一种多核模数转换器的校准方法与流程

本发明涉及一种在射电天文脉冲星观测数字终端系统中所用的模数转换器的校准方法，专门用于多内核模数转换器的直流偏置、增益和相位校准。

背景技术：

在射电天文领域中，脉冲星是高度磁化的中子星，在它的磁极会产生相干的射电辐射，由于它自转非常稳定，所以当辐射束扫过地球时，射电望远镜就会接收到一系列周期性的脉冲信号。射电天文研究人员可以通过对脉冲到达时间的精确测量，进行引力波探测、脉冲星导航、脉冲星计时，以及致密天体物理、星际介质和星系介质等相关的观测研究。

中国科学院新疆天文台南山26米射电望远镜是我国最早开展脉冲星观测研究的天文台站，经过十几年的发展已经成为我国脉冲星观测的重要基地。目前，新疆台拥有脉冲星单脉冲和到达时间两套观测系统，已经在脉冲星周期、周期变化率、自行、流量密度长期变化、星际闪烁和偶发的周期跃变等方面取得了很好的观测结果，并获得了很有价值的研究资料。

由于脉冲星信号在穿过星际介质中等离子体时会受到色散的影响，导致高频脉冲信号先到达射电望远镜，而低频脉冲信号后到达，这样就会引起不同频率的信号之间产生时间延迟。为了消除时间延迟，可以采用相干和非相干两种方法进行消色散。采用相干消色散的技术，可以提高脉冲信号的信噪比，减弱色散展宽，并且可以探测到脉冲信号的精细结构。为了提高脉冲星观测的灵敏度，需要增加观测带宽。另外，一些脉冲星具有极强的线偏振特性，这对于研究脉冲星的辐射区的几何结构具有重要的意义，所以观测科学家希望可以进行全偏振的观测。此外，有些脉冲星的单脉冲还表现出细微的结构，通过这些精细结构可以进一步揭示脉冲星辐射的物理机制，所以脉冲星在数据处理方面希望终端可以满足进行高时间分辨率的观测需求。

随着模数转换器(adc)高速采样的发展，数字信号处理技术有了大幅提升，国际上陆续涌现出了一批数字滤波器系统被应用于射电天文领域，比如dfb,dibas等。在这些应用中，由于adc各个内核之间的制造差异，多个adc内核的交错不可避免的导致时序、增益和偏置的失调，除了在输出频谱中产生额外的杂散之外，上述参数未经校准后将直接导致adc整体性能下降。为了最大限度地减少这些不良影响，对adc的核心参数的校准调整非常有必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种多核模数转换器的校准方法，该方法涉及的装置是由正弦波信号发生器、噪声源、耦合器、模数转换器、可重构开放式架构硬件计算平台、linux计算机组成。正弦波信号发生器输出可变频率连续波以此激励模数转换器，同时噪声源添加少量标准噪声耦合至可变频连续波信号用以减少量化噪声和微分非线性影响，可重构开放式架构硬件计算平台由linux计算机控制，采集并处理来自模数转换器的数字化信号，并进行离线频谱分析。通过在多核模数转换器的各个核心中嵌入直流偏置、增益和相位调整寄存器，并通过串行外围接口总线下发自动调整程序，控制正弦波信号发生器及噪声源输入单频率音调，以此得到各个核心的偏移参数并进行校准。该方法基于可重构开放式架构硬件计算平台数据采集与预处理前端和linux计算机，以此获取及处理来自模数转换器的数据，通过自动调整程序可实现直流偏置、增益和相位的校准，可以对脉冲星信号处理实现精准部署功能。

本发明所述的一种多核模数转换器的校准方法，该方法涉及的装置是由正弦波信号发生器、噪声源、耦合器、模数转换器、可重构开放式架构硬件计算平台、linux计算机组成，正弦波信号发生器(1)与耦合器(3)输入端连接，噪声源(2)与耦合器(3)的耦合口连接，耦合器(3)输出端与模数转换器(4)输入端连接，模数转换器(4)输出端与可重构开放式架构硬件计算平台(5)连接，可重构开放式架构硬件计算平台(5)通过万兆以外网与linux计算机(6)连接，具体操作按下列步骤进行：

a、正弦波信号发生器(1)输出可变频率连续波信号，经耦合器(3)传输至模数转换器(4)并激励，同时噪声源(2)经耦合器(3)耦合少量标准噪声信号，与可变频率连续波信号一起传输至模数转换器(4)，linux计算机(6)创建一个自动校准程序，通过可重构开放式架构硬件计算平台(5)控制模数转换器(4)各个内核中的寄存器，用以调整模数转换器(4)中各个内核的直流偏置，来实现模数转换器(4)多个内核数字输出的零直流偏置量以达到直流偏置校准；

