射电天文望远镜前端中频接收系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种射电天文望远镜前端中频接收系统，包括：模拟前端中频电路单元，将从馈源敏感进来的电压信号进行放大、混频、下变频成为供后端ADC处理的信号；压控震荡单元，为模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer提供本振，为ADC及FPGA提供时钟；FPGA控制处理单元，利用FPGA的GPIO口对模拟前端中频电路单元进行控制；最后将经过放大、混频后的下变频信号传送到ADC输入端，将原本的模拟信号变成数字信号，存入计算机。本发明搭建了一个射电天文望远镜前端中频接收系统，可满足射电天文数据高速、高质量、稳定可靠的采集需求，适用于超宽带的数据应用。
【专利说明】
射电天文望远镜前端中频接收系统
技术领域
[0001] 本发明设及一种射电天文望远镜前端中频接收系统。
【背景技术】
[0002] 接收机系统是射电望远镜的重要组成部分，是决定望远镜性能的关键因素。
[0003] 正在建设中的大科技装置500米球面射电望远镜FAST是世界上最大的单口径射电 望远镜，有着很高的分辨率，运是它本身巨大的优势。FAST的工作频段在70MHZ-3G化，为了 尽量发挥望远镜本身优势并能适应不同的天文观测目标，需要望远镜的接收机能灵活覆盖 整个频带。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种集成度高、效率高的射电 天文望远镜前端中频接收系统。
[0005] 为实现上述目的，本发明射电天文望远镜前端中频接收系统，包括：
[0006] 模拟前端中频电路单元，将从馈源敏感进来的电压信号进行放大、混频、下变频成 为供后端ADC处理的信号；
[0007] 压控震荡单元，为模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer提供本振，为ADC及FPGA提 供时钟；
[000引 FPGA控制处理单元，利用FPGA的GPIO 口对模拟前端中频电路单元进行控制；
[0009] 最后将经过放大、混频后的下变频信号传送到ADC输入端，将原本的模拟信号变成 数字信号，存入计算机。
[0010] 进一步，从馈源敏感进来的所述电压信号的输出功率范围是-60地mco-90地m，系 统的输入噪声水平为2K。
[0011] 进一步，所述中频接收系统分为两个波段:0.05G化-IGHz和0.3GHZ-3G化进行信号 接收。
[0012] 进一步，所述模拟前端中频电路单元包括低噪音放大器、射频通带放大器、基带放 大器、若干个滤波器、混频器、若干个可变电阻电子衰减器、电压控制震荡器、若干个数字开 关。
[0013] 进一步，所述低噪音放大器、所述射频通带放大器之间设置有6地的固定衰减器， 用于抑制上级与本级放大器间的驻波。
[0014] 进一步，所述射频通带放大器为工作频段为0-6G化的宽带射频放大器ADL5545,所 述可变电阻电子衰减器为可变数字电阻衰减器歷C62化P4;宽带射频放大器ADL5545对信号 放大，后接一个可变数字电阻衰减器歷C624LP4用于调节信号功率大小，再后接宽带射频放 大器ADL5545对信号进一步放大，加一个所述6地的固定衰减器，后接工作频段为0.03G化-6G化放大器ADL5610对信号进行=级放大。
[0015] 进一步，所述模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer对信号进行混频，后接一个所 述数字开关，针对不同科学观测需要，对相应的信号频段放大，并将其分成=路信号频段： 20-500MHZ，O-IGHz，0.05-3GHZ。
[0016] 进一步，所述S路信号频段分别后接可调数字衰减器丽C62化P4用于调节信号功 率大小，再接所述基带放大器，其中，S路所述基带放大器分别是ADL5534(20-500M化）， ADL5530( O-IGHz )，HMC741(0.05-3GHz)进行最后一级放大。
[0017] 进一步，所述 ADL5534 的波段为 20-500MHz，ADL5530 的波段为 0-lGHz，HMC741 的波 段为 0.05-3GHZ。
[0018] 进一步，S路所述基带放大器后分别接滤波器:LFCN-530、LFCN-1000、LFCN-1500， 来对信号滤波，消除杂散信号。
[0019] 本发明搭建了一个射电天文望远镜前端中频接收系统，可满足射电天文数据高 速、高质量、稳定可靠的采集需求，适用于超宽带的数据应用。
【附图说明】
[0020] 图1为系统框图一；
[0021] 图2为系统框图二；
[0022] 图3为选型表。
【具体实施方式】
