本發(fā)明涉及射電觀測技術領域，更具體地涉及一種寬帶多信道數字相關接收機及接收方法。

背景技術：

射電波段的觀測是研究天體(包括太陽、地球、行星及太陽系外天體)的一個十分重要的手段，稱為射電觀測。因為射電輻射反映出輻射體重要的特性和狀態(tài)。不同波段的射電波反映出不同的特性和狀態(tài)，其輻射頻率與環(huán)境參數密切相關。因而根據某一頻率上射電輻射的觀測研究，可以推出源區(qū)的電子密度或磁場等物理信息。

在太陽物理領域，射電觀測可以提供從太陽色球到日地空間廣闊區(qū)域中、有關等離子體和高能粒子動力學行為等信息，這是其他手段所不具備的。因此，射電觀測是研究太陽劇烈活動最重要的探測手段。多波段寬帶頻譜射電觀測得到的各種頻譜精細結構，可以提供關于太陽日冕磁場、能量釋放機制、高能粒子的產生和傳播、以及相應的輻射機制等方面的豐富信息。由于太陽爆發(fā)活動初始能量釋放區(qū)附近空間的輻射主要發(fā)生在厘米～分米波段。而在此區(qū)域，厘米～分米波段成像觀測的缺失將嚴重制約探索太陽劇烈活動的起源和發(fā)生發(fā)展規(guī)律，并限制對太陽活動以及對人類影響的研究和預報能力。因此，研制在厘米～分米波段的射電寬帶日像儀就顯得格外重要。

到目前為止，太陽射電成像觀測主要集中于高時間分辨的頻譜流量觀測和少數幾個頻點上：如日本野邊山日像儀(nobeyamaradioheliograph，norh)在17ghz和34ghz2個頻點上觀測；法國南茜日像儀(nancayradioheliograph，nrh)在150～450mhz之間的5個頻點上觀測；俄羅斯伊爾庫茨克太陽射電望遠鏡(siberiansolarradiotelescope，ssrt)在5.7ghz單個頻點上觀測。

norh和nrh均基于綜合孔徑原理的干涉成像技術(ssrt目前正在根據綜合孔徑成像技術進行設備改造)對太陽進行射電成像觀測。一般而言，基于綜合孔徑成像的日像儀由天線陣列、模擬接收單元和數字相關接收機組成。其中數字相關接收機在日像儀中扮演著核心角色：對模擬接收單元輸出的中頻信號進行采集、濾波、預處理、量化和復相關運算。

如圖1和2均為norh數字相關接收機的整體結構框圖，分別對應數字采集量化部分和復相關部分。但是，上述現有技術仍然存在如下技術缺陷：

1、norh和nrh的數字相關接收機由于技術構架的限制，無法做到多頻率通道靈活觀測。如norh觀測頻率僅為17ghz和34ghz，nrh的觀測頻率只是150mhz～450mhz帶寬內的5個頻點；

2、由于norh和nrh在復相關運算之前采用1bit量化，相關輸出的靈敏度不高，在滿足nyquist采樣率的情況下僅為無量化相關靈敏度的63.7％。

技術實現要素：

基于以上問題，本發(fā)明的目的在于提出一種寬帶多信道數字相關接收機及接收方法，用于解決上述技術問題中的至少之一。

為了實現上述目的，作為本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供一種寬帶多信道數字相關接收機，包括：

數字采集模塊，用于輸入來自射電成像觀測采集的中頻模擬寬帶信號，并對中頻模擬寬帶信號進行多相濾波信道化處理和量化處理，得到一量化正交信號；

相關處理模塊，用于接收數字采集模塊輸出的量化正交信號，并對量化正交信號進行復相關運算得到一復相關結果；

同步控制模塊，用于接收數字采集模塊和相關處理模塊的狀態(tài)信號及復相關結果，并將接收的狀態(tài)信號和復相關結果打包后輸出。

進一步地，上述數字采集模塊具有多個中頻輸入通道，用于輸入來自射電成像觀測采集的多個天線的中頻模擬寬帶信號。

進一步地，上述多相濾波信道化通過多相濾波器組和級聯半帶濾波器組完成，多相濾波器組用于將中頻模擬寬帶信號進行信道化，得到正交基帶信號；級聯半帶濾波器組用于將正交基帶信號轉換為一系列以2倍帶寬下降的正交基帶信號。