b、将步骤a中linux计算机(6)创建的自动校准程序，通过可重构开放式架构硬件计算平台(5)控制模数转换器(4)各个内核中的寄存器，逐渐调整模数转换器(4)各个内核的增益，并比较模数转换器(4)各个独立内核的读回幅度，一旦各个内核达到匹配的幅度，就会终止调整并保存增益以达到增益校准；

c、将步骤a中linux计算机(6)创建的自动校准程序，通过可重构开放式架构硬件计算平台(5)控制模数转换器(4)各个内核中的寄存器，将一个完整的周期信号平均分配给模数转换器(4)的各个内核，读回每个内核分配到周期信号的相位误差，再通过程序调平相位误差以达到相位校准。

本发明所述的一种多核模数转换器的校准方法，该方法中：

所述的正弦波信号发生器(1)，经外部信号发生器向其发送一个点频信号，从而产生一个时域下标准的连续波信号，用作整个校准方法中的参考信号；

所述的噪声源(2)，用于为正弦波信号发生器(1)产生的标准连续波信号提供一个相对较弱的标准噪声，用以防止量化噪声和微分非线性的伪影影响测试数据；

所述的模数转换器(4)，通过z-dok连接器与可重构开放式架构硬件计算平台(5)相连，模数转换器(4)各个内核均具备各自独立的寄存器；

所述的可重构开放式架构硬件计算平台(5)，为模数转换器(4)提供直流电源、控制指令及状态查询，并用以捕获模数转换器(4)数字化数据并将其保存到其电路板上的块随机存取存储器(bram)中；

所述的linux计算机(6)，经万兆以太网与可重构开放式架构硬件计算平台(5)进行通讯，用于运行python程序下达自动调整程序以实现模数转换器(4)直流偏置、增益和相位的校准，还可用于将数据从可重构开放式架构硬件计算平台(5)的bram传输到外部linux计算机(6)以进行离线频谱分析。

本发明所述的一种多核模数转换器的校准方法，其优点在于对于射电天文脉冲星观测这种大数据量的高速采样需求，本发明可以通过程序控制实现模数转换器的直流偏置、增益和相位校准，用以解决不同内核差异性所造成的采样点上的毛刺及跳变，从而实现对脉冲星信号处理实现精准部署功能。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为校准中的标准连续波信号图；

图3为校准前的本底噪声图；

图4为校准后的本底噪声图；

图5为校准前的脉冲星信号；

图6为校准后的脉冲星信号。

具体实施方式

实施例

本发明所述的一种多核模数转换器的校准方法，该方法涉及的装置是由正弦波信号发生器、噪声源、耦合器、模数转换器、可重构开放式架构硬件计算平台、linux计算机组成，正弦波信号发生器1与耦合器3输入端连接，噪声源2与耦合器3的耦合口连接，耦合器3输出端与模数转换器4输入端连接，模数转换器4输出端与可重构开放式架构硬件计算平台5连接，可重构开放式架构硬件计算平台5通过万兆以外网与linux计算机6连接，具体操作按下列步骤进行：

a、正弦波信号发生器1输出可变频率连续波信号，经耦合器3传输至模数转换器4并激励，同时噪声源2经耦合器3耦合少量标准噪声信号，与可变频率连续波信号一起传输至模数转换器4，linux计算机6创建一个自动校准程序，通过可重构开放式架构硬件计算平台5控制模数转换器4各个内核中的寄存器，用以调整模数转换器4中各个内核的直流偏置，实现模数转换器4多个内核数字输出的零直流偏置量以达到直流偏置校准；

b、将步骤a中linux计算机6创建的自动校准程序，继续通过可重构开放式架构硬件计算平台5控制模数转换器4各个内核中的寄存器，逐渐调整模数转换器4各个内核的增益，并比较模数转换器4各个独立内核的读回幅度，一旦各个内核达到匹配的幅度，程序就会终止调整并保存增益以达到增益校准；

c、步骤a中linux计算机6创建的自动校准程序，继续通过可重构开放式架构硬件计算平台5控制模数转换器4各个内核中的寄存器，将一个完整的周期信号平均分配给模数转换器4的各个内核，读回每个内核分配到周期信号的相位误差，再通过程序调平相位误差以达到相位校准；

图2为采用标准连续波信号进行校准时的信号图；图3为未经校准的本底噪声，图4为校准后的本底噪声，可以从图3和图4中看到，信号呈现一个良好的正态分布，并且频域的本底噪声也从原来的-80dbm，下降到将近-90dbm，动态范围有所增加；从脉冲星观测结果来看，图5为校准前的脉冲星信号，图6为校准后的脉冲星信号，对比可见在2.235*10⁴mhz这个频点的跳变经校准后已经被消除。