(jìn)了一套DBBC2數(shù)字終端系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過數(shù)月的檢測(cè)和調(diào)試后，與國內(nèi)和國際主要臺(tái)站開展了VLBI聯(lián)合觀測(cè)并成功相關(guān)出干涉條紋。實(shí)踐表明，DBBC2系統(tǒng)已完全能夠取代模擬基帶轉(zhuǎn)換器并參加未來國際和國內(nèi)的各項(xiàng)聯(lián)合觀測(cè)。

1 DBBC2系統(tǒng)基本原理和組成

DBBC2系統(tǒng)主要由模擬信號(hào)調(diào)節(jié)模塊、AD采樣器、數(shù)據(jù)處理模塊CORE、連接伺服器、FILA10G模塊、時(shí)序和時(shí)鐘板以及PC機(jī)組件等構(gòu)成。

中頻信號(hào)IF送到模擬信號(hào)調(diào)節(jié)模塊，經(jīng)濾波整形和增益控制后送到AD采樣器，變成數(shù)字信號(hào)后經(jīng)高速輸入模塊(High Speed Input, HSI)到數(shù)據(jù)處理模塊CORE，進(jìn)行數(shù)字下變頻(Digital Down Convert)，濾波變成數(shù)字基帶信號(hào)，最后經(jīng)高速輸出模塊(High Speed Output)和第2塊FILA板的VSI接口輸出。VSI接口可連接到Mark5B[1]數(shù)據(jù)記錄設(shè)備或連接到FILA10G模塊。 1 024 MHz頻率綜合器產(chǎn)生AD采樣器所需的采樣時(shí)鐘。 PC機(jī)組件接收FS計(jì)算機(jī)發(fā)送的命令，經(jīng)PCI總線控制DBBC2，原理如圖1。

圖1 DBBC2原理圖
Fig.1 DBBC 2Schematic Diagram

2 DBBC2結(jié)構(gòu)

DBBC2系統(tǒng)安裝在483 mm寬，370 mm高，500 mm深的機(jī)箱內(nèi)。在DBBC2前面板下邊，藍(lán)色指示燈表示主電源開關(guān)有效，如圖2。 在后面板上有多個(gè)連接器件和接口，其中在左下角有3個(gè)開關(guān)，1個(gè)大的，2個(gè)小的，大的作為普通主連接，2個(gè)較小的電源開關(guān)中，紅色按鈕開關(guān)用于電子設(shè)備供電，綠色按鈕開關(guān)用于內(nèi)部PC機(jī)系統(tǒng)供電。開機(jī)順序從左到右依次打開，關(guān)機(jī)順序正好相反，如圖3。

DBBC2內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括電子部分、PC部分、散熱系統(tǒng)和電源系統(tǒng)4部分，如圖4。

圖2 DBBC2前面板圖
Fig.2 Front panel picture of DBBC2

圖3 DBBC2后面板圖
Fig.3 Rear panel picture of DBBC2

圖4 DBBC2內(nèi)部機(jī)構(gòu)
Fig.4 The internal structure of DBBC2

3 DBBC2主要性能指標(biāo)

DBBC2主要性能指標(biāo)*http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2011/如表1。

表1 DBBC2性能指標(biāo)Table 1 Performance index of DBBC2

4 DBBC2軟件和觀測(cè)模式

DBBC2軟件*http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2015/是在Windows XP環(huán)境下運(yùn)行。其中DBBC2控制軟件在c:DBBCin目錄下，使用手冊(cè)在c:DBBCdoc目錄下，配置文本文件在c:DBBC_CONF目錄下，固件在c:DBBC_CONFFilesDBBC目錄下。主要軟件有DBBC2 Control DDC V105_1.exe和DBBC2 Control DDC V105E_1.exe等。觀測(cè)模式主要包括DDC和PFB模式。其中DDC是可調(diào)諧的，通道帶寬范圍在1～16 MHz，上下邊帶，持續(xù)的80 Hz同步校準(zhǔn)。觀測(cè)模式有g(shù)eo, astro, astro2, W-astro,VLBA和test。DDC模式中還包括DDC-E，它的帶寬可以達(dá)到32 MHz，可以用于astro3觀測(cè)模式。PFB模式是固定調(diào)諧，通道帶寬為32/64 MHz，都是上邊帶或下邊帶，主要取決于奈奎斯特分布。

