[發明專利]寬帶高分辨率實時快速傅立葉變換數字頻譜儀

無效

• 申請號: 200910027823.2
• 申請日: 2009-05-15
• 公開（公告）號: CN101561464A
• 公開（公告）日: 2009-10-21
• 發明（設計）人: 林鎮輝;楊戟;李升;李方慧;卑寅
• 申請（專利權）人: 中國科學院紫金山天文臺;上海韋屆特機電科技有限公司
• 主分類號: G01R23/16
• 分類號: G01R23/16
• 代理公司: 南京知識律師事務所
• 代理人: 樊文紅

技術領域

本發明涉及一種頻譜分析設備，特別是一種用于射電天文的寬帶高分辨率實時快速傅立葉變換(FFT)頻譜儀。

背景技術

頻譜儀是射電天文等領域進行信號頻譜分析必不可少的儀器之一。射電天文用頻譜儀主要有模擬濾波器組頻譜儀(Filter?Bank?Spectrometer，FBS)，聲光頻譜儀(Acousto-Optical?Spectrometer，AOS)，自相關頻譜儀(Auto?Correlation?Spectrometer，ACS)和FFT頻譜儀(快速傅立葉變換數字頻譜儀Fast?Fourier?Transform?Spectrometer，FFTS)。模擬濾波器組頻譜儀主要由模擬濾波器組，檢波器，積分器和讀出電路等組成，由于存在通道一致性差和鄰道串擾等不足，無法實現高分辨頻譜分析；聲光頻譜儀主要由激光源、光路擴束準直器、聲光偏轉器、傅氏透鏡、線陣光電耦合器件CCD(Charge?Coupled?Device)和讀出電路等組成，集成機光電等技術，盡管可以實現窄帶高分辨頻譜分析，但其穩定受聲光偏轉器、CCD等模擬部件影響，穩定性比較差，不利于深度積分，且存在體積大，功耗大等不足。自相關頻譜儀采用相關原理實現對信號的頻譜分析，全數字自相關頻譜儀主要由量化器(或模數轉換器ADC-Analog?to?Digital?Converter)、實現自相關運算專用集成電路或可編程邏輯器件，和讀出電路等組成。它在寬帶和頻率分辨率和穩定性等方面優于前面二者，采用多比特可以提高積分效率，但系統的復雜程度卻快速增加，目前優先選擇的2比特自相關頻譜儀的積分效率為0.88，用于深度積分的信號頻譜分析場合，仍是一個不可忽視的缺陷；FFT頻譜儀采用傅立葉變換對信號直接對信號進行頻譜分析，可以接受多比特的數字信號，實現寬帶高分辨率頻譜分析且其積分效率幾乎可以達到100％，穩定性好。目前國際上用于射電天文的FFT頻譜儀進行1GHz帶寬或1GHz以上，16k或32k頻譜通道的信號頻譜分析剛剛開始，在國內采用如此寬帶和高頻率分辨率的FFT頻譜儀也在開發之中。

發明內容

本發明的目的是提供一種射電天文用數字FFT頻譜儀，設計實現1GHz帶寬，16k(或16384)頻譜通道的實時FFT頻譜儀，并具有體積小、重量輕、結構緊湊、工作穩定可靠等特點。

實現本發明目的的技術方案是：寬帶高頻率分辨率實時快速傅立葉變換數字頻譜儀，由前置放大器、開關矩陣、高速ADC器件、時鐘控制器、海量FPGA芯片，運行于該芯片的FFT(快速傅立葉變換)內核，PCI技術總線和工業控制計算機及控制軟件組成；其中，所述前置放大器對不同輸入功率的基帶信號進行適當放大；所述開關矩陣將信號饋入高速ADC器件；所述高速ADC器件(采用2顆ADC速率同為1GS/s)采用正交采樣，實現1GHz帶寬基帶信號的模-數轉換；所述FFT內核對1GHz基帶信號直接進行快速傅立葉變換；所述時鐘控制器控制開關矩陣開關切換速率，提供并控制ADC器件的采樣時鐘信號和正交采樣過程，同時也提供FFT內核進行數字運算所需的時鐘和相關的時序控制信號；所述控制軟件基于Windows或Linux操作系統，以工業控制計算機為硬件平臺，采用計算機PCI技術總線，配置FPGA的寄存器，設置FFT運算參數，讀取積分的信號功率譜，進行進一步的后續處理；其特征是，所述FFT內核對1GHz基帶信號直接進行快速傅立葉變換時，執行下列步驟：2GS/s的正交數字信號進入FPGA，以32k長度為單位進行緩存之后并分為8組，每組為2k個復數(也就是32組1k長度的數據)，經過串并轉換后的2k點復數，速率降至125MHz；降速后的數據逐級進行下列FFT蝶形運算：8組2k點復數蝶形運算，4組4k點復數蝶形運算，2組8k點復數蝶形運算，1組16k點蝶形運算，再進行1組32k點蝶形運算，完成32k點的實數FFT(16k點的復數FFT)運算；對32k點FFT的輸出進行功率譜運算及積分，其中積分器數據寬度48bit；積分后頻譜經功率譜輸出至FPGA片外的32bit?PCI技術總線。本發明采用FFT?IP內核與傳統的FFT?IP內核比較，其特點主要有：采用并行處理方式，提高FFT處理帶寬，即通過數據流的串-并轉換為8組并行數據，每一組以125MHz的運算速率實現1GHz帶寬頻譜分析；采用流水線逐級處理方式，提高FFT處理實時性，即通過5級，每級處理速率同為125MHz，并行運算的FFT組數逐級減小而FFT的運算點數逐級增長的流水式FFT，保證了數據流的連續性和頻譜實時分析。