【摘 要】
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耀斑和日冕物质抛射等太阳爆发活动会干扰通讯系统、电力设施、人造卫星等正常工作,对人类的生产生活造成不利影响。因此,对于太阳爆发的观测和预报具有重要的研究价值和工程应用意义。射电波段是太阳观测的两个窗口之一,其中米波段具有丰富的太阳爆发现象。因此,对于米波段的观测研究已成为揭示太阳爆发物理过程的重要手段。随着数字技术以及无线电通讯的发展,太阳射电观测的仪器设备和技术方法日臻完善。接收机作为太阳射电观
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耀斑和日冕物质抛射等太阳爆发活动会干扰通讯系统、电力设施、人造卫星等正常工作,对人类的生产生活造成不利影响。因此,对于太阳爆发的观测和预报具有重要的研究价值和工程应用意义。射电波段是太阳观测的两个窗口之一,其中米波段具有丰富的太阳爆发现象。因此,对于米波段的观测研究已成为揭示太阳爆发物理过程的重要手段。随着数字技术以及无线电通讯的发展,太阳射电观测的仪器设备和技术方法日臻完善。接收机作为太阳射电观测系统的基础仪器设备,已经基本完成了数字化转型。数字接收机具有高分辨率、高灵敏度、稳定性好、设计灵活等优势,已成为太阳射电观测系统中的主流设备。得益于数字信号处理理论和集成电路技术的进步,高速高精度模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)以及超大规模现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的使用极大地提升了数字接收机的性能。本文结合山东大学槎山太阳观测站25~110 MHz低频阵列太阳射电观测系统的设计需求,研制了一款多通道数字接收机,主要研究内容如下:(1)本文运用模块化思想对接收机进行设计,并在此基础上设计了接收机的总体架构。接收机分为数据采集模块、数据实时处理模块、数据通信模块、驱动和上位机软件模块,根据观测目标及参数需求,本文采用高性能FPGA芯片XCKU115作为接收机控制和处理核心,设计了一款8通道ADC采集卡,采样率为250 MSPS,分辨率为16 bit,能够对观测频段进行高精度采样,并可应用于阵列天线的同步观测。(2)完成多通道ADC的功能配置与数据解析。配置多通道ADC采集卡的时钟和ADC芯片的寄存器,实现数据采集;解析ADC采集卡传输至FPGA中的双倍数据速率(Double Data Rate,DDR)低电压差分信号(Low-Voltage Differential Signal,LVDS)格式的数据,实现串并转换,同时优化时序,实现采样数据的正确接收;测试ADC采集卡的性能参数,无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)能够达到70 dBc左右,信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)在56 dB左右,测试结果表明采集卡具有较大的动态范围和较高的信噪比。(3)采用 PCIe(Peripheral Component Interconnect Express)通信协议实现太阳射电频谱数据的上传。测试和分析PCIe的各实现模式,比较其优劣,最终采用XDMA作为核心设计本接收机中PCIe的整体传输逻辑,为保证数据传输的完整性,引入MSI(Message Signaled Interrupt)中断设计和实现了 PCIe传输算法,实现了太阳射电频谱数据的上传,实现的最高传输速率可达5.5 GB/s左右。(4)编写上位机软件接收和进一步处理来自FPGA板卡的太阳射电频谱数据。软件实现了频谱数据的接收和存储,实现了谱线图和动态频谱图的实时显示,实现了对于累加点数的下发—用于调节系统的时间分辨率等。此外,软件还实现了无人值守自主观测,能够自动完成对太阳射电频谱数据的观测和保存,提高了观测效率。软件采用图形化界面设计,设计过程中注重良好的人机交互体验。最后,将本文所研制的多通道数字接收机应用于槎山站25~110MHz低频阵列太阳射电观测系统中,实现了 0.2~8.4ms可调的时间分辨率,30kHz的频率分辨率,多次获得包含精细结构的太阳射电爆发频谱,为太阳爆发物理过程的理论研究提供了科学的观测数据。
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