進一步地，上述正交基帶信號經過量化處理后得到量化正交信號。

進一步地，對上述中頻模擬寬帶信號進行的處理還包括：信道選擇設置，用于根據觀測需要，對多信道輸出某個固定帶寬的正交基帶信號。

進一步地，對上述中頻模擬寬帶信號進行的處理還包括自相關處理，數字采集模塊對中頻模擬寬帶信號依次進行多相濾波通道化、信道選擇設置和信道自相關處理后，得到一自相關信號；同步控制模塊還用于接收自相關信號，并將自相關信號一并打包后輸出。

進一步地，上述量化為2-bit量化處理。

進一步地，上述同步控制模塊通過向數據采集模塊和相關處理模塊提供系統(tǒng)時鐘、時序信號、控制信號和系統(tǒng)參數，來實現對數據采集模塊和相關處理模塊的控制。

進一步地，上述系統(tǒng)參數包括延時補償和相位補償。

為了實現上述目的，作為本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供了一種寬帶多信道數字相關接收處理系統(tǒng)，包括上述的寬帶多信道數字相關接收機，還包括一存儲模塊和一電源模塊，其中：

存儲模塊，與同步控制模塊連接，用于接收并存儲打包后數字采集模塊和相關處理模塊的狀態(tài)信號和復相關結果；

電源模塊，用于為整個寬帶多信道數字相關接收處理系統(tǒng)的其他模塊供電。

本發(fā)明還提供了一種寬帶多信道數字相關接收方法，通過一包括同步控制模塊、數字采集模塊和相關處理模塊的寬帶多信道數字相關接收機實現，包括以下步驟：

步驟1、同步控制模塊向數字采集模塊和相關處理模塊發(fā)送指令，開始輸入自射電成像觀測采集的中頻模擬寬帶信號；

步驟2、數字采集模塊輸入中頻模擬寬帶信號，并對中頻模擬寬帶信號進行多相濾波信道化處理和量化處理，得到一量化正交信號和一自相關結果；

步驟3、相關處理模塊接收量化正交信號，并對量化正交信號進行復相關運算得到一復相關結果；

步驟4、同步控制模塊接收數字采集模塊和相關處理模塊的狀態(tài)信號及復相關結果，并將接收的狀態(tài)信號和復相關結果打包后輸出。

基于上述技術方案可知，本發(fā)明提出的寬帶多信道數字相關接收機及接收方法具有如下有益效果：

(1)在觀測時間內能夠實現多頻率通道觀測和信號處理，通過采用多相濾波器組(polyphase&fftfilterbank，pffb)和級聯半帶濾波器組(cascadehalfbandfilter-bank：chbf)，對中頻模擬寬帶信號進行多相濾波信道化處理，從而可靈活選取所需觀測基帶信號的帶寬與中心頻點，同時降低外界環(huán)境無線電干擾所帶來的影響；

(2)在對正交基帶信號復相關運算前，進行2-bit量化，相對于1-bit量化，2-bit量化的相關靈敏度可從63.7％提高至88.1％；

(3)通過對正交基帶信號進行自相關處理，在計算和輸出基帶信號復相關結果的同時，可獲得基帶信號的自相關功率值，因此本發(fā)明提出的寬帶多信道數字相關接收機也具備寬帶射電頻譜儀的基本功能。