[0023] 下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施 例。然而，本发明可W体现为多种不同形式，并不应理解为局限于运里叙述的示例性实施 例。而是，提供运些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本 领域的普通技术人员。
[0024] 如图1、图2所示，本发明射电天文望远镜前端中频接收系统，包括：
[0025] 模拟前端中频电路单元，将从馈源敏感进来的电压信号进行放大、混频、下变频成 为供后端ADC处理的信号；
[00%]压控震荡单元，为模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer提供本振，为ADC及FPGA提 供时钟；
[0027] FPGA控制处理单元，利用FPGA的GPIO 口对模拟前端中频电路单元进行控制；
[0028] 最后将经过放大、混频后的下变频信号传送到ADC输入端，将原本的模拟信号变成 数字信号，存入计算机。
[0029] 从馈源敏感进来的电压信号非常微弱，我们考虑信号的输出功率范围是-SOdBm CO-90地m，即放在杜瓦中的制冷肥MT放大器的输入功率范围是-60地mco-90地m，系统的输 入噪声水平也由HEMT的噪声溫度确定在2K。
[0030] 考虑到系统要覆盖70MHZ-3G化波段，所述中频接收系统分为两个波段:0.05G化-IG化和0.3G化-3G化进行信号接收。
[0031] 所述模拟前端中频电路单元包括低噪音放大器、射频通带放大器、基带放大器、若 干个滤波器、混频器、若干个可变电阻电子衰减器、电压控制震荡器、若干个数字开关。低噪 音放大器、所述射频通带放大器之间设置有6地的固定衰减器，用于抑制上级与本级放大器 间的驻波。
[0032] 射频通带放大器为工作频段为0-6G化的宽带射频放大器ADL5545,所述可变电阻 电子衰减器为可变数字电阻衰减器歷C62化P4;宽带射频放大器ADL5545对信号放大，后接 一个可变数字电阻衰减器HMC62化P4用于调节信号功率大小，再后接宽带射频放大器 A化5545对信号进一步放大，加一个所述6地的固定衰减器，后接工作频段为0.03GHZ-6G化 放大器ADL5610对信号进行S级放大。
[0033] 模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer对信号进行混频，后接一个所述数字开关， 针对不同科学观测需要，对相应的信号频段放大，并将其分成S路信号频段:20-5001化，0-lGHz，0.05-3GHz。
[0034] S路信号频段分别后接可调数字衰减器歷C62化P4用于调节信号功率大小，再接 所述基带放大器，其中，S路所述基带放大器分别是ADL5534(20-500MHz)，A化5530(0-IG化），丽C74U0.05-3G化）进行最后一级放大。S路基带放大器后分别接滤波器:LFCN-530、LFCN-1000、LFCN-1500，来对信号滤波，消除杂散信号。
[0035] 首先，天文信号对于做接收机来说，如果不对应具体的某一个科学目标，只要是望 远镜可W接受的频率应该全都可W接收。FAST本身的反射面设计，决定了天文信号接收范 围就是70MHZ-3G化。所W接收机的设计，尤其想用一套前端电路板，灵活的控制不同的波 段，就需要能够全面覆盖运个3GHz波段。只要是运个波段下个各种科学目标，都可W灵活性 的实现，最主要的设计就是接收机前端中频接收系统。
[0036] 例如有些科学目标希望可W捜索脉冲星，脉冲信号（例如delta signal)的频率范 围是可W很宽的(尤其如果是理想的时域delta信号，因为时域有限，频域无限，所W频率是 成SINC形状，并且是带宽无限宽的，只不过强度会逐步低），运个时候，没有一个特定的频率 范围向捜索，往往需要不断的尝试，多采集数据，然后反复套算法。还有一些科学目标，比如 谱线，如果一下可W观测更宽的带宽，运样观测效率会提高（比如查看2-3G化的带宽，如果 可W-次查看，将大大的优先于一次只能看200MHz、然后2-2.2,2.2-2.4?及类推看5次的 情况。因为天文信号很弱，需要长时间（几天甚至几周叮着一个天区）的积分把噪音压制下 去)。
[0037] 所W可W看到，天文观测对于目标观测的频率和范围有很强的不确定性，是需要 前端中频接收系统具有有很强的灵活性，因为需要经常调整，希望对应的观测频段所对应 的硬件表现尽可能最优秀，运就对中频接受系统的性能有很高的要求。
[003引 FAST的馈源主要分为70-140MHZ，140-280MHZ，560-1120MHz，1100-1900MHZ，2000-3000MHz，270-1620MHz(又分为 270-850MHz，950-1620MHz 两部分），见下表
[0039]
