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严发宝团队在新型射电天文数字接收机研制上取得进展

2022年06月20日 17:52    浏览次数:

近日,在校院及基金委重大项目课题和面上项目等支持下,星月互联网科技、空间科学研究院联合成立的空间电磁探测技术实验室(LEAD)成功研制出新一代射电天文数字接收机,研究成果以“A 3 Giga sample per second 14-bit digital receiver with 9GHz input bandwidth for solar radio observation”、“A New Multichannel Parallel Real-time FFT Algorithm for a Solar Radio Observation System Based on FPGA”为题,分别发表在学术期刊Research in Astronomy and Astrophysics、Publications of the Astronomical Society of the Pacific。实验室博士研究生张园园为上述论文的第一作者,LEAD实验室主任严发宝副教授为上述论文的通信作者。

图1(a)数字接收机(b)数字接收机指标

数字接收机是太阳射电望远镜的重要组成部分,执行射电信号的模数转换和数字信号处理功能。当前用于太阳射电观测的数字接收机普遍采样率低、分辨率低、采样带宽窄,上述因素大大增加了射电观测系统的模拟前端系统的复杂性,也降低了观测系统的时间分辨率、频率分辨率等重要指标。

为解决上述问题,LEAD实验室设计并研制了一种性能优良的数字接收机,该数字接收机的ADC分辨率为14位、四个输入通道、最高支持3Gsps采样,现场可编程门阵列(FPGA)芯片XCKU115作为处理模块。这种新型数字接收机可以直接对频率低于9GHz的太阳射电信号进行采样,当接收到9GHz以上的太阳射电信号时,新型数字接收机可节省1-2级频率下变频模块,有效提高太阳射电观测系统的时间分辨率、降低模拟电路系统的重量和体积等多项指标。

同时,在研制该接收机的过程中,LEAD实验室开发出一种新型多通道并行FFT算法,称为MPR-FFT算法。相比于传统的并行FFT算法,MPR-FFT算法在提高实时处理速度的同时也大大减少FPGA资源占用。例如,在进行16K点的运算时,查找表、分布式RAM、触发器和数字信号处理单元分别减少了37%、50%、17%和2.48%。相应算法得到了华为等公司的关注,并进行了多次研讨。

基于该型数字接收机,结合MPR-FFT算法可提供高速、大数据量的FFT运算,从而实现高时间分辨率和频率分辨率的天文射电观测。目前已用于空间科学研究院槎山太阳射电观测站相关系统,有望在雷达、射电探测等领域扩大应用。

LEAD实验室自2018年初由星月互联网科技严发宝副教授与空间科学研究院陈耀教授联合控制工程、空间科学、电子信息等学科的多位老师成立,作为上海星月互联网科技有限公司空间科学攀登计划团队的重要组成部分,围绕微波探测与智能信息处理关键技术突破,积极对接国家战略和地方需求,获得了国家自然基金重大科研仪器研制项目、基金委重大项目课题、国家重大科技基础设施——子午工程II期、****预研、山东省重大科技创新工程等项目资助,有效推动了跨学院的多学科汇聚交叉创新与融合发展。

相关研究得到了攀登计划创新团队、基金委重大项目课题、面上项目等资助,同时感谢北京坤驰科技有限公司的协助。

作者:文/刘秀萌 图/刘秀萌 责任编辑:牛淼淼