附圖說明

圖1是日本nobeyama日像儀數字相關接收機的數字采集量化部分；

圖2是日本nobeyama日像儀數字相關接收機的復相關處理部分；

圖3是本發(fā)明一實施例提出的寬帶多信道數字相關接收機的結構示意圖；

圖4是本發(fā)明一實施例提出的明安圖射電日像儀的裝置圖；

圖5是本發(fā)明一實施例提出的寬帶多信道數字相關接收機的信號處理流程圖；

圖6是本發(fā)明一實施例提出的寬帶多信道數字相關接收機中，數字采集模塊的板卡裝置圖；

圖7是本發(fā)明一實施例提出的寬帶多信道數字相關接收機的安裝示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

由中國國家天文臺研發(fā)的、包括本發(fā)明的寬帶多信道數字相關接收機組件的明安圖射電頻譜日像儀(mingantuspectralradioheliograph，以下簡稱muser)，首次在厘米～分米波段(0.4ghz～15ghz)上實現同時以高空間、高時間和高頻率分辨率觀測太陽爆發(fā)活動的動力學性質，探測太陽劇烈活動的起源。它在具有國際先進水平的太陽射電寬帶動態(tài)頻譜儀和太陽磁場望遠鏡等國內現有儀器設備基礎上，填補目前國際上對太陽耀斑能量初始釋放區(qū)分米波段高分辨射電成像觀測的空白，力求在日冕物理研究中取得重要的原創(chuàng)性研究成果，使我國在太陽活動探測與研究、太陽活動對地影響等領域的研究進入國際先進行列，并推動我國在無線電物理學、等離子體物理學、地球物理學和空間科學以及航空、航天等學科領域的發(fā)展。

以下是明安圖射電頻譜日像儀與其他日像儀的性能對比表：

明安圖射電日像儀中的寬帶多信道數字相關接收機是其核心組成部分，其主要功能為接收和采集來自所有天線模擬后端的寬帶中頻信號，并對信號進行信道化、2-bit量化和復相關處理，輸出結果為不同天線間在各個基帶內的復相關輸出和自相關輸出。

具體地，本發(fā)明公開的用于明安圖射電日像儀中的寬帶多信道數字相關接收機，包括：

數字采集模塊，用于輸入來自射電成像觀測采集的中頻模擬寬帶信號，并對中頻模擬寬帶信號進行多相濾波信道化處理和量化處理，得到一量化正交信號；

相關處理模塊，用于接收數字采集模塊輸出的量化正交信號，并對量化正交信號進行復相關運算得到一復相關結果；

同步控制模塊，用于接收數字采集模塊和相關處理模塊的狀態(tài)信號及復相關結果，并將接收的狀態(tài)信號和復相關結果打包后輸出。

優(yōu)選地，上述數字采集模塊具有多個中頻輸入通道，用于輸入來自射電成像觀測采集的多個天線的中頻模擬寬帶信號。

上述多相濾波信道化通過多相濾波器組和級聯半帶濾波器組完成，多相濾波器組用于將中頻模擬寬帶信號進行信道化，得到正交基帶信號；級聯半帶濾波器組用于將正交基帶信號轉換為一系列以2倍帶寬下降的正交基帶信號。

上述正交基帶信號經過量化處理后得到量化正交信號。

優(yōu)選地，對上述中頻模擬寬帶信號進行的處理還包括：信道選擇設置，用于根據觀測需要，對多信道輸出某個固定帶寬的正交基帶信號。帶寬選擇時可以根據環(huán)境無線電干擾監(jiān)測結果來選擇無干擾的中心頻點所在信道進行輸出和后續(xù)量化相關處理，這樣可以將外界無線電干擾的影響降至最低。

優(yōu)選地，對上述中頻模擬寬帶信號進行的處理還包括自相關處理，數字采集模塊對中頻模擬寬帶信號依次進行多相濾波通道化、信道選擇設置和信道自相關處理后，得到一自相關信號；同步控制模塊還用于接收自相關信號，并將自相關信號一并打包后輸出。

