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CN113783637B - 一种边带分离的射电天文信号接收装置 - Google Patents

一种边带分离的射电天文信号接收装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种边带分离架构的射电天文信号接收装置，该装置是由馈源，放大器，电桥，第一和第二中频混频器，第一和第二中频放大器，第一和第二中频滤波器，本振、第一和第二中频模数转换器，基于FPGA的数字信号处理单元组成，射电天文信号经射电天文望远镜汇聚至馈源，经放大器、电桥，分为正交的两路信号，两路正交信号分别经中频混频器、中频放大器、中频滤波器，再经过模数转换器、基于FPGA的信号处理单元，输出分离的上边带信号和下边带信号。该装置通过基于FPGA的信号处理单元校准补偿模拟电路部分相位和幅度的不平衡，提高信号接收装置的边带抑制率，优化接收装置的性能。能够解决传统的模拟边带分离架构的接收机系统面临的边带抑制率低，复杂庞大的缺点。

Description

一种边带分离的射电天文信号接收装置
技术领域
本发明涉及一种边带分离的射电天文信号接收装置，专门用于射电天文领域。
背景技术
提高射电望远镜的灵敏度一直是射电天文技术领域的研究重点和热点。信号接收装置是射电望远镜的重要组成部分，其性能是影响其灵敏度的一项重要因素。相较于单边带和双边带结构配置，射电天文外差接收机的优选结构是边带分离架构。在较宽的频率范围内，边带分离接收机非常适合用于复杂的天文观测，因此，它们被广泛地应用于射电天文观测领域。跟双边带接收机相比，它们的主要优点是避免了频谱混淆，并能够降低系统温度。随着相关技术的发展，低温外差接收机的噪声温度指标正在迅速接近基本极限，但是其中一个重要的指标——边带抑制率仍然具有可提升的空间。由于在较大的射频和中频带宽保持较低的幅度和相位不平衡是极其困难的，因此，传统模拟方法只能实现较低的边带抑制率，这远远不能满足天文观测的需要。
此外，宽带和超宽带接收机需要经过多次混频调谐得到期望观测频率的信号，每一次变频都必须再经过滤波放大消除信号混叠和电平补偿，使得接收机非常庞大和复杂。传统模拟方式实现的边带分离架构的接收机装置，需要混频之后再连接一个电桥用于实现上下边带信号的分离。本发明所设计的一种边带分离的射电天文信号接收装置，通过在数字域对前端模拟电路产生的相位和幅度不平衡进行补偿校准,从而实现上下边带信号的分离，该方法大大提高了接收机的边带抑制比。同时，该设计通过在数字域实现上下边带的分离，减少了装置中前端模拟电路部分硬件器件的使用，这对于减小多波束和相控阵馈源接收机的体积具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种边带分离的射电天文信号接收装置，该装置是由馈源，放大器，电桥，第一和第二中频混频器，第一和第二中频放大器，第一和第二中频滤波器，本振、第一和第二中频模数转换器，基于FPGA的数字信号处理单元组成，射电天文信号经射电天文望远镜汇聚至馈源，经放大器、电桥，分为正交的两路信号，两路信号分别经过一次混频、放大、滤波，再经过模数转换器、基于FPGA的数字信号处理单元，输出两路上下边带分离的信号。该装置通过基于FPGA的信号处理单元校准补偿模拟电路部分相位和幅度的不平衡，提高信号接收装置的边带抑制率，优化接收装置的性能。能够解决传统的模拟边带分离架构的接收机系统面临的边带抑制率低，系统复杂庞大的缺点。