[0040] 对于LNA的选型，综合馈源工作频带范围，W及现有低噪声放大器的工作频段，放 大器的增益(Gain)，噪声系数(Noise Figure)，S阶交调点（IP3)，P1地输出功率等各方面 器件性能，考虑选用Analog Devices生产的HMC599(0.05-lGHz)和HMC374(0.3-3GHz)。由于 接收机的一级放大器控制了整个前端中频接收系统的总的噪声溫度，所W要选择低噪音， 高增益的放大器。它们的增益分别为14地，15地，相对来说的高增益。Noise Figure分别是 2.2地，1.5地，相比同频段其他器件要小1地左右。1口3分别是+39地111，+37地111^1地输出功率 分别是+19地m，+22地m。
[0041] 为了一方面考虑每一级放大器增益不能太大W至超过下一级放大器的Pl地输出 功率使其饱和而不能正常工作，还要考虑最终性噪比能尽可能大一些，同时要保证输出到 ADC的信号功率值不能超过其最大工作范围6地m，所W要考虑接收机前端中频接收系统中 各级放大器与可变衰减器的选型与巧妙组合。
[0042] 系统射频放大通路中经过S级放大，放大器的增益分别是24. IdBU化5545)， 24.1地(ADL5545)，18.4地(ADL5610)。基带放大第一路用两个增益为20地的ADL5534放大器 两级放大，第二路用两个增益为16.8地的ADL5530放大器两级放大，同样第S路用增益为两 个增益为20地的HMC741放大器两级放大。同时整个中频电路系统中有两个数字可变电阻衰 减器歷C624LP4，它们的调节范围是0-31.5地，步进是0.5地，每个需要6比特位进行控制，用 于调节信号的功率大小。
[0043] 对接收机前端中频接收系统总体性能的计算，W通路1 (0.3G化-3CT1Z)为例，
[0044] 信噪比：acc SNR[地]=Pin min(max)-〇utput F*noise[地m]
[0045] 输出到ADC的信号功率：
[0046] Pin min(max) =Pin[dBm]+Gain[地]
[0047] Pinmin = -90dBm+35地-3地-3地-0.5地+15dB-6dB-0.5dB+24.1 地-16d B+24.1dB-9 地+18.4地-14地-7.5 地+16.8 地-0.6 地-3 地=-3.9 地m<6 地m
[0048] 口1皿曰义=-60(18111+35地-3地-3地-0.5地+15(18-6(18-0.5(18+24.1地-27(1 6+24.1(18-9 地+18.4地-25 地-7.5 地+16.8 地-0.6 地-3 地=4.1 地m<6 地m
[0049] 在阻抗匹配条件下，热噪声功率:Pn=kBT
[0050] 将热噪声功率单位由W转化地m
[(K)引]带宽B = 2.7G化，k=l.38*10-23,经计算可得经由各级累加的acc SNR分别为 10.10地，39.66地，可得射频信号经由IF板混频、放大后SNR的衰减量分别为：
[0052] 11.08 地-10.10 地=0.98 地 <2 地
[0053] 41.08地-39.66地=1.42地<2地
[0054] 即当信号输入范围在-60地mCO-9〇dBm之间时，可W控制系统的总的SNR减少值在 2地范围内，同理其余两条通路也能达到此技术指标。具体的选型表如图3所示。
[0化日]系统中还包含两块压控振荡（VCO)忍片ADF4355,一块用于给IQ Mixer提供本振 (Io)，另一块需要给FPGA提供时钟。ADF4355的工作频段为54MHZ-6800MHZ，在此频段内的任 何频率VCO均可输出。首先需要对寄存器进行32比特写入而对VCO进行初始化，然后利用L0_ LE，CK_LE分别作为两块VCO的控制线。
[0056] 用带状线缆将FPGA的GPIO 口与中频电路板上的20pin端口相连，其中6个pin用于 数字端口控制，分别为S化K、SDAT、SW_STB、L0_LE、CK_LE、AT_LE。其中S化K串行时钟线，SDAT 串行数据线，SW_STB用于控制数字开关，L0_LE用于控制VCO，提供本振化0)输出，CK_LE也用 于控制VC0,为FPGA提供时钟输出，AT_LE用于控制数字可控衰减器。FPGA控制处理单元的实 现采用MATLAB软件的SIMULINK工具仿真及实现。利用C++程序编写控制界面，通过KATCP通 信协议与MA化AB软件的SIMULINK工具中的控制寄存器(之前的6个)通信，使用I SE软件的 System Generator工具生成黑盒子文件，并在ISE软件中运行，实现对中频电路板上数字器 件的控制。电脑上的控制界面中（用C++编写），可W完成通路的选择(通过数字开关的选 通），数字可变衰减器数值的设置，W及两块VCO输出频率的设置，直接输入相应的数值，瞬 间就可W改变电路板上器件的参数值，非常方便。