5 系統(tǒng)建立和調(diào)試

5.1 硬件連接及自檢

(1)在DBBC2后面板上連接10 MHz信號(hào)，幅度為0 dBm左右，連接1PPS信號(hào)，將DBBC2輸出的VSI電纜線連接至Mark5B，接通220 V電源，將DBBC2接入VLBI終端系統(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)并配置IP地址。開機(jī)順序是先開DBBC2后面板左下的總電源，然后依次打開工控機(jī)電源和PC電源。

(2)在DBBC2的Windows桌面上運(yùn)行DDC軟件，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)硬件進(jìn)行配置，DBBC2內(nèi)的4片F(xiàn)PGA將編程并載入本振頻率，編程完成后，所有板卡上的LED燈都顯示同樣的圖案。觀察DBBC2前面板上的4列燈依次閃爍，最后以每秒1次的頻率同步閃爍，DBBC2系統(tǒng)加電正常，軟件工作正常。

(3)根據(jù)手冊(cè)說明編輯配置文件，為ADB選擇不同的中頻輸入，通過AGC進(jìn)行信號(hào)幅度的調(diào)整。在Windows XP桌面運(yùn)行DBBC client v4.exe程序，彈出客戶端窗口，在 “Enter Command：” 提示符下按照DBBC2手冊(cè)說明輸入相關(guān)指令檢測(cè)DBBC中頻功率幅度、帶寬、中頻衰減等狀態(tài)。

(4)Mark5B需要同步DBBC2經(jīng)VSI電纜線傳來的1PPS信號(hào)，在Mark5B上運(yùn)行tstDIM程序*http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2007/notebook.html ⑤https://deki.mpifr-bonn.mpg.de/GMVA/GMVA_HOWTO/DBBC2_calibration，參考Mark5B手冊(cè)在提示符下執(zhí)行時(shí)間同步指令。

5.2 時(shí)鐘校準(zhǔn)

由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)764 MHz的信號(hào)，幅度為-15 dBm左右。該信號(hào)經(jīng)過一個(gè)一分四的功分器輸出至DBBC2的后面板IFA1，IFB1，IFC1，IFD1，此時(shí)DBBC2內(nèi)部中頻濾波輸出所選取的都為2號(hào)濾波器(512～1 024 MHz)。時(shí)鐘校準(zhǔn)的具體步驟參考腳注⑤。

5.3 FS相關(guān)設(shè)置

(1) 修改FS計(jì)算機(jī)中/usr2/control/目錄下的 “dbbad.ctl” 文件，將DBBC2的IP寫入文件，端口號(hào)為4000。

(2) clock鐘差采集

觀測(cè)中需要格式器時(shí)鐘與全球定位系統(tǒng)時(shí)鐘比對(duì)值，修改FS計(jì)算機(jī)的/usr2/control目錄下的 ibad.ctl文件，定義C2的端口地址號(hào)為3，格式為C2=dev03, 0。在FS的operator窗口上運(yùn)行clock，驗(yàn)證讀取鐘差是否正常。

(3) 點(diǎn)噪聲控制

它主要用來控制接收機(jī)噪聲源[4]的開和關(guān)，進(jìn)而測(cè)試系統(tǒng)溫度。在天線測(cè)量[5]時(shí)需要進(jìn)行點(diǎn)噪聲控制。在FS計(jì)算機(jī)的/usr2/st/stqkr/目錄下的stqkr.c文件中設(shè)置控制點(diǎn)噪聲的串口端口，格式為：pcaltty_numb=“/dev/ttyr03”。重新編譯后，在FS的operator窗口上運(yùn)行cal=on和cal=off指令，驗(yàn)證通訊是否正常。

