VLBI數字基帶轉換器測試進展

羅近濤，陳 嵐，吳亞軍，項 英，朱人杰，余 赟，舒逢春，郝龍飛，張秀忠

(1.中國科學院上海天文臺，上海 200030；2.中國科學院研究生院，北京 100049；3.中國科學院云南天文臺，昆明 650011)

甚長基線干涉測量技術(VLBI，Very Long Baseline Interferometry)是一種重要的射電天文技術，最初為以高分辨率觀測遙遠類星體的結構而發展起來。經過40年左右的發展，VLBI已經成為當代角分辨率最高、定位精度最好的天文觀測技術，不僅廣泛用于天文學、測地學研究，在國際上也被廣泛用于對深空探測器的高精度測量[1]。

VLBI系統的信號流程如圖1，按照信號流向，VLBI系統可以分為數據采集系統、數據傳輸系統和數據處理系統。在VLBI2010展望中，定義了新型的VLBI數據終端[2]，該定義主要考慮以下幾個方面：(1)新的系統需要包括接收機輸出到數據記錄或傳輸到相關處理機之前的全部信號處理功能；(2)將用數字邏輯電路來完成信號處理；(3)更高的可靠性能，更好的數據質量；(4)相比傳統模擬終端，價格更低廉用途更廣泛；(5)具有靈活的功能和可升級性。

圖1 VLBI系統信號流程圖Fig.1 Flowchart of the VLBI system

作為數據終端的重要組成部分，基帶轉換器(BBC，Baseband Converter)承擔著頻段選擇、數據采集等任務。隨著A/D轉換器芯片工作時鐘的提高，在更高的頻率(1GHz～2GHz)[3-4]上將模擬信號數字化成為可能。同時，隨著數字信號處理算法的豐富、FPGA(Field Programmable Gate Array)和DSP(Digital Signal Processing)芯片運行速度的提升，許多曾經只能用模擬器件實現的高頻電子線路正逐步為數字電路所替代。芯片加算法成為數字電路發展的一種趨勢。在此趨勢下，美國、歐洲和日本等發達國家和地區都致力于新型數字VLBI數據終端的研究。這些研究有一個共性，采用高速A/D轉換器和數字濾波器，對高頻信號進行數字濾波，從而得到基帶信號。

中國科學院上海天文臺VLBI技術實驗室從2002年開始研究數字濾波和數字基帶轉換器(DBBC，Digital Baseband Converter)，于2007年正式啟動VLBI數字基帶轉換器項目。

2009年7月，利用中國VLBI網，在昆明—烏魯木齊基線上，用VLBI長基線干涉測量方法對VLBI數字基帶轉換器進行了測試，并與一同參加測試的模擬基帶轉換器進行對比。此次VLBI長基線觀測信號源為射電源。結果表明數字基帶轉換器帶通性能優于模擬基帶轉換器；所觀測射電源流量高時，數字基帶轉換器條紋信噪比優于模擬基帶轉換器，所觀測射電源流量低時，數字基帶轉換器條紋信噪比與模擬基帶轉換器相當。

1 VLBI數字基帶轉換器

基帶轉換器是VLBI臺站的關鍵設備，世界上大部分的VLBI臺站所使用的是傳統的模擬基帶轉換器。目前模擬基帶轉換器已經停產，使得繼續使用和維護十分困難。新型的基于數字電路的VLBI轉換器逐漸開始出現。

中國科學院上海天文臺VLBI技術實驗室從2002年開始研究數字濾波和數字基帶轉換器(DBBC，Digital Baseband Converter)，與意大利CNR共同研制了簡化型DBBC[5]，為后續工作打下了堅實的基礎。2007年正式啟動VLBI數字基帶轉換器項目[6]。上海天文臺VLBI數字基帶轉換器原理框圖如圖2，主要由模擬和數字兩部分組成。來自天線接收機的中頻信號經由模擬部分自動增益進行幅度調整，送往數字部分。數字部分首先對信號進行數字化，采樣時鐘1024MHz，量化所得數字信號送往數字下變頻器，由數字下變頻器進行數字下變頻，得到數字基帶信號。數字基帶信號由通道選擇器送往記錄設備。

圖2 VLBI數字基帶轉換器原理圖Fig.2 Principle of the VLBI digital baseband converter

上海天文臺VLBI數字基帶轉換器主要設計指標和特性如下：輸入頻標5MHz，采用1pps信號；輸入中頻數4路；通道數16(上下邊帶各8個)；通道帶寬32MHz、16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz和0.5MHz，并且帶寬可選；兼容Mark4格式器和Mark5B/C記錄設備；兼容FS系統；相位校正信號和自相關監視輸出；通過PCI總線進行控制；數字基帶轉換器數字部分的核心器件為信號處理板，尺寸為1U。該信號處理板載有一塊高速A/D采樣芯片，4塊XilinxFPGA芯片，圖3為信號處理板實物照片。

圖3 VLBI數字基帶轉換器信號處理板Fig.3 Signal processing board of the VLBI digital baseband converter

目前上海天文臺VLBI數字基帶轉換器項目已完成驗收，在中國VLBI網4個觀測站——上海佘山站、烏魯木齊南山站、北京密云站和云南昆明站均安裝有完整的數字基帶轉換器系統。

2 VLBI長基線測試

2009年7月8日，利用中國VLBI網，VLBI長基線觀測對VLBI數字基帶轉換器進行了測試實驗，觀測站上模擬基帶轉換器作為對比參照，也參與了觀測。

2.1 中國VLBI網

中國VLBI網(CVN,Chinese VLBI Network)由4個VLBI觀測站(上海佘山站、烏魯木齊南山站、北京密云站、云南昆明站)和一個VLBI相關處理中心(上海)構成，如圖4。

