Mark4格式器升級為Mark5B采樣器的方法及步驟

楊文軍

(中國科學院國家天文臺烏魯木齊天文站，新疆 烏魯木齊 830011)

烏魯木齊南山站25 m射電望遠鏡主要用于VLBI國際聯測、脈沖星觀測、分子譜線觀測、IDV巡天觀測及探月觀測等，它不僅是歐洲VLBI網(EVN)和IVS(國際天體測量與測地VLBI服務組織)觀測網的成員，也是中國VLBI網(CVN)的成員，承擔了許多國內外重要的觀測項目。該望遠鏡位于亞洲中心，以獨特的地理位置在VLBI聯測中發揮著重要作用。目前，南山站VLBI記錄設備有一臺Mark5A、一臺Mark5B和一臺Mark5B+設備。其中，Mark5A和視頻轉換器以及Mark4格式器等組成的終端系統，主要用于VLBI國際聯測;Mark5B和上海天文臺研制的數字基帶轉換器組成的終端系統主要用于中國嫦娥探月觀測。

1 VLBI終端工作原理

來自天線接收的射頻信號經接收機混頻和放大，變為兩路中頻信號(圖1)，經中頻分配器將中頻信號進行適當的衰減和放大，然后分成14路，提供給14個視頻轉換器，再通過視頻轉換器將中頻信號轉換為視頻信號后輸出到Mark4格式器，在格式器里對視頻信號進行編碼、模數轉換以及提供精確的時鐘信號等等，最后將數據輸出到Mark5A/B記錄系統記錄［1］。數據質量分析儀(DQA)可以將格式器轉換的數據或從硬盤回放的數據及時間進行譯碼并顯示，同時對數據進行質量分析，FS計算機通過串口通訊和網絡控制各設備。TTY分配器實際上是計算機、電傳機或顯示終端的一個外接公共母線，所有MAT(Microprocessed ASCII Transceiver的簡稱，也稱字符收發器。圖中除去FS計算機、Mark5A和UPS電源，每個獨立方框代表系統的一個獨立部件，而獨立部件中都有MAT)與主控設備的通訊都要通過TTY分配器實現。TTY分配器接收由主控設備發來的信號(按EIA RS-232標準的字符信號或20 mA標準電傳電流信號)，然后同時傳遞給所有的字符收發器。從各個字符收發器來的信號則簡單地“或”到一起，再通過TTY分配器送到主控設備。

圖1 VLBI終端原理方框圖Fig.1 Block diagram of the VLBI terminal

2 Mark5B特性簡介

與Mark5A一樣有同樣的底盤和磁盤模式，在單個“8-pack”磁盤模式上數據記錄速率容量達到1024 Mbps。為滿足VSI-H規范設計，在時鐘速率達到64 Mbps、最大達到1024 Mbps情況下采集數據流，仿效在Mark4臺站單元上回放。系統被置于一個單5 U的底盤里，它含有兩個“8-pack”模式硬盤陣列，8個3色LED狀態面板，支持e-VLBI(數據實時傳輸)觀測，基于一個標準的PC平臺，Linux操作系統，并支持DBBC觀測［2］(圖2)。

圖2 Mark5B工控機和硬盤陣列Fig.2 Control comprter and hard-disk array of the Mark5B

3 VSI接口

目前有VSI-H和VSI-C兩種［3］。VSI-H由美國Haystack天文臺研制，主要用于MK4格式器的改造和升級。它替代了MK4格式器內的接口板和格式器板，保留了MK4格式器中的MK4采樣器及32 MHz頻率綜合器和通訊接口。南山站從Haystack天文臺購買了升級用的VSI-H接口板卡。

VSI-H接口特點:輸入為64路比特流(16個BBC，雙邊帶，2比特)，輸出為兩個VSI接口。其中第2個VSI口(VSI-2)工作模式不變，來自BBC09～16的上下邊帶的2比特采樣信號(8×2×2);第1個VSI口(VSI-1)有3種工作模式，這3種工作模式可由FS計算機控制，見圖3。