(4)equip.ctl文件修改

將文件中的機(jī)架類型選擇為dbbc，版本選擇為v105_1，Mark5B時(shí)鐘速率選擇為32，F(xiàn)iLa10G輸入選擇為vsi1。

5.4 互相關(guān)測(cè)試

2017年1月12日，南山站與昆明站和上海天馬站聯(lián)合進(jìn)行了S/X波段的條紋測(cè)試實(shí)驗(yàn)，成功獲得干涉條紋。2月23日和25日，南山站與歐洲VLBI網(wǎng)各臺(tái)站進(jìn)行了L波段的條紋測(cè)試實(shí)驗(yàn)，也成功獲得干涉條紋。3月21日南山站和天馬站都參加了歐洲VLBI網(wǎng)的gr039觀測(cè)，南山站同時(shí)使用了DBBC2和ABBC設(shè)備進(jìn)行記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，取了相同時(shí)間段的數(shù)據(jù)和上海天馬站進(jìn)行互相關(guān)，處理結(jié)果如圖5，其中圖5(a)為DBBC2的測(cè)試結(jié)果，圖5(b)為ABBC的測(cè)試結(jié)果，可以看出DBBC2結(jié)果明顯好于ABBC。4月3日南山站又和天馬站進(jìn)行了K波段條紋檢測(cè)實(shí)驗(yàn)并獲得較好的測(cè)試結(jié)果如圖6。通過國內(nèi)和國際聯(lián)合測(cè)試結(jié)果表明，南山站的DBBC2系統(tǒng)已成功建立。

圖5 DBBC2和ABBC處理結(jié)果對(duì)照?qǐng)DFig.5 Comparison diagram of DBBC2 and ABBC processing results

圖6 天馬-南山互相關(guān)圖
Fig.6 Cross-correlation diagram between TIANMA and NANSHAN

5.5 升級(jí)中遇到的問題

(1) DBBC2后面板沒有設(shè)計(jì)VSI連接端口，因此對(duì)連接在DBBC2內(nèi)部的VSI電纜線還需要做一些相應(yīng)的固定。

(2)收到設(shè)備時(shí)，機(jī)箱內(nèi)的FILAIN，ADB1/2，CORE和FILAOUT電路板之接的連接插頭和插座都處于斷開狀態(tài)。在把所有連接板接口連好并檢查無誤后，加電運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)軟件無法加載，通過設(shè)備指示燈無法判斷原因。經(jīng)過分析和判斷，軟件無法加載的原因是在各電路板之間的插頭和插座連接不夠緊密造成的，對(duì)其進(jìn)行緊固后，軟件加載正常。

(3)在最初的幾次測(cè)試中發(fā)現(xiàn)相關(guān)處理后的信號(hào)其信噪比較低，猜測(cè)是由于輸入信號(hào)幅度過低造成的。增加了DBBC2輸入端信號(hào)幅度后相關(guān)結(jié)果并未改善。通過反復(fù)分析和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)應(yīng)該降低DBBC2輸入端的信號(hào)幅度，因?yàn)榇藭r(shí)進(jìn)入DBBC2內(nèi)部的信號(hào)已經(jīng)處于接近飽和的狀態(tài)，這也是DBBC2和ABBC以及數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器在輸入信號(hào)幅度上的區(qū)別。

6 DBBC2中頻接線分配

當(dāng)DBBC2的所有測(cè)試正常后，新建立的系統(tǒng)就可以參加正式的國際和國內(nèi)聯(lián)測(cè)了，但需要提供本臺(tái)站接收機(jī)各波段信號(hào)在DBBC2上的中頻連接示意圖給制作綱要的相關(guān)人員，他們根據(jù)臺(tái)站提供的接線圖制定該臺(tái)站的觀測(cè)模式以及BBC的具體分配情況等等。 圖7為南山站DBBC2中頻接線圖。

