基于捷變收發器的射電天文窄帶譜線觀測平臺的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及射電天文中6GHz以下厘米-分米波段內窄帶譜線頻譜分析觀測 領域，尤其適合于工作于L-C波段大型望遠鏡對脈澤、分子譜線的觀測要求。 技術背景
[0002] 微波譜線在射電天文觀測中具有舉足輕重的地位，可用于診斷相關天體的基本物 理及化學條件，如激發溫度、粒子密度、物質運動區的速度場、磁感應強度及各種元素的化 學豐度等。通過觀測獲得分子云及恒星形成區的譜線數據后，可以通過適當的近似方法來 求解統計平衡輻射轉移方程，從而獲得天體的各種信息。
[0003] 通過對分子譜線的觀測，將使得我們能夠研究包括恒星形成區早期、恒星演化晚 期、超新星爆炸（超新星遺跡）、行星狀星云、彗星、河外星系等一系列的天文學現象。對它 們在C波段譜線的觀測研究，關聯了很多研究內容，例如：（1)基于6. 7GHz甲醇脈澤相關的 研究，6. 7GHz甲醇脈澤由于其輻射流量大、致密（角大小約4毫角秒，線大小約幾個天文單 位）、壽命長（約4年）、普遍存在（銀河系內探測到1000多個源）以及非常小的內部固有 運動等特點成為天文學和天體測量學中的一大熱點。它們不僅被用來開展與大質量恒星 形成有關的一系列研究，而且通過對它們視差的精確測量可以精確確定銀河系的一些關鍵 參數（如旋臂結構，這是迄今為止最高精度的測量方法），是銀河系研究中的一個重點；（2) 基于羥基和甲醛譜線的研究，也是近來受到廣泛關注的熱點領域，包含甲醛樣本搜尋以及 他們的輻射特性、羥基脈澤的搜尋以及通過羥基偏振觀測來研究磁場等一些研究內容；（3) 另外還有很多研究內容：比如C波段的分子譜線搜尋等，此處不在一一例舉。
[0004] 高頻譜分辨率的譜線觀測可以為研究者們帶來所研究目標天體內部更細節的信 息，它們通常可以使我們追蹤到更小尺度的結構以及其中更詳細的動力學特征等。又如 在某些高精度的譜線觀測中需要極高的頻率分辨率，例如對塞曼效應的觀測中：采用中 性氫HI觀測，每微高斯磁場產生的頻率移動2. 8Hz ;如采用OH的基態，每微高斯磁場在 I. 665GHz譜線上產生的頻率移動只有3. 27Hz，而在I. 667GHz譜線上產生的頻率移動是 1.96Hz。然而，由于目前傳統采用的射電天文終端設備是對射電天文模擬信號的高速ADC 過采樣原理實現的：采樣率為fsai^的ADC大約能覆蓋f __/2帶寬的信號目前增加采樣率 似乎成為解決大帶寬數據采集，實現寬頻段同時觀測的唯一途徑。
[0005] 而在該原理下由于采樣率fsanple、FFT點數N和頻譜分辨率Δ f三者的滿足以下關 系：
[0007] 故在傳統采樣原理下，做譜線的高精度輪廓結構觀測是非常困難的。因為在采樣 率一定的情況下，如果要得到更高的頻譜分辨率就必須增加 FFT變換點數N[5]，這就需要耗 費處理器內部乘法器，累加器以及存儲單元等資源，這樣大大增加了冗余數據量，對無信號 頻段也需要同時進行分析。
[0008] 目前，各大芯片公司和模塊化儀器公司都相繼在進行更高速更高帶寬的數據采集 芯片和設備設計開發，多種高速數據采集設備已經應用于部分天文觀測。例如=AcqiriS公 司開發的高速數據采集卡AC240,其帶寬為lGHz@8bit，已經應用于多臺射電望遠鏡，包括 德令哈的13. 7米毫米波望遠鏡，KOSMA毫米波亞毫米波望遠鏡；2014年8月，HOMIN JIANG 等人公布了采樣速率達到5GSpS@8bits的高速采集系統及B. Klien等人研發的FFTS數據 采集終端均是目前采樣速度最快的射電天文終端。
[0009] 然而根據原子受激輻射的特點，分子譜線呈現出離散局部密集線譜的特點而在另 外一些頻段能夠觀測的射電天文譜線又非常少。這樣，高速數據采集的優勢資源就大大浪 費在了一些沒有可觀測信號的頻率上，而且采樣率越高，浪費越多！
[0010] 2008年A. W. Hotan等人實現的IOOMHz輸入帶寬的數字終端-TasPGA，在觀測脈澤 源G285. 35+0. 00,在8MHz帶寬內實現488. 3Hz的頻譜分辨率需要16384點FFT。B. Klein 等人在FFTS上實現88. 3KHz已經需要32768點FFT。B. Klein等人總結的隨著采集速度的 上升，需要達到同樣頻率分辨率所需的FFT點數關系圖見圖1。
[0011] 隨著采集速度的上升，需要達到同樣頻率分辨率所需的FFT點數將大大增加這些 都為后端運算、存儲、傳輸帶來巨大壓力。
[0012] 針對上述問題，2005年S. Stanko等人嘗試在Effelsberg IOOm射電望遠鏡上建立 了基于DDC-GC4016 (digital down converters，數字下變頻器）的數字頻譜分析終端ICS 554C，引入了直接數字下變頻的概念與譜線數字終端中，見圖2所示。
[0013] 其有兩種工作方式：1.工作于全帶寬模式：50MHz，直接由ADC采集而進入FPGA做 FFT分析；2.窄帶工作方式：經DDC選通20KHz-10MHz帶寬，再送入FPGA進行處理。兩種方 式對同一條譜線的觀測效果見圖3所示。
[0014] 在2MHz帶寬模式下，相當于在全帶寬模式下相同的FFT點數提高了 25倍的頻率 分辨率。
[0015] 同時，云南大學柏正堯、中國科學院云南天文臺董亮等人提出了基于欠采樣方案 的采集終端，利用ADC的欠采樣性能可以達到更高的分辨率性能。但是以上兩種方案都以 增加電路的復雜結構為代價的，在集成電路日新月異的今天新的集成電路能夠取代上述方 案。
[0016] 目前ADI公司推出的AD93xx系列芯片是一種高性能、高度集成的RF Agile Transceiver?捷變收發器。該器件的可編程性和寬帶能力使其成為多種收發器應用的理 想選擇。該器件集RF前端與靈活的混合信號基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器 提供可配置數字接口，從而簡化設計導入。例如：AD9361工作頻率范圍為70MHz至6. 0GHz， 涵蓋大部分特許執照和免執照頻段，支持的通道帶寬范圍為不到200KHz至56MHz。
[0017] 較之于傳統的高速采樣數字頻譜終端，根據奈奎斯特定律達到6GHz的輸入帶寬 必須至少要有12Gsps的采樣速度，為此在捷變收發器選擇200kHz的輸入帶寬情況下，到達 同樣的分辨率，相當于點數提高了 240000倍！
[0018] 本實用新型擬采用和跟蹤世界最新和最先進的集成RF捷變收發器研發新型的專 用譜線接收機，實現快速寬帶內可切換的射電天文終端及其相關軟件，并初步為云南天文 臺40米射電望遠鏡提供高精度譜線能力，同時期望為中國更多的射電望遠鏡服務。
【發明內容】
[0019] 基于捷變收發器的射電天文窄帶譜線觀測平臺，本實用新型特征在于，由捷變 收發器AD9361電路板、FPGA控制電路板及控制計算機依次連接組成；其中，捷變收發器 AD936