2GHz帶寬實(shí)時(shí)FFT頻譜儀系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種寬瞬時(shí)帶寬頻譜儀系統(tǒng)，特別是一種適用于毫米波亞毫米波天文的寬瞬時(shí)帶寬高頻譜分辨率全數(shù)字實(shí)時(shí)FFT頻譜儀系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]毫米波和亞毫米波天文主要的觀測(cè)內(nèi)容之一是譜線觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)毫米波和亞毫米波天文譜線觀測(cè)的后端頻譜儀主要有濾波器組頻譜儀FBS (Filter Bank Spectrometer)，聲光頻譜儀 AOS (Acousto-Optical Spectrometer,)，自相關(guān)頻譜儀 ACS (Auto Correlat1nSpectrometer)和 FFT 頻譜儀 FFTS (Fast Fourier Transform Spectrometer)。濾波器組頻譜儀前期采用的模擬濾波器組頻譜儀存在通道一致性差、鄰道串?dāng)_等缺點(diǎn)，且無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨頻譜分析。盡管后期濾波器組濾波器采用數(shù)字形式濾波器解決了響應(yīng)一致性問題，但實(shí)現(xiàn)窄通道特性(頻率分辨率)需要多級(jí)濾波系數(shù)才能實(shí)現(xiàn)，這對(duì)通道數(shù)在數(shù)千量級(jí)的頻譜處理應(yīng)用時(shí)，需占用非常大的硬件資源，結(jié)果是系統(tǒng)將變?yōu)榉浅?fù)雜；聲光頻譜儀采用集成機(jī)光電等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)中、窄帶高分辨頻譜處理，但其系統(tǒng)穩(wěn)定性受聲光偏轉(zhuǎn)器、CCD等模擬部件影響，Allan方差穩(wěn)定性時(shí)標(biāo)在幾十秒至百秒量級(jí)，非常不利于深度積分實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)檢測(cè)。另外，聲光頻譜儀包括光學(xué)部件、機(jī)械調(diào)整支架，以及模擬電學(xué)器件，這將存在系統(tǒng)體積較大，不易小型化集成，以及多部件同時(shí)工作功率消耗大，且對(duì)工作環(huán)境要求高等不足。數(shù)字自相關(guān)頻譜儀采用相關(guān)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的頻譜處理，在寬帶和頻率分辨率和穩(wěn)定性等方面優(yōu)于模擬濾波器組和聲光頻譜儀，采用多比特可以提高積分效率，但系統(tǒng)的復(fù)雜程度卻快速增加，硬件資源占用率也迅速提高。目前優(yōu)先選擇的2比特自相關(guān)頻譜儀的積分效率為0.88，用于深度積分的信號(hào)頻譜處理場(chǎng)合，仍是一個(gè)不可忽視的缺陷，數(shù)字自相關(guān)頻譜儀其Allan方差穩(wěn)定性時(shí)標(biāo)在百秒量級(jí)優(yōu)于模擬濾波器組頻譜儀和聲光頻譜儀，但深度積分能力仍舊不盡理想。
[0003]FFT頻譜儀利用高速數(shù)字采集新技術(shù)，直接對(duì)寬帶模擬信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)字化，并對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傅立葉變換的頻譜處理，其硬件架構(gòu)主要包括ADC采集硬件和FPGA硬件采集硬件，這將是系統(tǒng)高度集成變得非常簡(jiǎn)易。另外，由于FFT頻譜儀采用多比特(一般為4?10比特)數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，對(duì)寬帶模擬信號(hào)進(jìn)行高速采集和模數(shù)變換，因此其積分效率幾乎可以達(dá)到100%，同時(shí)采用全數(shù)字化頻譜處理技術(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好(Allan方差穩(wěn)定性時(shí)標(biāo)可以達(dá)到千秒量級(jí))，另外結(jié)合目前高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)和高速海量FPGA數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超寬帶寬及超高分辨率的FFT頻譜儀已經(jīng)成為可能。紫金山天文臺(tái)在前期已獲授權(quán)的發(fā)明專利《寬帶高分辨率快速傅立葉變換頻譜儀》(ZL200910027823.2)，其技術(shù)核心內(nèi)容主要基于商用的安捷倫6U工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集板卡AC240進(jìn)行創(chuàng)新開發(fā)構(gòu)成1GHz帶寬16k頻譜通道的實(shí)時(shí)FFT頻譜儀系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)以上濾波器組頻譜儀、聲光頻譜儀以及自相關(guān)頻譜儀存在的帶寬和分辨率，穩(wěn)定性以及積分效率以及系統(tǒng)集成等多方面的存在的問題，并在上述發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，提供瞬時(shí)帶寬(2GHz)和頻譜通道數(shù)(32k頻譜通道)均更大，性能更優(yōu)數(shù)字實(shí)時(shí)FFT頻譜儀系統(tǒng)，以適用于毫米波和亞毫米波天文觀測(cè)要求。
[0005]本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案:
[0006]—種2GHz帶寬實(shí)時(shí)FFT頻譜儀系統(tǒng)，包括:輸入阻抗匹配電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)輸出電路、數(shù)據(jù)輸出接口擴(kuò)展電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路及控制模塊；
[0007]輸入阻抗匹配電路與數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路依次電連接，數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路共用時(shí)鐘產(chǎn)生電路，數(shù)據(jù)處理電路分別與數(shù)據(jù)輸出電路、數(shù)據(jù)輸出接口擴(kuò)展電路電連接，數(shù)據(jù)傳輸電路與控制模塊電連接；
