VLBI数字基带转换器测试进展

罗近涛，陈 岚，吴亚军，项 英，朱人杰，余 赟，舒逢春，郝龙飞，张秀忠

(1.中国科学院上海天文台，上海 200030；2.中国科学院研究生院，北京 100049；3.中国科学院云南天文台，昆明 650011)

甚长基线干涉测量技术(VLBI，Very Long Baseline Interferometry)是一种重要的射电天文技术，最初为以高分辨率观测遥远类星体的结构而发展起来。经过40年左右的发展，VLBI已经成为当代角分辨率最高、定位精度最好的天文观测技术，不仅广泛用于天文学、测地学研究，在国际上也被广泛用于对深空探测器的高精度测量[1]。

VLBI系统的信号流程如图1，按照信号流向，VLBI系统可以分为数据采集系统、数据传输系统和数据处理系统。在VLBI2010展望中，定义了新型的VLBI数据终端[2]，该定义主要考虑以下几个方面：(1)新的系统需要包括接收机输出到数据记录或传输到相关处理机之前的全部信号处理功能；(2)将用数字逻辑电路来完成信号处理；(3)更高的可靠性能，更好的数据质量；(4)相比传统模拟终端，价格更低廉用途更广泛；(5)具有灵活的功能和可升级性。

图1 VLBI系统信号流程图Fig.1 Flowchart of the VLBI system

作为数据终端的重要组成部分，基带转换器(BBC，Baseband Converter)承担着频段选择、数据采集等任务。随着A/D转换器芯片工作时钟的提高，在更高的频率(1GHz～2GHz)[3-4]上将模拟信号数字化成为可能。同时，随着数字信号处理算法的丰富、FPGA(Field Programmable Gate Array)和DSP(Digital Signal Processing)芯片运行速度的提升，许多曾经只能用模拟器件实现的高频电子线路正逐步为数字电路所替代。芯片加算法成为数字电路发展的一种趋势。在此趋势下，美国、欧洲和日本等发达国家和地区都致力于新型数字VLBI数据终端的研究。这些研究有一个共性，采用高速A/D转换器和数字滤波器，对高频信号进行数字滤波，从而得到基带信号。

中国科学院上海天文台VLBI技术实验室从2002年开始研究数字滤波和数字基带转换器(DBBC，Digital Baseband Converter)，于2007年正式启动VLBI数字基带转换器项目。

2009年7月，利用中国VLBI网，在昆明—乌鲁木齐基线上，用VLBI长基线干涉测量方法对VLBI数字基带转换器进行了测试，并与一同参加测试的模拟基带转换器进行对比。此次VLBI长基线观测信号源为射电源。结果表明数字基带转换器带通性能优于模拟基带转换器；所观测射电源流量高时，数字基带转换器条纹信噪比优于模拟基带转换器，所观测射电源流量低时，数字基带转换器条纹信噪比与模拟基带转换器相当。

1 VLBI数字基带转换器

基带转换器是VLBI台站的关键设备，世界上大部分的VLBI台站所使用的是传统的模拟基带转换器。目前模拟基带转换器已经停产，使得继续使用和维护十分困难。新型的基于数字电路的VLBI转换器逐渐开始出现。

中国科学院上海天文台VLBI技术实验室从2002年开始研究数字滤波和数字基带转换器(DBBC，Digital Baseband Converter)，与意大利CNR共同研制了简化型DBBC[5]，为后续工作打下了坚实的基础。2007年正式启动VLBI数字基带转换器项目[6]。上海天文台VLBI数字基带转换器原理框图如图2，主要由模拟和数字两部分组成。来自天线接收机的中频信号经由模拟部分自动增益进行幅度调整，送往数字部分。数字部分首先对信号进行数字化，采样时钟1024MHz，量化所得数字信号送往数字下变频器，由数字下变频器进行数字下变频，得到数字基带信号。数字基带信号由通道选择器送往记录设备。

图2 VLBI数字基带转换器原理图Fig.2 Principle of the VLBI digital baseband converter

上海天文台VLBI数字基带转换器主要设计指标和特性如下：输入频标5MHz，采用1pps信号；输入中频数4路；通道数16(上下边带各8个)；通道带宽32MHz、16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz和0.5MHz，并且带宽可选；兼容Mark4格式器和Mark5B/C记录设备；兼容FS系统；相位校正信号和自相关监视输出；通过PCI总线进行控制；数字基带转换器数字部分的核心器件为信号处理板，尺寸为1U。该信号处理板载有一块高速A/D采样芯片，4块XilinxFPGA芯片，图3为信号处理板实物照片。

图3 VLBI数字基带转换器信号处理板Fig.3 Signal processing board of the VLBI digital baseband converter

目前上海天文台VLBI数字基带转换器项目已完成验收，在中国VLBI网4个观测站——上海佘山站、乌鲁木齐南山站、北京密云站和云南昆明站均安装有完整的数字基带转换器系统。