圖3 VSI-H接口卡Fig.3 VSI-H interface card

4 升級部件及安裝步驟

升級部件主要有VSI4板卡和格式器后面板以及 VSI電纜線等［4］。

圖4是升級后的方框圖，主要在Mark4格式器里加入VSI-H接口卡，通過VSI電纜線連接到Mark5B。升級后的Mark4格式器也稱作Mark5B采樣器。

4.1 拆除Mark4格式器板，見圖5～8。

圖4 Mark5采樣器方框圖Fig.4 Block diagram for the Mark5 sampler

圖5 格式器前面板Fig.5 The picture of the front panel of a Mark4 formatter

圖6 格式器內部圖1Fig.6 Picture of the inner structure of a Mark4 formatter(No.1)

圖7 格式器內部圖2Fig.7 Picture of the inner structure of the Mark4 formatter(No.2)

圖8 拆除格式器板后圖Fig.8 As in Fig.6 but with the formatter board dismounted

4.2 拆除Mark4接口板卡，見圖9。

圖9 拆除格式器接口板后Fig.9 As in Fig.8 but with the interface board further dismounted

4.3 拆除單板機(SBC)和Mark4格式器應用程序PC板卡，見圖10。

圖10 拆除單板機卡和PC板卡后Fig.10 As in Fig.9 but with the PC board and the single-board computer further dismounted

4.4 拆除Mark4格式器后面板連接器，見圖11。

4.5 安裝步驟

將格式器升級用的后面板及VSI板卡按照VSI卡接線對照表(表1)要求進行安裝，見圖12。安裝完畢后，Mark4格式器前面板的錯誤指示燈將變為電源指示燈，因VSI-H卡沒有驅動顯示功能，原來的時間和日期的LED顯示部分將不再使用。

圖11 拆下AMP連接器后Fig.11 As in Fig.10 but with the AMP connector finally dismounted

圖12 (a)裝配AMP連接器前;(b)裝配AMP連接器后;(c)裝配VSI板卡Fig.12 Pictures of upgrading a Mark4 formatter.(a)Before installing the AMP connector;(b)After installing the AMP connector;(c)Installation of a VSI card

表1 VSI卡接線對照表Table 1 Cross references of connections of a VSI card

4.6 安裝體會

在整個安裝過程中，首先仔細對將要更換的板卡及電纜線都做好標記，拆卸前要注意手部靜電會對電路造成損害，因此要提前將手上的靜電放掉。拆卸時一定要小心，不然會造成某些部件損壞。對安裝好的板卡一定要進行相應的固定，否則容易造成電路板彎曲變形甚至折斷。整個拆卸安裝過程中，比較難的是拆除和安裝AMP連接器的環節，因為此部分電纜線非常多，而且電纜線的長度已經固定并且操作的空間非常狹小，操作上稍有不慎就會造成電纜線斷裂或引起某些連接處接觸不良，影響設備的正常工作，而且查找原因也非常困難。安裝完成后，將格式器插到Mark4機架的過程要非常小心，AMP連接器的針頭要準確無誤地插到后座的針孔中，否則會造成設備工作不正常。

5 FS計算機的控制文件的修改

硬件升級完成后，需要進行軟件部分的修改。進入FS計算機的/usr2/control/目錄，編輯equip.ctl文件，將type of rack的mk4選項變為mk5，將type of record 1選項的mk5a_bs變為mk5b_bs。運行FS程序，按下Ctrl+Shift+t鍵，同步時鐘信號后，應該在FS監視窗口看到1PPS信號、VSI狀態信息和32 Mhz信號正常的提示信息，之后再用GPS信號對時。

6 Mark5B采樣器的測試方法和步驟

升級完成后，需對Mark5B采樣器進行測試。

6.1 Windows操作系統中，采用在Matlab環境下編譯的mark5B_check.m程序做自相關測試

用VSI電纜線連接好 Mark5B采樣器和 Mark5B+，打開 Mark4、Mark5B+等設備電源，運行Mark5B+的“dimino程序”，在FS計算機上設置好記錄模式，然后記錄一段數據，將數據文件取出，并將它和mark5b_check.m程序一起放在同一目錄下，根據數據的記錄模式修改文件名、帶寬、通道數和比特模式等，最后運行Matlab程序，得到的自相關頻譜圖，見圖13。