[0008]輸入阻抗匹配電路，是外部輸入射頻信號(hào)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADC之間的寬帶信號(hào)傳輸通道，其主要功能是實(shí)現(xiàn)射頻輸入信號(hào)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADC直接的阻抗匹配，以保證輸入信號(hào)的帶寬特性。本系統(tǒng)的輸入阻抗匹配電路前端采用無源T型電路，即兩側(cè)端口的輸入阻抗都是50歐姆，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配功能，降低輸入駐波比，以確保傳輸信道頻域響應(yīng)的平坦度要求，避免了有源電路帶來的信號(hào)失真問題。
[0009]數(shù)據(jù)采集電路的核心是高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADC電路。本系統(tǒng)涉及的ADC采樣率需要4GS/s(Giga Samples Per Second)，為確保輸入模擬信號(hào)的正確數(shù)據(jù)采集、模擬轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)的傳輸，在數(shù)據(jù)采集電路中，采用了高精度和高穩(wěn)定的采樣時(shí)鐘，以及精確延時(shí)補(bǔ)償設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸接口。為保證高速數(shù)據(jù)接口的時(shí)序可靠性，在數(shù)據(jù)傳輸接口中，加入精確延時(shí)補(bǔ)償，即所有信號(hào)和時(shí)鐘以步進(jìn)精度55ps進(jìn)行調(diào)整，并結(jié)合時(shí)序校準(zhǔn)設(shè)計(jì)，在硬件上電后自動(dòng)調(diào)整到最優(yōu)的接口時(shí)序，從而確保4Gbytes接口速度下的數(shù)據(jù)傳輸?shù)驼`碼率。
[0010]本系統(tǒng)中信號(hào)采樣由單一集成芯片的內(nèi)置四路ADC并行交織采樣以實(shí)現(xiàn)高速采樣率，為確保寬帶信號(hào)的高速采集數(shù)據(jù)輸出的正確性，在數(shù)據(jù)采集電路中，采用了內(nèi)置四路ADC的通道不一致性校準(zhǔn)技術(shù)，即系統(tǒng)采用底層驅(qū)動(dòng)軟件自校準(zhǔn)方式，對(duì)每一路ADC的偏置、增益、相位等參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償修正，具體是通過預(yù)先獲得每一路ADC的輸出數(shù)據(jù)，并對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合和頻譜分析，以獲得四路ADC輸出信號(hào)的差異，根據(jù)它們之間的差異，通過收斂步進(jìn)調(diào)整算法，反寫每一路ADC的參數(shù)補(bǔ)償值，最終提高各路ADC通道一致性，偏置誤差小于0.4mv，通道間增益誤差小于0.14%，通道間相位誤差小于llOfs。
[0011]數(shù)據(jù)處理電路，采用并行流水運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)處理。
[0012]所述數(shù)據(jù)處理電路，對(duì)數(shù)據(jù)采集電路內(nèi)的數(shù)據(jù)先進(jìn)行緩存，然后進(jìn)行16組2k點(diǎn)復(fù)數(shù)蝶形運(yùn)算，8組4k點(diǎn)復(fù)數(shù)蝶形運(yùn)算，4組8k點(diǎn)復(fù)數(shù)蝶形運(yùn)算，2組16k點(diǎn)復(fù)數(shù)蝶形運(yùn)算，1組32k點(diǎn)復(fù)數(shù)蝶形運(yùn)算，頻譜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)整，功率譜運(yùn)算，功率譜積分，32k點(diǎn)功率譜乒乓緩存輸出。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:在標(biāo)準(zhǔn)全長(zhǎng)全高PC1-E板卡中完成了包括數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、以及數(shù)據(jù)輸出電路等硬件模塊的系統(tǒng)一體化集成，在數(shù)據(jù)處理電路中內(nèi)置了實(shí)時(shí)FFTIP內(nèi)核，采用并行流水頻譜運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)寬瞬時(shí)帶寬(2GHz)、高頻率分辨率(61kHz)的實(shí)時(shí)信號(hào)頻譜處理。
【附圖說明】
[0014]附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中:
[0015]圖1是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0016]圖2是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的FFT IP內(nèi)核的原理示意圖；
[0017]圖3是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的控制應(yīng)用軟件流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]如圖1-3所示，本發(fā)明公開一種2GHz帶寬實(shí)時(shí)FFT頻譜儀系統(tǒng)，包括:包括:輸入阻抗匹配電路、數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)輸出電路、數(shù)據(jù)輸出接口擴(kuò)展電路、時(shí)鐘產(chǎn)生電路及控制模塊；
[0019]輸入阻抗匹配電路與數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路依次電連接，數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路共用時(shí)鐘產(chǎn)生電路，數(shù)據(jù)處理電路分別與數(shù)據(jù)輸出電路、數(shù)據(jù)輸出接口擴(kuò)展電路電連接，數(shù)據(jù)傳輸電路與控制模塊電連接；
[0020]數(shù)據(jù)處理電路，采用并行流水運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)處理。
[0021]數(shù)據(jù)處理電路，對(duì)數(shù)據(jù)采集電路內(nèi)的數(shù)據(jù)