本发明所述的一种边带分离的射电天文信号接收装置，该装置是由馈源，射频滤波器，射频放大器，电桥，第一和第二中频混频器，第一和第二中频放大器，第一和第二中频滤波器，本振，功分器，第一和第二模数转换器及基于FPGA的数字信号处理单元组成，馈源(1)、射频滤波器(2)、射频放大器(3)和电桥(4)依次串联，电桥(4)第一输出端与第一中频混频器(5)的输入端相连，电桥(4)的第二输出端与第二中频混频器(51)的输入端相连；第一中频混频器(5)的输出端依次与第一中频放大器(6)、第一中频滤波器(7)和第一模数转换器(8)的输入端串联，并与基于FPGA的信号处理单元(9)连接；第二中频混频器(51)的输出端依次与第二中频放大器(61)、第二中频滤波器(71)和第二模数转换器(81)输入端串联，并与基于FPGA的信号处理单元(9)连接；谐波抑制功分器(10)的输入端与本振(11)连接，谐波抑制功分器(10)第一输出端与第一中频混频器(5)的比较信号输入端连接，谐波抑制功分器(10)第二输出端与第二中频混频器(51)的比较信号输入端连接；基于FPGA的信号处理单元(9)包括第一多项滤波模块(12)、第二多项滤波模块(121)、内存(13)和校准处理模块(14)，第一多项滤波模块(12)和第二多项滤波模块(121)分别由FIR滤波器和FFT变换组成；具体操作按下列步骤进行：
a、射电天文信号经望远镜汇聚后进入馈源(1)，再经射频滤波器(2)，射频放大器(3)和电桥(4)后，分为两路正交信号；
b、将步骤a中的两路正交信号分别经第一混频器(5)和第二混频器(51)降频为两路正交中频信号；
c、将步骤b中的两路正交中频信号分别经第一中频放大器(6)、第二中频放大器(61)、第一中频滤波器(7)和第二中频滤波器(71)后，进入第一模数转化器(8)和第二模数转化器(81)转化成两路正交的数字信号；
d、将步骤c中的两路正交的数字信号经过基于FPGA的信号处理单元(9)处理，基于FPGA的信号处理单元(9)中的第一多相滤波模块(12)和第二多相滤波模块(121)分别将两路正交数字信号各自划分为n个频率通道信号，并进行快速傅里叶转换，校准处理模块(14)对经快速傅里叶转化后的多通道信号进行幅度和相位的校准处理，分别计算输出边带分离的上边带信号和下边带信号。
步骤d中所述校准处理模块(14)读取内存模块(13)中的各个频率通道的校准系数，分别与对相应通道信号进行校准计算得到校准后的多通道信号；
所述校准系数是预先在射频滤波器(2)的输入端，依次注入n个频率通道的测试信号，经第一多项滤波模块(12)和第二多项滤波模块(121)处理后，获得两路正交信号各自在每个频率通道的信号复数值，再经计算得到每个频率通道的校准系数，并生成校准系数文件。
本发明所述的一种边带分离的射电天文信号接收装置，该装置中所述基于FPGA的信号处理单元(9)包括第一多相滤波模块(12)、第二多相滤波模块(121)、内存模块(13)和校准处理模块(14)，其处理过程步骤：
第一多相滤波模块(12)和第二多相滤波模块(121)分别将来自第一模数转化器(8)和第二模数转化器(81)的两路正交信号各自划分为n个频率通道信号，并经快速傅里叶转换，输出复数X1(i)和X2(i)，其中i＝0，1，2，...，n-1；
校准处理模块(14)从内存(13)中读取n个频率通道的校准系数C1(i)，C2(i)，C3(i)和C4(i)，并分别经计算校准输出分离的上边带和下边带的信号数据：上边带信号数据＝X1(i)c1(i)+X2(i)C2(i)，下边带信号数据＝X1(i)C3(i)+X2(i)C4(i)；
所述校准系数的获得：在所述边带分离架构的射电天文信号接收装置的射频滤波器(2)的输入端，依次注入n个频率通道的测试信号；在第一多项滤波器(12)和第二多项滤波器(121)的输出端将分别得到两路正交信号在每个频率通道的信号复数值X1(i)＝A1(i)+jB1(i)和X2(i)＝A2(i)+jB2(i)，其中i＝0，1，2，...，n-1，经以下公式计算，
Figure BDA0003265299240000031
C1(i)＝C4(i)＝1+0j，即得到每个频率通道的校准系数C1(i)，C2(i)，C3(i)和C4(i)。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：通过在数字域校准补偿前端模拟电路部分产生的幅度和相位的不平衡，大大提高信号接收装置的边带抑制比，同时，由于减少了前端模拟部分器件的使用，能够减小接收装置的设计尺寸。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明基于FPGA的信号处理单元结构示意图。