圖13 相關頻譜圖Fig.13 Powers of the autocorrelation spectra of various channels

相關圖中反映的是VC的帶通特性，橫坐標為頻率(MHz)，縱坐標為幅度(dB)。本測試使用的是標準測地模式的設置，共用了14個VC，其頻率分別是110.99、120.99、150.99、210.99、320.99、400.99、450.99、470.99、192.99、207.99、217.99、247.99、267.99、272.99(單位:MHz)，視頻帶寬為2 MHz。其中，VC1和VC8上下兩個邊帶都被使用，其它VC則都用上邊帶。由頻譜可知，1～16 通道的 PCAL(相位校正信號)位置分別在0.61、0.62、0.63、0.64、0.65、0.66、0.67、0.68、0.39、0.32、0.51、0.52、0.53、0.54、0.55、0.56，其中，0.39 和0.32 分別對應 VC1 和 VC8 的下邊帶PCAL的位置，每個通道的PCAL間隔為1 MHz，信號幅度正常，符合PCAL信號特性。圖中第6和第9通道干擾比較大，這與用頻譜儀直接測試VC的結果是一致的，干擾原因主要來自3G信號以及VC本身的干擾。綜上所述，格式器升級成功。

6.2 通過VLBI聯測條紋檢測實驗來驗證

2010年6月4日南山站參加了EVN第2階段VLBI聯測的N10L2實驗，在條紋檢測實驗中，由本地記錄數據，共兩個目標觀測源，分別是4c39.25和1156+295，其中，4c39.25源的觀測時間從2010y155d12h26m20s開始記錄到2010y155d12h31m20s結束，scan名為no0004，共300 s，scan長度為92.897 Gb，提取該 scan 從2010y155d12h29m18.00s至2010y155d12h29m20.00s共2 s數據;1156+29 源的觀測時間從2010y155d14h08m00s開始記錄到2010y155d14h13m00s結束，scan名為no0019，共300 s，scan長度為406.426 Gb，提取該 scan從2010y155d14h11m59s至2010y155d14h12m00s共1 s的數據，然后通過網絡將這些數據ftp傳輸給EVN的JIVE相關中心，最后，通過登陸EVN相關處理中心網站http://www.evlbi.org/tog/ftp_fringes/ftp.html可以查詢到南山站成功相關出了干涉條紋。南山站與EF臺站(Effelsberg:德國100 m射電望遠鏡所在地)對scan004互相關后，在1 634.49 MHz的幅度圖和相位圖見圖14、15。

圖14 頻率為1 634.49 MHz的幅度圖Fig.14 Amplitude diagram at frequency 1 634.49 MHz

圖15 頻率為1 634.49 MHz的相位圖Fig.15 Phase diagram at frequency 1 634.49 MHz

表2 Mark4采樣與VSI比特流映射表Table2 Mapping of Mark4 sample streams to VSI bit streams

7 結論

南山站的Mark5采樣器于2010年3月20日完成所有升級工作，之后將不再支持Mark5A設備，記錄模式也由 Mark5A的8、16、32、64“track”模式變為 Mark5B和 B+的1、2、4、8、16、32“bitstream”模式，另外，Mark5B和Mark5B+還支持DBBC的觀測。利用兩個Mark5B記錄設備，連接到兩個VSI輸出連接器，記錄速率可以達到2048 Mb/s，單個的Mark5B+設備的最大記錄速率也可以達到2048 Mbps。采樣器工作頻率為32 MHz/s。為了節省費用，VSI卡將實現有限數量模式的操作，3種觀測模式:模式0即VLBA模式——USB(上邊帶)1到8和LSB(下邊帶)1到8;模式1即測地模式——USB1到14和LSB1和8;模式2即TVG模式——測試向量發生器，3種模式可由FS計算機根據觀測要求選擇，表2提供了Mark4采樣輸出與VSI比特流的映射情況。至此，烏魯木齊南山站VLBI終端已完全步入了Mark5B時代，對于今后記錄海量數據以及實時觀測都有非常重要的意義。

致謝:感謝美國Haystack天文臺的Dan Smyth先生在升級期間給予的協助。感謝上海天文臺的趙融冰、吳亞軍、韋文仁及夏博等在升級期間給予的幫助。

［1］錢志瀚，鄔林達.甚長基線射電干涉測量 ［M］.北京:測繪出版社，1983.

［2］Dan L S.IVS Technical Operations Workshop ［R/OL］.http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2007.

［3］Alan R Whitney.VSI-H Introduction(pdf)MIT Haystack Observatory［DB/OL］.http://www.haystack.edu/tech/vlbi/vsi/index.html.

［4］P de Vicente，C Almendros.Mark4 Formatter Upgrade with a VSI card ［S/OL］.http://www1.oan.es/informes/archivos/IT-OAN-2007-9.pdf.