基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及射电天文中6GHz以下厘米-分米波段内窄带谱线频谱分析观测领域， 尤其适合于工作于L-C波段大型望远镜对脉泽、分子谱线的观测要求。 技术背景
[0002] 微波谱线在射电天文观测中具有举足轻重的地位，可用于诊断相关天体的基本物 理及化学条件，如激发温度、粒子密度、物质运动区的速度场、磁感应强度及各种元素的化 学丰度等。通过观测获得分子云及恒星形成区的谱线数据后，可以通过适当的近似方法来 求解统计平衡辐射转移方程，从而获得天体的各种信息。
[0003] 通过对分子谱线的观测，将使得我们能够研究包括恒星形成区早期、恒星演化晚 期、超新星爆炸(超新星遗迹）、行星状星云、彗星、河外星系等一系列的天文学现象。对它们 在C波段谱线的观测研究，关联了很多研究内容，例如：（1)基于6.7GHz甲醇脉泽相关的研 究，6.7GHz甲醇脉泽由于其辐射流量大、致密(角大小约4毫角秒，线大小约几个天文单位）、 寿命长(约4年）、普遍存在(银河系内探测到1000多个源）以及非常小的内部固有运动等特 点成为天文学和天体测量学中的一大热点。它们不仅被用来开展与大质量恒星形成有关的 一系列研究，而且通过对它们视差的精确测量可以精确确定银河系的一些关键参数(如旋 臂结构，这是迄今为止最高精度的测量方法），是银河系研究中的一个重点；（2)基于羟基和 甲醛谱线的研究，也是近来受到广泛关注的热点领域，包含甲醛样本搜寻以及他们的辐射 特性、羟基脉泽的搜寻以及通过羟基偏振观测来研究磁场等一些研究内容；（3)另外还有很 多研究内容:比如C波段的分子谱线搜寻等，此处不在一一例举。
[0004] 高频谱分辨率的谱线观测可以为研究者们带来所研究目标天体内部更细节的信 息，它们通常可以使我们追踪到更小尺度的结构以及其中更详细的动力学特征等。又如在 某些高精度的谱线观测中需要极高的频率分辨率，例如对塞曼效应的观测中：采用中性氢 HI观测，每微高斯磁场产生的频率移动2.8Hz ;如采用0H的基态，每微高斯磁场在1.665GHz 谱线上产生的频率移动只有3.27Hz，而在1.667GHz谱线上产生的频率移动是1.96Hz。然而， 由于目前传统采用的射电天文终端设备是对射电天文模拟信号的高速ADC过采样原理实现 的:采样率为f sample^ADC大约能覆盖fsamtW2带宽的信号目前增加采样率似乎成为解决大 带宽数据采集，实现宽频段同时观测的唯一途径。
[0005] 而在该原理下由于采样率fsampie、FFT点数N和频谱分辨率Af三者的满足以下关 系：
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[0007]故在传统采样原理下，做谱线的高精度轮廓结构观测是非常困难的。因为在采样 率一定的情况下，如果要得到更高的频谱分辨率就必须增加 FFT变换点数N[5]，这就需要耗 费处理器内部乘法器，累加器以及存储单元等资源，这样大大增加了冗余数据量，对无信号 频段也需要同时进行分析。
[0008] 目前，各大芯片公司和模块化仪器公司都相继在进行更高速更高带宽的数据采集 芯片和设备设计开发，多种高速数据采集设备已经应用于部分天文观测。例如icqiris公 司开发的高速数据采集卡AC240,其带宽为lGHz@8bit，已经应用于多台射电望远镜，包括德 令哈的13.7米毫米波望远镜，K0SMA毫米波亚毫米波望远镜;2014年8月，HOMIN JIANG等人 公布了采样速率达到5Gsps@8bits的高速采集系统及B.Klien等人研发的FFTS数据采集终 端均是目前采样速度最快的射电天文终端。
[0009] 然而根据原子受激辐射的特点，分子谱线呈现出离散局部密集线谱的特点而在另 外一些频段能够观测的射电天文谱线又非常少。这样，高速数据采集的优势资源就大大浪 费在了一些没有可观测信号的频率上，而且采样率越高，浪费越多！
[0010] 2008年A.W.Hotan等人实现的100MHz输入带宽的数字终端-TasPGA，在观测脉泽源 G285.35+0.00，在8MHz带宽内实现488.3Hz的频谱分辨率需要16384点FFT3. Klein等人在 FFTS上实现88.3KHz已经需要32768点FFLB.Klein等人总结的随着采集速度的上升，需要 达到同样频率分辨率所需的FFT点数关系图见图1。
[0011]随着采集速度的上升，需要达到同样频率分辨率所需的FFT点数将大大增加这些 都为后端运算、存储、传输带来巨大压力。
[0012] 针对上述问题，2005年S.Stanko等人尝试在Effelsberg 100m射电望远镜上建立 了基于DDC_GC4016(digital down converters，数字下变频器）的数字频谱分析终端ICS 554C，引入了直接数字下变频的概念与谱线数字终端中，见图2所示。
[0013]其有两种工作方式：1.工作于全带宽模式：50MHz，直接由ADC采集而进入FPGA做 FFT分析;2.窄带工作方式:经DDC选通20KHz-10MHz带宽，再送入FPGA进行处理。两种方式对 同一条谱线的观测效果见图3所示。
[0014] 在2MHz带宽模式下，相当于在全带宽模式下相同的FFT点数提高了25倍的频率分 辨率。
[0015] 同时，云南大学柏正尧、中国科学院云南天文台董亮等人提出了基于欠采样方案 的采集终端，利用ADC的欠采样性能可以达到更高的分辨率性能。但是以上两种方案都以增 加电路的复杂结构为代价的，在集成电路日新月异的今天新的集成电路能够取代上述方 案。
[0016] 目前ADI公司推出的AD93XX系列芯片是一种高性能、高度集成的RF Agile Transceiver?捷变收发器。该器件的可编程性和宽带能力使其成为多种收发器应用的理想 选择。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带部分为一体，集成频率合成器，为处理器提供 可配置数字接口，从而简化设计导入。例如:AD9361工作频率范围为70MHz至6.0GHz，涵盖大 部分特许执照和免执照频段，支持的通道带宽范围为不到200KHz至56MHz。
[0017] 较之于传统的高速采样数字频谱终端，根据奈奎斯特定律达到6GHz的输入带宽必 须至少要有12Gsps的采样速度，为此在捷变收发器选择200kHz的输入带宽情况下，到达同 样的分辨率，相当于点数提高了 240000倍！
[0018]本项发明拟采用和跟踪世界最新和最先进的集成RF捷变收发器研发新型的专用 谱线接收机，实现快速宽带内可切换的射电天文终端及其相关软件，并初步为云南天文台 40米射电望远镜提供高精度谱线能力，同时期望为中国更多的射电望远镜服务。
【发明内容】
[0019] 基于捷变收发器的射电天文窄带谱线观测平台，本发明特征在于，由捷变收发器 AD9361电路板、FPGA控制电路板及控制计算机依次连接组成;其中，捷变收发器AD9361电路 板的输入信号带宽为50MHz-6GHz，其信号输入端与射电天