優(yōu)選地，上述量化為2-bit量化處理。

上述同步控制模塊通過向數據采集模塊和相關處理模塊提供系統(tǒng)時鐘、時序信號、控制信號和系統(tǒng)參數，來實現對數據采集模塊和相關處理模塊的控制。

優(yōu)選地，上述系統(tǒng)參數包括延時補償和相位補償。

基于上述的寬帶多信道數字相關接收機，本發(fā)明還公開了一種寬帶多信道數字相關接收處理系統(tǒng)，包括上述的寬帶多信道數字相關接收機，還包括一存儲模塊和一電源模塊，其中：

存儲模塊，與同步控制模塊連接，用于接收并存儲打包后數字采集模塊和相關處理模塊的狀態(tài)信號和復相關結果；

電源模塊，用于為整個寬帶多信道數字相關接收處理系統(tǒng)的其他模塊供電。

本發(fā)明還公開了一種寬帶多信道數字相關接收方法，通過一包括同步控制模塊、數字采集模塊和相關處理模塊的寬帶多信道數字相關接收機實現，包括以下步驟：

步驟1、同步控制模塊向數字采集模塊和相關處理模塊發(fā)送指令，開始輸入自射電成像觀測采集的中頻模擬寬帶信號；

步驟2、數字采集模塊輸入中頻模擬寬帶信號，并對中頻模擬寬帶信號進行多相濾波信道化處理和量化處理，得到一量化正交信號和一自相關結果；

步驟3、相關處理模塊接收量化正交信號，并對量化正交信號進行復相關運算得到一復相關結果；

步驟4、同步控制模塊接收數字采集模塊和相關處理模塊的狀態(tài)信號及復相關結果，并將接收的狀態(tài)信號和復相關結果打包后輸出。

其中，數字采集模塊中用于實現輸入中頻模擬寬帶信號的器件為采樣率高于1gsps，量化位寬≥8位的模數轉換器，如e2v公司生產的ev10aq190；實現對中頻模擬寬帶信號進行多相濾波信道化處理和量化處理功能的器件為fpga芯片，如altera公司的型號為stratixiiiep3s260的fpga芯片。

以下通過具體實施例對本發(fā)明提出的寬帶多信道數字相關接收機及接收方法進行詳細描述。

實施例

如圖3所示，本實施例提出一種寬帶多信道數字相關接收機，包括：

數字采集模塊，用于輸入來自射電成像觀測采集的中頻模擬寬帶信號，并對中頻模擬寬帶信號依次進行多相濾波信道化處理、信道選擇設置和量化處理，得到一量化正交信號；對中頻模擬寬帶信號依次進行多相濾波信道化處理、信道選擇設置和信道自相關處理，得到一自相關結果；

相關處理模塊，與數字采集模塊連接，用于接收量化正交信號，并對量化正交信號進行復相關運算得到一復相關結果；

同步控制模塊，與數據采集模塊和相關處理模塊連接以進行控制，用于接收數字采集模塊和相關處理模塊的狀態(tài)信號及復相關結果和自相關結果，并將接收的狀態(tài)信號、復相關結果和自相關結果打包后輸出。

多相濾波信道化通過多相濾波器組和級聯半帶濾波器組完成，多相濾波器組用于將中頻模擬寬帶信號進行信道化，得到正交基帶信號；級聯半帶濾波器組用于將正交基帶信號轉換為一系列以2倍帶寬下降的正交基帶信號；該正交基帶信號經過量化處理后得到量化正交信號。

信道選擇設置用于根據觀測需要，對多信道輸出某個固定帶寬的正交基帶信號。

基于上述寬帶多信道數字相關接收機，本實施例還提出一種寬帶多信道數字相關接收處理系統(tǒng)，包括上述的寬帶多信道數字相關接收機，還包括一存儲模塊和一電源模塊，其中：

存儲模塊，與同步控制模塊連接，用于接收并存儲打包后數字采集模塊和相關處理模塊的狀態(tài)信號、復相關結果和自相關結果；

電源模塊，用于為整個寬帶多信道數字相關接收處理系統(tǒng)的其他模塊供電。

此處以明安圖射電日像儀為例，對本實施例的寬帶多信道數字相關接收機和寬帶多信道數字相關接收處理系統(tǒng)進行具體描述，寬帶多信道數字相關接收機的主要功能為接收和采集來自所有天線(muser-i陣列40天線，muser-h陣列60天線)模擬后端的寬帶中頻信號(帶寬為400mhz)，并對信號進行信道化、2-bit量化和復相關處理，輸出結果為不同天線間在各個基帶內的復相關輸出和自相關輸出。

