y，FPGA)作为核心器件。在采集端，通过高速ADC实现多通道数据采集，然后利用数字信道化处理、将采集的宽带信号划分为多个窄带子信道;并对子信道进行灵活的分组合并，划分成若干子频段进行传输。在处理端，对接收到的多通道子频段信号进行窄带多波束DBF处理，最终获得窄带形式的多波束处理结果O
[0044]具体技术方案如下:
[0045]本实施例包括两个采集分机，每个采集分机对若干个天线通道信号进行数据采集，然后将每个天线通道的采集数据划分为4个窄带子频段数据，最后通过光口将所有通道对应的窄带子频段数据发送到处理分机。
[0046]在本实施例中，采用高速ADC作为多通道采集模块，单个采集分机总共可实现32个天线通道信号采集;采用FPGA的内部逻辑实现数字信道化模块，实现4096子信道的数字信道化处理;采用FPGA内部高速串行收发器(Gunning Transceiver Logic，GTX)实现多光口发送模块。每个处理分机接收各个采集分机相同频段的窄带子频段数据，然后经过窄带DBF模块进行处理，得到16个独立的波束处理结果。
[0047]在本实施例中，每个处理分机包括4块板卡，每块板卡包括2片FPGA处理单元;采用FPGA的内部逻辑实现窄带DBF模块，实现16个独立波束的窄带DBF;采用FPGA内部高速串行收发器(Gunning Transceiver Logic，GTX)实现4路光口接收模块。
[0048]采集分机由多通道采集模块、数字信道化模块、多光口发送模块组成，对32个天线通道进行数据采集，并进行频域切分处理、将采集的宽带信号数据划分成4个窄带子频段数据，发送给处理分机。具体地，本实施例提供的射电天文阵列的高可扩展性分布式DBF处理方法，包括如下步骤:
[0049]步骤1:对64个天线通道的射频信号进行采集，得到数字化的采集数据；
[0050]其中，每个采集分机包括8块板卡，每块板卡包括4片高速ADC，可实现32天线通道信号采集，采用500Msps的高速ADC芯片(瞬时带宽250MHz)实现对50-200MHZ信号的采集；
[0051]步骤2:将采集数据进行数字化处理，把每个天线通道的采集数据划分为4096个窄带子信道数据;然后对每通道4096个窄带子信道的数据进行分组合并，得到4个子频段数据；
[0052]其中，本实施例中的采集分机每块板卡包括2片FPGA处理单元，每片FPGA处理单元对应2个ADC采集通道，实现4096点数字信道化处理。将250MHz带宽的采集信号划分为4096个子信道，子信道标号从1-4096，每个子信道带宽61KHz。对应50-200MHZ有效频带范围内的子信道标号为819-3278，将标号为819-3278的子信道分为4组，得到4个子频段数据，其中每个子频带包含32个通道、每通道615个连续子信道、每通道子频段带宽为37.54MHz ；
[0053]步骤3:将4个子频段数据分别发送至4个处理分机。
[0054]本实施例中每个子频带数据对应的传输带宽约为30Gbps，每个子频带需要分配4路1Gbps光口进行数据传输;每个采集分机输出4个子频带数据，总共需要16个光口；处理分机由多光口接收模块、窄带DBF模块组成，对接收的各个采集分机的子频段数据进行窄带DBF处理，得到独立的16个波束处理结果。具体地，包括如下步骤:
[0055]步骤S1:通过多光口接收模块，接收各个采集分机发送的子频段数据；
[0056]本实施例中每个处理分机包括4块板卡，每块板卡包括2片FPGA处理单元。每个处理分机接收2个采集分机发送的相同频段的一个子频带数据，总共需要8路1Gbps光口进行数据接收。
[0057]步骤S2:将接收的子频段数据通过窄带DBF模块进行处理，对各个天线通道中、相同频率的窄带子信道数据进行加权求和，得到独立的16个波束处理结果。
[0058]本实施例中处理分机对接收的两个采集分机64个天线通道的子频段数据进行窄带DBF处理，具体处理方法为对相同标号的窄带子信道数据进行加权求和，即可得到I个独立波束，由于每个窄带子频段包含615个子信道数据，同时需要生成16个独立波束，因此处理分机4块处理板卡需要对615个子信道数据进行16个独立波束的窄DBF处理，得到16个波束处理结果。
[0059]本发明系统中的分布式DBF处理架构具有很高的灵活性和可扩展性，可以通过调整采集分机和处理分机的个数，实现系统波束数目、天线通道数目、传输能力的灵活拓展。下面通过本实施例进行详细说明。
