宽带实时脉冲星数字接收机关键技术研究

摘要

脉冲星是高速旋转的中子星，它的发现为射电天文的研究开辟了崭新的研究领域。脉冲星数字终端是脉冲星观测和搜索的重要仪器，也为天体谱线的观测、搜寻太阳系系外行星等课题提供了强有力的工具。随着对脉冲星等射电天文研究的不断深入，对脉冲星观测设备也提出了更高的要求，需要在更宽带宽、更高时间分辨率和更高频率分辨率条件下完成脉冲星信号的高速实时处理和数据的连续记录。本文针对这些要求，对宽带实时脉冲星数字终端关键技术展开研究，并结合实际观测，研制了基于软件无线电的不同带宽的脉冲星数字终端样机。本文主要研究内容如下:
　　(1)对多相离散傅里叶变换PDFT(Polyphase Discrete Fourier Transform)滤波器组和加权叠加WOLA(Weighted Overlap-Add)滤波器组宽带信号子带分解算法展开了研究，并针对PDFT和WOLA滤波器组算法的特点，提出了改进的IWOLA(Improved WOLA)滤波器组的宽带信号通道化处理算法，解决系统设计时FPGA硬件资源不足的问题，使得各子带的后续处理一致。利用MATLAB仿真分析了IWOLA与WOLA滤波器组的通道特性。讨论了IWOLA滤波器组算法在射电天文观测中的应用，并详细分析和比较了IWOLA组合架构和WOLA组合架构及组合复FFT算法对FPGA硬件资源的消耗情况。IWOLA组合架构比WOLA组合架构和组合复FFT算法节省了更多片上RAM资源。
　　(2)在研究了直接消色散、树消色散和子带消色散等脉冲星非相干消色散算法的基础上，提出了分级子带非相干消色散算法，利用MATLAB对算法进行了性能仿真。分级子带非相干消色散算法不需要额外的片上RAM资源，同时缓解了数据输出接口的压力，在保证频率分辨率的前提下，提高了系统的时间分辨率。然后利用Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端硬件平台设计了脉冲星分级子带非相干消色散系统，使系统实现部分硬件消色散，并降低数据输出率，减小了软件消色散的数据处理量。
　　(3)详细分析了脉冲星数字终端的系统需求，然后提出并实现了Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端的系统设计方案，并以此为基础，提出了Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端的系统设计方案，使系统具有处理能力强、体积小、功耗低和便于扩展的优点。Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端比Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端具有更好的性能和更丰富的硬件资源。在基于Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端的硬件平台基础上，提出了4GHz带宽脉冲星数字终端的系统设计方案。
　　(4)基于Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端的硬件平台设计并实现了从140MHz到1.2GHz多个不同带宽、不同时间和频率分辨率的脉冲星非相干消色散系统的FPGA和相应控制软件设计，包括基于高速数字下变频(DDC)算法的300MHz和140MHz带宽系统，基于WOLA滤波器组算法的带宽为150MHz、时间分辨率为0.2ms和0.1ms的系统，基于组合复FFT高效算法的600MHz和1.2GHz带宽系统。然后通过比较基于高速DDC算法的脉冲星数字终端对FPGA硬件资源的消耗，分析了基于WOLA滤波器组算法的脉冲星数字终端对FPGA硬件资源的节省量。
　　(5)优化了基于Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端硬件平台的单通道高频率分辨率宽带谱分析系统的设计，使硬件平台的处理能力更强，并验证了系统的性能。
　　本文致力于宽带脉冲星数字终端关键技术研究，完成了Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端的系统设计与实现，并利用天文台对Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端从140MHz到1.2GHz各个带宽的系统进行了大量脉冲星观测，验证了系统的正确性和性能。到目前为止，总计观测了超过100颗脉冲星，观测的脉冲星周期达几个毫秒，脉冲星辐射流量可低至3mJy，系统最高时间分辨率为0.1ms，单次观测时，脉冲TOA的误差约为1μs。本文的宽带脉冲星数字终端的设计与实现为我国利用完全自主研制的脉冲星射电天文设备进行脉冲星观测研究积累了直接经验和提供了技术支撑。

目录

声明

摘要

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表格

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文主要内容与章节安排

参考文献

第2章 脉冲星信号处理相关理论

2．1 脉冲的射电辐射

2．1．1 灯塔效应

2．1．2 平均轮廓

2．1．3 流量密度谱

2．2 星际介质对脉冲星信号的影响

2．2．1 色散

2．2．2 闪烁

2．2．3 散射

2．3 消色散

2．3．1 非相干消色散

2．3．2 相干消色散

2．4 折叠

2．5 本章小结

参考文献

第3章 多采样率信号处理及宽带谱估计算法研究

3．1 高速数字下变频算法研究

3．1．1 正交数字下变频原理与结构

3．1．2 数字控制振荡器

3．1．3 整数倍抽取

3．1．4 多相抽取滤波器

3．2 经典功率谱估计

3．2．1 周期图法

3．2．2 Bartlett平均周期图法

3．3 组合复FFT宽带信号实时功率谱估计

3．4 本章小结

参考文献

第4章 射电天文宽带信号通道化处理算法研究

4．1 PDFT滤波器组算法

4．2 WOLA滤波器组算法

4．3 IWOLA滤波器组算法

4．4 IWOLA滤波器组的组合架构对资源消耗的分析

4．4．1 WOLA和IWOLA组合架构在小的D和K时的资源消耗

4．4．2 WOLA和IWOLA组合架构的资源消耗与D和K呈函数关系

4．4．3 IWOLA组合架构与组合复FFT算法对FPGA资源占用的比较

4．5 IWOLA滤波器组在射电天文观测的应用

4．6 本章小结

参考文献

第5章 脉冲星非相干消色散算法研究

5．1 直接消色散算法

5．2 树状消色散算法

5．3 子带(Sub-band)消色散算法

5．4 分级子带消色散算法

5．5 本章小结

参考文献

第6章 脉冲星数字终端系统架构研究

6．1 系统需求分析

6．2．1 Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端的系统架构

6．2．2 系统硬件模块设计

6．3 基于Xilinx Virtex-6架构的系统方案设计

6．3．1 Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端系统硬件架构

6．3．2 系统硬件模块设计

6．4 4 GHz带宽脉冲星数字终端方案设计

6．5 本章小结

参考文献

第7章 脉冲星数字终端的FPGA与软件设计

7．1 典型的脉冲星观测系统

7．2 Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端信号处理流程

7．2．1 系统信号处理流程

7．2．2 基于组合复FFT的信号处理结构

7．2．3 基于DDC的信号处理结构

7．2．4 基于WOLA滤波器组的信号处理结构

7．3 各带宽系统中核心算法模块的FPGA设计与实现

7．3．1 组合复FFT模块

7．3．2 高速DDC模块

7．3．3 WOLA滤波器组模块

7．4 各带宽系统中通用模块的FPGA设计与实现

7．4．1 ADC与FPGA接口

7．4．2 Bartlett平均周期图法模块

7．4．3 增益控制模块

7．4．4 PCI总线接口逻辑模块

7．4．5 对时模块

7．5 Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端系统资源消耗

7．6 Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端系统控制软件设计

7．7 Xilinx Virtex-6架构脉冲星系统的FPGA设计与实现

7．8 Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端系统控制软件设计

7．9 本章小结

参考文献

第8章 Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端调试与测试

8．1 系统搭建

8．2 Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端系统调试

8．3 现场测试

8．4 本章小结

第9章 总结与展望

9．1 全文总结

9．2 工作展望

攻读博士学位期间己发表论文目录

致谢