的滤波器选择基于 FIR设计的多相滤波器组(PFB)，通道数与FFT-致，设置为4096，taps为4,本系统使用窗函 数法设计FIR低通滤波器，布莱克曼窗边瓣峰值最小，但主瓣较宽，汉宁窗和汉明窗主瓣较 窄，但汉宁窗边瓣峰值最大，本系统选汉明窗作为FIR滤波器设计的窗函数。
[0024] 多相滤波器模块设定输入位宽为12位，通过计算可知模块的输出位宽为15.4 位，傅里叶变换模块输出位宽为21.4位时满足不增加整个系统的信噪比的基本要求，因此 本系统设置PFB模块的输出位宽为16位，FFT模块的输出位宽为22位。
[0025] FFT采用实数快速傅里叶变换模块，输出数据只选取实数部分，数据量减少一半， 通道数设置为4096，则系统的频率分辨率为781250化。数据从FFT模块输出后，需要数字功 率检波，即将数字信号平方后经过积分得到信号的功率信息，主要有平方模块和累加模块 组成，累加次数是上位机可控，取值10000次，积分时间为12.8ms"FPGA控制处理单元的实现 采用MATLAB软件的SIMULINK工具仿真及实现，再使用ISE软件的System Generator工具生 成黑盒子文件，在ISE软件中运行。
[00%] 本设计中所选的FPGA忍片XC6VLX240T是Xilinx公司生产的Vbtex6系列一款高性 能的可编程逻辑器件，逻辑单元高达241152个，1块RAM最大容量高达1497服b，分布式RAM最 多有3650肺，因此在FPGA内部配置2个缓冲区，即图上所示的Ping-Pong RAM，在硬件上采用 双端口的SRAM单元，采用Ping-Pong方式操作，首先通过控制信号将待存储数据送到Ping-RAM中，存满后发出存满信号，通知W太网将存满的数据传输出去，同时待存储的数据存储 至化ong-RAM中，直到其发出存满信号，通知W太网可W取走数据，待存储数据又重新存储到 Ping-RAM中去，循环往复交替存储，直到数据完整传送出去。
[0027] 数据传输单元4主要指W太网传输模块，大量数据经过高速采集，并经过FPGA控制 处理单元3上处理后，必须要及时传输出去及存储，W备后面科研工作所需。如图4所示，该 单元包括Ping-Pong RAM,GTX高速串行收发器，输出控制单元，PHY收发器W及SFP+光模块。
[0028] 数据经过FPGA控制处理单元3处理后，存储在RAM中，等待输出控制单元命令GTX 高速串行收发器将数据取走并传输至PHY收发器、及SFP+光模块。SFP+光模块和PHY收发器 是实现该IOGW太网光接口的硬件设备。SFP+光模块是采用SFP+接口的光纤模块，主要由光 电子器件、功能电路及光接口等组成，实现所传输信号的光电转换。PHY收发器是物理层忍 片，主要作用是提供W太网输入通道。GTX高速串行收发器是Xilinx公司在Vbtex6系列忍 片上集成的专用串行通信模块，每块Vbtex6型的FPGA忍片中含有24个Cl'S收发器模块，本 设计通过使用4个GTX高速串行收发器来实现10化/s的高速传输。每一个GTX核中包含一个 接收链路和一个发送链路，工作方式为全双工工作方式。数据传输单元4工作时钟为 156.25MHz，传输位宽为64比特，每个数据包的长度最大设置为1488字节。该单元利用ISE软 件中的系统自带的IP核生成，Verilog语言编程执行。
[0029] W太网功能模块已经集成在了CRA肥板的尾板上，一共有12个接口，本系统可根据 需要选择合适数量的接口并行输出，接收端的电脑只需配置好SFP+接口的W太网卡，并与 服务器集群相连，便可将数据高速存储到服务器上。
[0030] 本发明射电天文望远镜高速数据采集系统的参数设置表如下：
【主权项】
1. 射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，该系统包括： 模拟前端单元，接收望远镜收集的微弱有效信号，并将其转换成高性噪比的中频信号； 模数A/D转换单元，接收上述中频信号，并将中频模拟信号转换为数字信号； FPGA控制处理单元，将上述数字信号进行预处理，形成经过数字功率检波的频域信号； 数据传输单元，将最终的数据高速输出至外部服务器上。2. 如权利要求1所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述模拟前端 单元包括放大器、滤波器、衰减器和混频器，所述有效信号通过放大器将模拟信号放大足够 的倍数，再通过滤波器和衰减器减掉明显的噪音成分，最后通过混频器将信号频率转换成 高性噪比的所述中频信号。3. 如权利要求1所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述模数A/D 转换单元将所述中频信号进行采样处理、量化处理和编码处理，转化为所述数字信号。4. 如权利要求3所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述采样处理 采用模拟信号输入，3.2GHz采样率的交织采样模式。5. 如权利要求1所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述FPGA控制 处理单元包括多相滤波模块、傅里叶转换模块、数字功率检波模块和输出缓存模块。6. 如权利要求5所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，通过所述多相 滤波模块进行多通道信号的并行滤波，所述多相滤波模块与里叶转换模块的通道数一致， 设置为4096, taps为4。7. 如权利要求5所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述多相滤波 模块的输出位宽为16位，所述里叶转换模块的输出位宽为22位。8. 如权利要求5所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述输出缓存 模块包括2个缓冲区:Ping-RAM、Pong-RAM，待存储数据先送到Ping-RAM中，存满后发出存满 信号，通知以太网将存满的数据传输出去；同时待存储的数据存储到Pong-RAM中，直到其发 出存满信号，通知以太网取走数据，待存储数据又重新存储到Ping-RAM中去，循环往复交替 存储。9. 如权利要求1所述的射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于，所述数据传输 单元包括Ping-Pong RAM，4组GTX高速串行收发器，输出控制单元，PHY收发器以及SFP+光模 块，可实现l〇G/s的高速传输。
【专利摘要】本发明公开了一种射电天文望远镜高速数据采集系统，其特征在于结合了高性能的模数转换模块与高速以太网传输模块，实现了望远镜的数据高速采集与传输要求，并且能够实时对数据做频谱处理，包括：模拟前端单元，接收望远镜收集的微弱有效信号，并将其转换成高性噪比的中频信号；模数A/D转换单元，接收上述中频信号，并将中频模拟信号转换为数字信号；FPGA控制处理单元，将上述数字信号进行预处理，形成经过数字功率检波的频域信号；数据传输单元，将最终的数据利用10G以太网高速输出至外部服务器上。本发明搭建了一个高速的天文数据采集平台，可满足射电天文数据高速、高质量、稳定可靠的采集需求。
【IPC分类】H04B1/10, H04B1/04, H04B1/18, H04B1/00
【公开号】CN105577197
【申请号】CN201610068255
【发明人】俞欣颖, 张夏, 张馨心, 段然, 李菂
【申请人】中国科学院国家天文台
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年2月1日