具体实施方式
本发明所述的一种边带分离的射电天文信号接收装置，该装置是由馈源，射频滤波器，射频放大器，电桥，第一和第二中频混频器，第一和第二中频放大器，第一和第二中频滤波器，本振，功分器，第一和第二模数转换器和基于FPGA的数字信号处理单元组成，馈源1、射频滤波器2、射频放大器3和电桥4依次串联，电桥4第一输出端与第一中频混频器5的输入端相连，电桥4的第二输出端与第二中频混频器51的输入端相连；第一中频混频器5的输出端依次与中第一中频放大器6、第一中频滤波器7和第一模数转换器8的输入端串联，并与基于FPGA的信号处理单元9连接；第二中频混频器51的输出端依次与第二中频放大器61、第二中频滤波器71和第二模数转换器81输入端串联，并与基于FPGA的信号处理单元9连接；谐波抑制功分器10的输入端与本振11连接，谐波抑制功分器10第一输出端与第一中频混频器5的比较信号输入端连接，谐波抑制功分器10第二输出端与第二中频混频器51的比较信号输入端连接；基于FPGA的信号处理单元9包括第一多项滤波模块12、第二多项滤波模块121、内存13和校准处理模块14，第一多项滤波模块12和第二多项滤波模块121分别由FIR滤波器和FFT变换组成；具体操作按下列步骤进行：
a、射电天文信号经望远镜汇聚后进入馈源1，再经射频滤波器2，射频放大器3和电桥4后，分为两路正交信号；
b、将步骤a中的两路正交信号分别经第一混频器5和第二混频器51降频为两路正交中频信号；
c、将步骤b中的两路正交中频信号分别经第一中频放大器6、第二中频放大器61、第一中频滤波器7和第二中频滤波器71后，进入第一模数转化器8和第二模数转化器81转化成两路正交的数字信号；
d、将步骤c中的两路正交的数字信号经过基于FPGA的信号处理单元9处理，基于FPGA的信号处理单元9中的第一多相滤波模块12和第二多相滤波模块121分别将来自第一模数转化器8和第二模数转化器81的两路正交信号各自划分为n个频率通道信号，并进行快速傅里叶转换，校准处理模块14对经快速傅里叶转化后的多通道信号进行幅度和相位的校准处理，并分别经计算校准输出边带分离的上边带信号和下边带信号；
步骤d中所述校准处理模块14读取内存模块13中的各个频率通道的校准系数，分别与对相应通道信号进行校准计算得到校准后的多通道信号；
所述校准系数，是预先在射频滤波器2的输入端，依次注入n个频率通道的测试信号，经第一多项滤波模块12和第二多项滤波模块121处理后，获得两路正交信号各自在每个频率通道的信号复数值，再经计算得到每个频率通道的校准系数；
如图1所示，射电天文信号经望远镜汇聚后进入馈源1，经射频滤波器2，射频放大器3和电桥4后，分为两路正交信号；
两路正交信号分别经第一中频混频器5和第二中频混频器51降频为两路正交中频信号；
两路正交中频信号分别经第一中频放大器6和第二中频放大器61，第一中频滤波器7和第二中频放大器71后，进入第一模数转化器8和第二模数转化器81转化成两路正交的数字信号；
两路正交的数字信号经过基于FPGA的信号处理单元9处理，基于FPGA的信号处理单元9中的第一多相滤波模块12和第二多相滤波模块121分别将来自第一模数转化器8和第二模数转化器81的两路正交信号各自划分为n个频率通道信号，并进行快速傅里叶转换，校准处理模块14对经快速傅里叶转化后的多通道信号进行幅度和相位的校准处理，并分别经计算校准输出边带分离的上边带信号和下边带信号；
参见图2，基于FPGA的信号处理单元9包括第一多相滤波模块12、第二多相滤波模块121、内存模块13和校准处理模块14；第一多相滤波模块12和第二多相滤波模块121分别由FIR滤波器和FFT变换组成，FIR滤波器将来自模数转换器的两路正交信号各自分别划分为n个通道；两路正交信号的各通道信号经FFT变换后的复数信号分别用X1(i)和X2(i)表示，其中i＝0，1，2，...，n-1；校准处理模块14读取内存13中的各个频率通道的校准系数，对复数信号X1(i)和X2(i)进行计算校准处理，计算公式如公式(1)和(2)：