2 VLBI长基线测试

2009年7月8日，利用中国VLBI网，VLBI长基线观测对VLBI数字基带转换器进行了测试实验，观测站上模拟基带转换器作为对比参照，也参与了观测。

2.1 中国VLBI网

中国VLBI网(CVN,Chinese VLBI Network)由4个VLBI观测站(上海佘山站、乌鲁木齐南山站、北京密云站、云南昆明站)和一个VLBI相关处理中心(上海)构成，如图4。

上海站和乌鲁木齐站建于上世纪80～90年代，在国际VLBI联测中发挥了重要作用，是国际VLBI组织——欧洲VLBI网(EVN)、国际天体测量VLBI网(IVS)和亚太VLBI网的正式成员。北京密云站的50m口径射电望远镜和昆明站的40m口径射电望远镜为中科院国家天文台新建，承担绕月探测工程的数据接收任务和VLBI测轨分系统的联测任务。

图4 中国VLBI网Fig.4 Chinese VLBI Network

2.2 观测数据获取与处理

2009年7月8日的VLBI长基线观测，数据传输与处理流程如图5。参加观测的台站为中国VLBI网昆明观测站和乌鲁木齐观测站，两站数字基带转换器和模拟基带转换器均参与观测。观测目标源为射电源，数据有效时间从UT时间7月8日15：30左右开始，有效观测时间约8小时。有效观测时间内，对高流量和低流量射电源均进行了观测，观测时间段和相应的射电源及其流量见表1。

图5 数据传输与处理流程Fig.5 Block diagram of the data transfer and data processing

在7月8日观测中，数字基带转换器数据由Mark5B记录系统记录，模拟基带转换器数据由Mark5A记录系统记录，均按照事后模式记录在硬盘上。观测结束后，数据硬盘送至上海VLBI相关处理中心，使用软件相关处理机进行相关处理[7-8]。由于观测中安排有低流量射电源，相关处理机积分时间设为10min，FFT长度设为128点，获得足够的信噪比以获得条纹。相关处理机完成处理之后，生成输出结果，由数据分析软件计算长基线条纹的信噪比。

表1 有效数据时段所观测射电源及其流量

2.3 结果分析

CVN相关处理机输出结果包含有昆明观测站和乌鲁木齐观测站数据自相关谱以及两站数据互相关谱。数字基带转换器与模拟基带转换器自相关幅度谱如图6。图6中数字基带转换器和模拟基带转换器数据为昆明观测站记录，起始时间为UT2009年7月8日18点36分，数据时长10min，带宽2MHz，观测频段为X波段。

图6 数字基带转换器与模拟基带转换器自相关幅度谱Fig.6 Auto-correlation amplitudes of the digital baseband converter and the analog baseband converter

由图6可看出，数字基带转换器阻带比模拟基带转换器陡峭且更接近2MHz。数字基带转换器有效带宽较宽。图6中，模拟基带转换器通带内有起伏，沿斜线下降；数字基带转换器通带内保持水平。可以看出在有效带宽内，数字基带转换器自相关幅度谱比模拟基带转换器自相关幅度谱平坦。数字基带转换器幅度较平坦部分约为带通的90%，模拟基带转换器仅为75%～80%，数字基带转换器带通特性明显好于模拟基带转换器。

根据相关处理机输出结果，数据分析软件计算出长基线条纹信噪比。图7是昆明—乌鲁木齐基线上，数字基带转换器条纹信噪比和模拟基带转换器条纹信噪比。横轴为观测时间，左方纵轴为条纹信噪比，右方纵轴为所观测射电源流量。

图7 昆明—乌鲁木齐基线，数字基带转换器条纹信噪比和模拟基带转换器条纹信噪比以及所观测射电源的流量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

图7中，15：51时刻，数字基带转换器条纹信噪比低于模拟基带转换器条纹信噪比，其余时刻，数字基带转换器条纹信噪比不低于模拟基带转换器条纹信噪比。

图7中，所观测射电源流量低于1Jy时，数字基带转换器条纹信噪比和模拟基带转换器条纹信噪比均低于25，二者差距不大，数字基带转换器信噪比较模拟基带转换器条纹信噪比略高，或与之相当。所观测射电源流量高于1Jy时，二者均在56以上，数字基带转换器条纹信噪比明显高于模拟基带转换器条纹信噪比。由此可得出结论，射电源观测中，射电源流量高时，数字基带转换器性能好于模拟基带转换器，射电源流量低时，数字基带转换器性能与模拟基带转换器相当。

3 结 论

2009年7月8日，利用中国VLBI网昆明观测站、乌鲁木齐观测站和上海中心，以射电源为信号源，通过VLBI长基线观测，对两观测站的数字基带转换器进行测试，观测中对高流量和低流量射电源均有观测。两观测站上模拟基带转换器作为对照，一同参与观测。观测数据由CVN相关处理机处理，根据相关处理机输出结果计算出长基线条纹信噪比。

此次实验结果表明，数字基带转换器带通特性优于模拟基带转换器；数字基带转换器长基线条纹信噪比性能优于模拟基带转换器。

致谢：感谢中国VLBI网昆明观测站、乌鲁木齐观测站和上海观测站参加DBBC长基线条纹测试观测，上海VLBI相关处理中心完成了数据的相关处理。感谢VLBI数字基带转换器项目组全体成员的努力。

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