在muser-i和muser-h陣列系統(tǒng)內部，由數字相關接收機mdcr-i和mdcr-h各自獨立實現上述功能。因兩者系統(tǒng)構架相似，這里僅描述mdcr-i的技術方案，明安圖射電日像儀的裝置組成如圖4所示，具體包括：

數字采集(dig)模塊輸入中頻模擬寬帶信號(帶寬400mhz)，輸出2-bit量化后的量化正交信號到相關處理模塊。dig模塊由6塊板卡組成，標記為dig-1～dig-6，其中dig-6為備用板卡。每塊dig板卡有8個模擬中頻輸入通道，每個通接收道以1gsps采樣率對來自前端8路天線的模擬寬帶信號(50mhz～450mhz)進行數字采樣，并將每路模擬寬帶信號進行16通道的正交信道化，在得到基帶的正交信號(i，q)后，對其進行2-bit量化，將2-bit量化后的正交基帶信號輸出到相關處理模塊。

相關處理(cor)模塊，輸入來自dig模塊的2-bit量化正交信號，進行復相關運算，并輸出復相關運算結果到同步控制模塊。cor模塊由4塊板卡組成，標記為cor-1～cor-4。每塊cor板卡使用32組信號線接收來自不同dig板卡量化后的正交基帶信號(輸入數據帶寬約為25.6gbps)，對不同天線相同基帶的量化正交信號進行復相關運算，并將復相關結果通過4組信號線輸出(輸出數據帶寬約為64mbps)。

同步控制(syn)模塊，用于控制dig模塊和cor模塊的輸入/輸出，主要有三個功能：1、為dig模塊和cor模塊提供系統(tǒng)時鐘和時序信號；2、向dig模塊和cor模塊傳輸系統(tǒng)控制信號和系統(tǒng)參數(如延時補償和相位補償)；3、接收來自cor模塊的復相關結果、來自dig模塊的自相關結果、dig模塊和cor模塊的狀態(tài)信息數據，將其封包作為最終輸出發(fā)送到存儲模塊。

dig模塊、cor模塊和syn模塊提供數據交互通道通過數據通信(com)模塊實現。com模塊設計為帶有13個數據插槽的背板，主要功能是為8塊dig板卡、4塊cor板卡和1塊syn板卡之間的數據通信提供高速數據通道。在com模塊背板上，8塊dig板卡的插槽設計是統(tǒng)一對等的；4塊cor板卡的插槽設計是統(tǒng)一對等的。對等板卡之間可以互換數據插槽。