[0060]如果需要将形成波束数目从16个拓展到32个，天线通道数不变，只需要增加4个处理分机，在处理分机的处理能力不变的情况下，由于同时生成波束数目增加了一倍，那么对应处理的子频带带宽将缩减一倍，这时只需要将采集分机发送子频带个数变成8个(相当于每个子频带对应2路光口，采集分机本身不需要做任何改动)，每个处理分机接收2个采集分机总共4路I OGbps光口数据，生成32个独立波束。
[0061]如果需要将天线通道数由64通道拓展到128通道，形成波束数目不变，需要增加2个采集分机和4个处理分机，在采集分机和处理分机的处理能力不变的情况下，由于每个处理分机DBF处理通道数目增加一倍，那么对应处理的子频带带宽将缩减一倍，此时每个采集分机发送子频带个数变成8个(相当于每个子频带对应2路光口，采集分机本身不需要做任何改动)，每个处理分机接收4个采集分机总共8路1Gbps光口数据，生成16个独立波束。
[0062]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【主权项】
1.一种射电天文阵列的高可扩展性分布式DBF处理系统，其特征在于，包括:N个采集分机和M个处理分机，其中N、M为大于零的自然数； 所述采集分机，用于采集P个天线通道的数据，并将每个天线通道采集的数据划分为M个窄带子频段数据后传输至对应的M个处理分机，其中P为大于零的自然数； 所述处理分机，用于接收各个采集分机相同频段的窄带子频段数据，处理后得到Q个独立的波束，其中Q为大于零的自然数。2.根据权利要求1所述的射电天文阵列的高可扩展性分布式DBF处理系统，其特征在于，所述采集分机包括:多通道采集模块、数字信道化模块、多光口发送模块;其中， 所述多通道采集模块，用于对P个天线通道的射频信号进行采集，得到采集数据； 所述数字信道化模块，用于将采集数据进行数字处理，并把每个天线通道的采集数据划分为K个窄带子信道数据;对P个通道中每个通道的K个窄带子信道的数据进行分组合并，得到M个子频段数据； 所述多光口发送模块，用于将M个子频段数据分别发送至M个处理分机。3.根据权利要求1所述的射电天文阵列的高可扩展性分布式DBF处理系统，其特征在于，所述处理分机包括:多光口接收模块、窄带DBF模块;其中， 所述多光口接收模块，用于接收各个采集分机发送的子频段数据； 所述窄带DBF模块，用于将接收的子频段数据进行处理，即对各个天线通道中相同频率的窄带子信道数据进行加权求和，得到独立的Q个波束处理结果。4.一种射电天文阵列的高可扩展性分布式DBF处理方法，其特征在于，包括如下步骤: 数据采集步骤:采集P个天线通道的数据，并将每个天线通道采集的数据划分为M个窄带子频段数据； 数据处理步骤:接收M个窄带子频段数据中各个相同频段的窄带子频段数据，处理后得至IjQ个独立的波束。5.根据权利要求4所述的射电天文阵列的高可扩展性分布式DBF处理方法，其特征在于，所述数据采集步骤包括: 步骤Al:对P个天线通道的射频信号进行采集，得到采集数据； 步骤A2:将采集数据进行数字处理，并把每个天线通道的采集数据划分为K个窄带子信道数据;对P个通道中每个通道的K个窄带子信道的数据进行分组合并，得到M个子频段数据。6.根据权利要求5所述的射电天文阵列的高可扩展性分布式DBF处理方法，其特征在于，所述数据处理步骤包括: 步骤BI:接收各个子频段数据； 步骤B2:将接收的子频段数据进行处理，即对各个天线通道中相同频率的窄带子信道数据进行加权求和，得到独立的Q个波束处理结果。
【专利摘要】本发明提供了一种射电天文阵列的高可扩展性分布式DBF处理系统及方法，实现了对通道采集、数据传输和DBF信号处理的完全解耦。在采集端，利用数字信道化处理、将宽带信号划分为多个窄带子信道；并对子信道进行灵活的分组合并，划分成若干子频段进行传输。在处理端，对接收到的多通道子频段信号进行窄带多波束DBF处理，最终获得窄带形式的多波束处理结果。本发明中的DBF处理架构采用分布式的系统设计，突破了集中式的系统架构中处理能力和传输带宽的限制，支持宽带、多通道、多波束的系统实现，而且具有配置灵活、高可扩展性的特点，非常适合大规模射电天文望远镜阵列使用。
【IPC分类】G01V3/12
【公开号】CN105652326
【申请号】
【发明人】宫新保, 罗笑雨, 黄森洪, 杨高雄, 秦冕
【申请人】上海交通大学
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2016年1月12日