应用于射电天文的高速宽带频谱仪设计

摘要

目前射电频谱仪已发展成为射电天文观测的重要仪器，在对脉冲星观测、日冕物质抛射、星系谱线红移等的研究中都发挥着极其重要的作用，同时也为搜寻地外文明、探索未知星体等课题提供了强有力的工具。不断增长的天文观测需求对频谱仪提出了更高的要求，需要在更大带宽、更高频率分辨率、更高时间分辨率条件下完成频谱数据的实时处理与连续记录，所以对高速宽带频谱估计系统的研究具有重要的理论意义与应用价值。
　　本文分析研究了国内外射电频谱分析设备的发展现状，并结合射电天文观测中高速、宽带、高频率分辨率、高时间分辨率、实时处理与连续记录等方面的需求，对射电频谱分析仪进行了研究与设计。本文在ADC、FPGA、ARM三块板卡组成的软件无线电通用硬件平台上，完成了射电频谱仪FPGA设计，主要包括数据输入接口模块、傅里叶变换模块、巴特利特周期图模块、ARM控制模块以及千兆以太网口模块这五个关键模块。其中，数据输入接口模块通过IDDR等技术完成2.4 GSps高速采集信号的8路串转并工作，并使用IDELAY技术补偿高频时钟下由于布线差异带来的相位延迟;结合基4蝶形运算和N点复数序列计算2N点实数序列相关算法，采用组合FFT高速并行结构完成共计32K通道的傅里叶变换，大幅节省了FPGA硬件资源;使用巴特利特平均周期图法计算功率谱数据，根据用户设定的参数对功率谱数据进行累加、增益控制、位选择等操作;ARM控制模块通过GPIO接口与AHB总线，完成对ADC、FPGA等芯片的初始化及参数配置等工作;通过“请求-确认”握手机制完成数据跨时钟域的高速传递，并使用GMII接口将频谱数据通过千兆以太网MAC层发送至数据存储计算机记录，从而保证脉冲星观测应用中所需的高时间分辨率参数。
　　本文完成了整套射电频谱分析系统的设计，并进行了实际测试，测试结果验证了系统的正确性。各性能参数表明，本系统满足了射电天文观测的需求，达到了设计的目标。

目录

声明

摘要

插图

表格

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外发展动态

1．3 论文主要内容及章节安排

第2章 高速宽带频谱仪理论分析

2．1 功率谱估计

2．1．1 射电天文功率谱估计

2．1．2 功率谱估计的发展

2．1．3 经典功率谱估计

2．2 傅里叶变换

2．2．1 傅里叶变换基础

2．2．2 基4快速傅里叶变换

2．2．3 实数序列FFT运算设计

2．3 FFT高速并行算法设计应用

2．4 本章小结

第3章 高速宽带频谱仪系统设计

3．1 系统需求分析

3．2 硬件平台介绍

3．2．1 SEU_RSR系统结构

3．2．2 ADC模块

3．2．3 FPGA模块

3．2．4 ARM模块

3．3 系统总体结构与FPGA设计

3．3．1 数据输入接口模块

3．3．2 傅里叶变换模块

3．3．3 巴特利特周期图模块

3．3．4 ARM控制模块

3．4 本章小结

第4章 千兆以太网通信端口设计

4．1 以太网技术基础

4．2 物理层接口设计

4．3 MAC层接口设计

4．3．1 MAC核

4．3．2 MAC核封装

4．4 接收存储程序设计

4．5 本章小结

第5章 系统调试与测试

5．1 系统搭建

5．2 使用流程

5．3 系统调试

5．3．1 ADC调试

5．3．2 网络包速率调试

5．4 系统测试

5．5 系统资源占用情况与功耗分析

5．6 系统应用与性能指标

5．7 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文