[0057] 本发明充分利用压点控制振荡器(VCO) W及数控变阻器的灵活性，完成通带的选 择，通过对FPGA上储存的数字变频系数的实时更新，实现对各个频段完整、灵活、高效的控 审IJ。使得一套系统可W多变的、无成本的完成多项接收机的功能和波段。运样不仅仅大大降 低成本，还可W充分利用数字系统的灵活性，最大限度的配合望远镜和低噪音放大器的噪 音属性和频率属性。
[005引模拟信号前端电路板的功能全部通过软件来控制，运包括控制VCO的频率和功率 (IOMHz至3G化）；控制数字变阻器的电阻(0.5地精度）；控制数字开关等。运些模拟电路的器 件，均由FPGA的GPIO 口控制。同时开发由C++语言控制的界面(用C++语言来开发一个界面）， 通过KATCP通信协议对中频板上的端口进行控制。
【主权项】
1. 射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，该中频接收系统包括： 模拟前端中频电路单元，将从馈源敏感进来的电压信号进行放大、混频、下变频成为供 后端ADC处理的信号； 压控震荡单元，为模拟前端中频电路单元里的IQ Mixer提供本振， 为ADC及FPGA提供时钟； FPGA控制处理单元，利用FPGA的GPIO 口对模拟前端中频电路单元进行控制； 最后将经过放大、混频后的下变频信号传送到ADC输入端，将原本的模拟信号变成数字 信号，存入计算机。2. 如权利要求1所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，从馈源敏感进 来的所述电压信号的输出功率范围是_60dBm~-90dBm，系统的输入噪声水平为2K。3. 如权利要求1所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述中频接收 系统分为两个波段:〇. 〇5GHz-lGHz和0.3GHz-3GHz进行信号接收。4. 如权利要求1所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述模拟前端 中频电路单元包括低噪音放大器、射频通带放大器、基带放大器、若干个滤波器、混频器、若 干个可变电阻电子衰减器、电压控制震荡器、若干个数字开关。5. 如权利要求4所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述低噪音放 大器、所述射频通带放大器之间设置有6dB的固定衰减器，用于抑制上级与本级放大器间的 驻波。6. 如权利要求5所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述射频通带 放大器为工作频段为0-6GHZ的宽带射频放大器ADL5545,所述可变电阻电子衰减器为可变 数字电阻衰减器HMC624LP4;宽带射频放大器ADL5545对信号放大，后接一个可变数字电阻 衰减器HMC624LP4用于调节信号功率大小，再后接宽带射频放大器ADL5545对信号进一步放 大，加一个所述6dB的固定衰减器，后接工作频段为0.03GHz-6GHz放大器ADL5610对信号进 行三级放大。7. 如权利要求4所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述模拟前端 中频电路单元里的IQ Mixer对信号进行混频，后接一个所述数字开关，针对不同科学观测 需要，对相应的信号频段放大，并将其分成三路信号频段:20-500MHZ，O-lGHz，0.05-3GHZ。8. 如权利要求7所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述三路信号 频段分别后接可调数字衰减器HMC624LP4用于调节信号功率大小，再接所述基带放大器，其 中，三路所述基带放大器分别是ADL5534(20-500MHz)，ADL5530(0-lGHz)，HMC741(0.05-3GHz)进行最后一级放大。9. 如权利要求8所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，所述ADL5534 的波段为 20-500MHz，ADL5530 的波段为 O-lGHz，HMC741 的波段为 0 · 05-3GHZ。10. 如权利要求8所述的射电天文望远镜前端中频接收系统，其特征在于，三路所述基 带放大器后分别接滤波器:LFCN-530、LFCN-1000、LFCN-1500，来对信号滤波，消除杂散信 号。
【文档编号】H04B1/16GK105846843SQ201610324356
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】张馨心, 段然
【申请人】中国科学院国家天文台