圖4中標號①～⑥的信號描述如下：

①、天線到dig模塊的模擬信號，帶寬為400mhz；

②、syn模塊板卡到dig模塊板卡和cor模塊板卡的時鐘和時序控制信號；

③、dig模塊板卡輸出的2bit量化正交信號，作為cor模塊板卡的輸入；

④、syn模塊板卡到dig模塊板卡和cor模塊板卡的雙向數據總線，傳輸控制指令和返回的狀態(tài)信息；

⑤、cor模塊板卡輸出的相關結果數據，作為syn模塊板卡的數據輸入；

⑥、syn模塊板卡對復相關結果數據和其他系統(tǒng)信息進行數據封包所輸出的數據幀，通過高速數據總線傳輸到數據存儲單元。

圖5是本實施例提出的寬帶多信道數字相關接收機的信號處理流程圖，主要描述了對來自單個天線的寬帶信號的處理：首先高速模數轉換器(adc，采樣率為1gsps)對400mhz帶寬的寬帶信號(50～450mhz)進行采樣，采樣后的數字信號經過延時調整后進入到多相濾波器組pffb中，pffb對400mhz帶寬的數字信號進行信道化，得到初始帶寬為25mhz，中心帶寬在50～450mhz內均勻分布的16路正交基帶信號i、q。每路基帶信號經過相位補償后再經過級聯半帶濾波器組chbf，chbf對每路25mhz帶寬的基帶信號都輸出一系列以2倍帶寬下降的正交基帶信號：12.5mhz、6.25mhz、3.125mhz、1.5625mhz。這些不同帶寬的正交基帶信號再通過信道帶寬選擇器(channelbandwidthselector，cbs)，cbs將根據實際觀測需要，對所有信道輸出某個固定帶寬的基帶信號(默認為25mhz)，之后量化器(two-bitquantizer，tq)對16信道固定帶寬的基帶信號進行2-bit量化，輸出的2-bit正交基帶信號進入復相關器(complexmultiplier-accumulator，cmac)，cmac計算不同天線相同基帶信道之間的復相關結果。另外，cbs輸出的正交基帶信號同時還進入信道自相關器(channelauto-correlator，cac)，cac計算每個基帶信道的自相關(功率)結果。最終不同天線相同基帶信道的復相關結果和每個天線所有基帶信道的自相關結果作為主要數據，和其他參數共同封包(datapackager：dp)為輸出數據幀傳輸到存儲單元。

因此，mdcr進行太陽射電成像所需相關數據的數字信號處理算法絕大部分都在dig模塊中實現，包括寬帶信號的多相濾波信道化(pffb)、信道選擇設置(chbf&cbs)、2-bit量化(tq)和信道自相關(cac)，cor模塊主要實現的是對2-bit量化后的正交基帶信號進行復相關運算(cmac)。

其中，dig模塊的每塊板卡都具有完全相同的結構和元器件組成。高速數字采集模塊的功能由e2v公司生產的ev10aq190實現。單片ev10aq190包括4個通道，單通道采樣速率可達1.25gsps，量化位寬為10bits；延遲調整和相位補償功能、pffb、chbf、cbs、quantizer和cac等功能在altera公司生產的高性能fpga-stratixiiiep3s260內編程實現。

具體的，前端模擬寬帶信號(50mhz～450mhz)在經過高速數字采集和通過pffb后變?yōu)?6路帶寬為25mhz的數字正交基帶信號；進一步每路基帶信號通過chbf后根據不同抽頭，可分別獲得帶寬為12.5mhz、6.25mhz、3.125mhz和1.5625mhz的寬帶信號。以1.5625mhz的寬帶信號為例，在400mhz帶寬內共有256個中心頻點。在帶寬選擇時可以根據環(huán)境無線電干擾監(jiān)測結果來選擇無干擾的中心頻點所在信道進行輸出和后續(xù)量化相關處理，這樣可以將外界無線電干擾的影響降至最低。

如圖6所示，是本實施例中dig模塊數字采集板卡的電路板布局圖，從圖6可以看出，每塊數字采集板卡包括兩片atmele2v10aq190高速數字采集芯片和兩片alterastratixiiie260可編程邏輯芯片。其中每片atmel完成4路模擬寬帶信號的數字采集；alterastratixiii實現對數字信號的信道化、帶寬選擇和2-bit正交量化處理。整塊采集卡實現對8路模擬寬帶信號的數字采集和信道化處理。

圖7是本實施例提出的寬帶多信道數字相關接收機，在19英寸機柜內的安裝集成示意圖，如圖所示：數字相關接收機位于機柜上方，包括dig模塊、syn模塊和cor模塊在內的所有板卡通過vpx插槽連接到通信主板上，安裝在14u的機箱內。數字接收處理單元頂部空間安裝四個風扇盤以便散熱，為增加散熱效率，底部預留出風扇盤安裝空間。數字單元存儲服務器和存儲陣列位于19英寸機柜的中部(尺寸3u)和下部(尺寸16u)，通過光纖和數字接收處理單元模塊連接。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。