圖7 南山站DBBC2連接圖
Fig.7 DBBC2 Connection diagram at Nanshan Station

7 結(jié) 論

隨著超大規(guī)模集成電路和軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，世界上開發(fā)的寬帶數(shù)字記錄終端——數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器已逐步取代了模擬記錄終端。與模擬設(shè)備相比，數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器性價(jià)比高、帶通特性好、穩(wěn)定性和可靠性指標(biāo)均優(yōu)于模擬設(shè)備[6]。對(duì)南山站引進(jìn)的DBBC2系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試后，證明其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求。通過對(duì)系統(tǒng)與國內(nèi)外主要臺(tái)站的聯(lián)合測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，證明其性能優(yōu)于原有的模擬基帶轉(zhuǎn)換器。在實(shí)際操作方面，該系統(tǒng)相比于模擬基帶轉(zhuǎn)換器也更加便捷。此次南山站DBBC2系統(tǒng)的成功建立，標(biāo)志著全球VLBI的模擬基帶轉(zhuǎn)換器時(shí)代已徹底終結(jié)。可以預(yù)見，在未來的VLBI聯(lián)測(cè)中，南山站的DBBC2系統(tǒng)將發(fā)揮更大的作用。

致謝：感謝云南天文臺(tái)昆明站和上海天文臺(tái)天馬站在南山DBBC2條紋測(cè)試中給予觀測(cè)支持；感謝上海天文臺(tái)工程師趙融冰和蔣甬斌以及新疆天文臺(tái)工程師李光輝在軟件控制方面給予幫助；感謝新疆天文臺(tái)工程師陳勇、劉烽和李笑飛在設(shè)備硬件測(cè)試過程中給予幫助。

[1] 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)——國家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2012, 9(4): 374-381.

Yang Wenjun, Hao Longfei. Development history and future prospects of VLBI terminals[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2012, 9(4): 374-381.

[2] 張碧娟, 吳亞軍, 于威, 等. 一種VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器的閾值計(jì)算方法及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2013, 10(3): 219-226.

Zhang Bijuan, Wu Yajun, Yu Wei, et al. A method of calculating the quantization threshold for a VLBI DBBC and its FPGA implementation[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2013, 10(3): 219-226.

[3] 朱人杰, 張秀忠, 韋文仁, 等. 我國新一代VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器研制進(jìn)展[J]. 天文學(xué)進(jìn)展, 2011, 29(2): 207-217.

Zhu Renjie, Zhang Xiuzhong, Wei Wenren, et al. The progress of modern Chinese data acquisition system[J]. Progress in Astronomy, 2011, 29(2): 207-217.

[4] 吳亞軍, 劉慶會(huì), 李娟, 等. 上海天文臺(tái)65米射電望遠(yuǎn)鏡譜線觀測(cè)及數(shù)據(jù)校驗(yàn)[J]. 天文研究與技術(shù), 2017, 14(1): 1-7.

Wu Yajun, Liu Qinghui, Li Juan, et al. Spectral line observation and data calibration of Tianma 65m radio telescope[J]. Astronomical Research & Technology, 2017, 14(1): 1-7.

[5] 項(xiàng)斌斌, 劉志勇, 楊文軍. 基于FS系統(tǒng)對(duì)烏魯木齊射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行天線測(cè)量[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2014, 11(4): 343-349.

Xiang Binbin, Liu Zhiyong, Yang Wenjun. Antenna measurement of Urumqi VLBI radio telescope with field system[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2014, 11(4): 343-349.

[6] 洪曉瑜, 曹凝. VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器 (DBBC) [J]. 中國科學(xué)院院刊, 2011, 26(5): 593-596.

Hong Xiaoyu, Cao Ning. VLBI Digital Base Band Convert[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2011, 26(5): 593-596.