上海站和烏魯木齊站建于上世紀80～90年代，在國際VLBI聯測中發揮了重要作用，是國際VLBI組織——歐洲VLBI網(EVN)、國際天體測量VLBI網(IVS)和亞太VLBI網的正式成員。北京密云站的50m口徑射電望遠鏡和昆明站的40m口徑射電望遠鏡為中科院國家天文臺新建，承擔繞月探測工程的數據接收任務和VLBI測軌分系統的聯測任務。

圖4 中國VLBI網Fig.4 Chinese VLBI Network

2.2 觀測數據獲取與處理

2009年7月8日的VLBI長基線觀測，數據傳輸與處理流程如圖5。參加觀測的臺站為中國VLBI網昆明觀測站和烏魯木齊觀測站，兩站數字基帶轉換器和模擬基帶轉換器均參與觀測。觀測目標源為射電源，數據有效時間從UT時間7月8日15：30左右開始，有效觀測時間約8小時。有效觀測時間內，對高流量和低流量射電源均進行了觀測，觀測時間段和相應的射電源及其流量見表1。

圖5 數據傳輸與處理流程Fig.5 Block diagram of the data transfer and data processing

在7月8日觀測中，數字基帶轉換器數據由Mark5B記錄系統記錄，模擬基帶轉換器數據由Mark5A記錄系統記錄，均按照事后模式記錄在硬盤上。觀測結束后，數據硬盤送至上海VLBI相關處理中心，使用軟件相關處理機進行相關處理[7-8]。由于觀測中安排有低流量射電源，相關處理機積分時間設為10min，FFT長度設為128點，獲得足夠的信噪比以獲得條紋。相關處理機完成處理之后，生成輸出結果，由數據分析軟件計算長基線條紋的信噪比。

表1 有效數據時段所觀測射電源及其流量

2.3 結果分析

CVN相關處理機輸出結果包含有昆明觀測站和烏魯木齊觀測站數據自相關譜以及兩站數據互相關譜。數字基帶轉換器與模擬基帶轉換器自相關幅度譜如圖6。圖6中數字基帶轉換器和模擬基帶轉換器數據為昆明觀測站記錄，起始時間為UT2009年7月8日18點36分，數據時長10min，帶寬2MHz，觀測頻段為X波段。

圖6 數字基帶轉換器與模擬基帶轉換器自相關幅度譜Fig.6 Auto-correlation amplitudes of the digital baseband converter and the analog baseband converter

由圖6可看出，數字基帶轉換器阻帶比模擬基帶轉換器陡峭且更接近2MHz。數字基帶轉換器有效帶寬較寬。圖6中，模擬基帶轉換器通帶內有起伏，沿斜線下降；數字基帶轉換器通帶內保持水平。可以看出在有效帶寬內，數字基帶轉換器自相關幅度譜比模擬基帶轉換器自相關幅度譜平坦。數字基帶轉換器幅度較平坦部分約為帶通的90%，模擬基帶轉換器僅為75%～80%，數字基帶轉換器帶通特性明顯好于模擬基帶轉換器。

根據相關處理機輸出結果，數據分析軟件計算出長基線條紋信噪比。圖7是昆明—烏魯木齊基線上，數字基帶轉換器條紋信噪比和模擬基帶轉換器條紋信噪比。橫軸為觀測時間，左方縱軸為條紋信噪比，右方縱軸為所觀測射電源流量。

圖7 昆明—烏魯木齊基線，數字基帶轉換器條紋信噪比和模擬基帶轉換器條紋信噪比以及所觀測射電源的流量Fig.7 Fringe SNRs of the digital baseband converter and the analog baseband converter of the Kunming-Urumuqi baseline.Dashed curve：the flux densities of the observed sources

圖7中，15：51時刻，數字基帶轉換器條紋信噪比低于模擬基帶轉換器條紋信噪比，其余時刻，數字基帶轉換器條紋信噪比不低于模擬基帶轉換器條紋信噪比。

圖7中，所觀測射電源流量低于1Jy時，數字基帶轉換器條紋信噪比和模擬基帶轉換器條紋信噪比均低于25，二者差距不大，數字基帶轉換器信噪比較模擬基帶轉換器條紋信噪比略高，或與之相當。所觀測射電源流量高于1Jy時，二者均在56以上，數字基帶轉換器條紋信噪比明顯高于模擬基帶轉換器條紋信噪比。由此可得出結論，射電源觀測中，射電源流量高時，數字基帶轉換器性能好于模擬基帶轉換器，射電源流量低時，數字基帶轉換器性能與模擬基帶轉換器相當。

3 結 論

2009年7月8日，利用中國VLBI網昆明觀測站、烏魯木齊觀測站和上海中心，以射電源為信號源，通過VLBI長基線觀測，對兩觀測站的數字基帶轉換器進行測試，觀測中對高流量和低流量射電源均有觀測。兩觀測站上模擬基帶轉換器作為對照，一同參與觀測。觀測數據由CVN相關處理機處理，根據相關處理機輸出結果計算出長基線條紋信噪比。

此次實驗結果表明，數字基帶轉換器帶通特性優于模擬基帶轉換器；數字基帶轉換器長基線條紋信噪比性能優于模擬基帶轉換器。

致謝：感謝中國VLBI網昆明觀測站、烏魯木齊觀測站和上海觀測站參加DBBC長基線條紋測試觀測，上海VLBI相關處理中心完成了數據的相關處理。感謝VLBI數字基帶轉換器項目組全體成員的努力。

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