上边带各通道信号＝X1(i)×C1(i)+X2(i)×C2(i) (1)
下边带各通道信号＝X1(i)×C3(i)+X2(i)×C4(i) (2)
校准系数的获取，需要在图1所示的射频滤波器2输入端，依次注入n个频率通道的测试信号；在第一多项滤波模块12和第二多项滤波模块121的输出端将得到两路正交信号各自在每个频率通道上的信号复数值X1(i)＝A1(i)+jB1(i)和X2(i)＝A2(i)+jB2(i)，i＝0，1，2，...，n-1；通过公式(3)和(4)计算得到校准系数C1(i)，C2(i)，C3(i)和C4(i)：
Figure BDA0003265299240000051
Figure BDA0003265299240000052
其中，C1(i)＝C4(i)＝1+0j，
Figure BDA0003265299240000053
当接收装置本振11的频率和功率发生变化时，需要重新获取新的校准系数。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种边带分离的射电天文信号接收装置，其特征在于，该装置是由馈源，射频滤波器，射频放大器，电桥，第一和第二中频混频器，第一和第二中频放大器，第一和第二中频滤波器，本振，功分器，第一和第二模数转换器及基于FPGA的数字信号处理单元组成，馈源（1）、射频滤波器（2）、射频放大器（3）和电桥（4）依次串联，电桥（4）第一输出端与第一中频混频器（5）的输入端相连，电桥（4）的第二输出端与第二中频混频器（51）的输入端相连；第一中频混频器（5）的输出端依次与第一中频放大器（6）、第一中频滤波器（7）和第一模数转换器（8）的输入端串联，并与基于FPGA的信号处理单元（9）连接；第二中频混频器（51）的输出端依次与第二中频放大器（61）、第二中频滤波器(71)和第二模数转换器（81）输入端串联，并与基于FPGA的信号处理单元（9）连接；谐波抑制功分器（10）的输入端与本振（11）连接，谐波抑制功分器（10）第一输出端与第一中频混频器（5）的比较信号输入端连接，谐波抑制功分器（10）第二输出端与第二中频混频器（51）的比较信号输入端连接；基于FPGA的信号处理单元（9）包括第一多项滤波模块（12）、第二多项滤波模块（121）、内存（13）和校准处理模块（14），第一多项滤波模块（12）和第二多项滤波模块（121）分别由FIR滤波器和FFT变换组成；具体操作按下列步骤进行：
a、射电天文信号经望远镜汇聚后进入馈源（1），再经射频滤波器（2），射频放大器（3）和电桥（4）后，分为两路正交信号；
b、将步骤a中的两路正交信号分别经第一混频器（5）和第二混频器（51）降频为两路正交中频信号；
c、将步骤b中的两路正交中频信号分别经第一中频放大器（6）、第二中频放大器（61）、第一中频滤波器（7）和第二中频滤波器（71）后，进入第一模数转化器（8）和第二模数转化器（81）转化成两路正交的数字信号；
d、将步骤c中的两路正交的数字信号经过基于FPGA的信号处理单元（9）处理，基于FPGA的信号处理单元（9）中的第一多相滤波模块（12）和第二多相滤波模块（121）分别将两路正交数字信号各自划分为n个频率通道信号，并进行快速傅里叶转换，校准处理模块（14）对经快速傅里叶转化后的多通道信号进行幅度和相位的校准处理，分别计算输出边带分离的上边带信号和下边带信号。
2.根据权利要求1所述的射电天文信号接收装置，其特征在于，步骤d中所述校准处理模块（14）读取内存模块（13）中的各个频率通道的校准系数，分别与对相应通道信号进行校准计算得到校准后的多通道信号。
3.根据权利要求2所述射电天文信号接收装置，其特征在于，所述校准系数是预先在射频滤波器（2）的输入端，依次注入n个频率通道的测试信号，经第一多项滤波模块（12）和第二多项滤波模块（121）处理后，获得两路正交信号各自在每个频率通道的信号复数值，再经计算得到每个频率通道的校准系数，并生成校准系数文件。
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