魏绍杰， 侯孝民， 马 宏， 廉 昕， 姜 坤

(1装备学院研究生管理大队 北京 101416 2装备学院光电装备系 北京 101416)

引 言

甚长基线干涉测量VLBI(Very Long Baseline Interferometry)是20世纪60年代后期发展起来的射电干涉测量新技术[1]，它是当前天文观测使用的一项高分辨率、高测量精度的观测技术，在天体物理、大地测量、地球物理、深空探测等方面应用极为广泛[2]。简单地说，VLBI就是把几个小望远镜联合起来，达到一架大望远镜的观测效果。经过50多年的发展，VLBI技术已经成为当代角分辨率最高、定位精度最好的天文观测技术[3]。

VLBI数据记录终端设备是VLBI系统中非常重要的部分，其核心部件是基带转换器BBC(Base Band Converter)，它承担着数据采集、频带选择和基带转换等任务。

早期的基带转换器使用的都是模拟器件，包括模拟滤波器、模拟本振等。然而，模拟基带转换器ABBC(Analog BBC)存在设备电路复杂、设备频率特性随环境温度变化较大、各子通道特性不一致等问题。现代电子技术的发展推动了VLBI基带转换器的升级换代。2004年，IVS(International VLBI Service for Geodesy＆Astrometry)提出了VLBI2010计划[4～6]，对VLBI系统进行改造升级，实现了更高的测量精度。其在基带转换器方面，提出设计新的DBBC(Digital BBC)来替代原有的模拟基带转换器。与老旧的模拟基带转换器相比，DBBC具有以下优点:①稳定一致的性能;②低成本;③更强的灵活性;④易于升级;⑤开发周期短。现在各国都已开始了新的DBBC的研制。

1 VLBI基本原理及系统结构

VLBI的基本原理如图1所示。

图1 VLBI基本原理

根据图1中所示的几何关系可知，两测站接收观测目标同一波前的时间差τg为

式中，c为光速，l为两天线到射电源的路程差，B为两测站之间的基线长度，θ为基线与射电源方向的夹角。因此，只要采用适当的方法精确地测出两测站接收同一信号的时间延迟τg，即可根据式(1)求出射电源的方向角 θ[7]。

一个完整的VLBI系统由两个或两个以上接收系统和一个数据处理中心组成，整个系统结构如图2所示。观测数据信号经天线由数据采集系统采集下来，经过基带转换、帧格式编辑等处理后，记录在存储介质中，再通过事后回放交由数据处理中心做相关处理得到相关条纹。

图2 VLBI系统结构

2 数字基带转换器基本原理及实现方法

数字基带转换器的结构如图3所示，它主要由模拟单元和数字单元两部分组成。天线接收VLBI模拟信号，经射频接收机变为模拟中频信号，经由模拟单元自动增益控制器(AGC)进行幅度调整，送往数字单元。数字单元首先对信号进行数字化，通常以氢原子钟的信号作为频标(5MHz)，通过频率综合器生成高频的采样时钟，作为数字单元高速ADC的采样时钟。量化所得数字信号送往数字下变频器进行数字下变频，再经过数字滤波，得到数字基带信号。数字基带信号由通道选择器送往记录设备[3]。

图3 VLBI数字基带转换器结构

IVS在VLBI数字基带转换器的实现方面，推荐了两种典型的基带转换方法:一种是基于正交混频的基带转换方法;另一种是基于多相滤波器组PFB(Poly-phase Filter Bank)的高效信道化方法。

2.1 基于正交混频的基带转换方法

正交混频的基带转换信号处理流程如图4所示。

图4 正交混频的基带转换信号处理流程

由图4可知，正交混频数字基带转换法首先需要对模拟中频信号进行数字化采样，然后通过数控振荡器(NCO)产生正交的本振信号，通过对采样信号的混频，实现采样信号的正交下变频，最后利用多级滤波抽取实现输出信号带宽的变化和采样速率的降低。正交混频数字基带转换方法具有下变频频率灵活可设的优点，可以通过不同的滤波器设计，实现多种基带信号输出。

图5 PFB信道化基带转换信号处理流程

2.2 基于PFB信道化基带转换法

PFB信道化基带转换信号处理流程如图5所示。

基于PFB的高效信道化基带转换法首先对中频模拟信号进行数字化采样，然后通过串并转换实现采样数据流的分路处理，经过各支路的分支滤波和DFT变换，实现多路等带宽基带信号的输出。PFB法具有实现结构简单、计算效率高的优点，能够同时得到多路基带信号输出。

在数据记录格式方面，国际上主要采用MARK 5B格式，广泛应用于射电天文等领域;在深空探测领域，主要利用ΔDOR测量，数据记录帧格式为RDEF(Delta-DOR Raw Data Exchange Format，Delta DOR原始数据交换格式)，是CCSDS(The Consultative Committee for Space Data Systems)发布的标准格式。由于每次观测的各通道数据都会单独产生一个产品文件，因此RDEF在通道数及量化位数的选择方面十分灵活。RDEF是深空测控VLBI数据记录格式的发展趋势。

3 数字基带转换器发展现状

目前，进行数字基带转换器研究的国外主要机构有美国麻省理工学院(MIT)Haystack天文台、美国NASA深空网(DSN)、美国 NRAO(National Radio Astronomy Observatory)、欧洲 EVN(European VLBI Network)、欧洲 ESA(European Space Agency)、日本 NICT(National Institute of Information and Communications Technology)等。国内主要研究机构有中科院上海天文台、装备学院等。现对各机构研制的VLBI数字基带转换器一一介绍。

3.1 国外数字基带转换器发展现状

3.1.1 美国MIT Haystack天文台的DBE

DBE(Digital Backend)数字基带转换器输入通道个数为2路，采样频率为1.024GHz，量化位数为2bit，输入信号带宽为512MHz，输出通道个数为16路，每个通道带宽为16～32MHz[8]，记录格式为MARK 5B，采用基于PFB信道化基带转换法，其系统结构如图6所示。

图6 美国DBE系统结构

3.1.2 美国NARO和Haystack天文台的RDBE

RDBE(ROACH Digital Backend，其中 ROACH代表 Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware)数字基带转换器能对2路512～1024MHz中频模拟信号进行采样，采样频率为1.024GHz，量化位数为8bit，输出通道个数为16路，每个通道带宽为16～32MHz[9]，记录格式为MARK 5B，采用基于PFB信道化基带转换法，其系统结构如图7所示。

图7 RDBE系统结构

3.1.3 美国NASA深空网(DSN)的WVSR

WVSR(宽带VLBI科学接收机)主要应用于ΔDOR(Delta Differential One-way Ranging)测量，具有全频谱接收记录功能，具备中频处理频带内任意指定带宽的下变频和记录功能[10]。它能对4路10～630MHz中频模拟信号(中心频率320MHz)进行采样，采样频率为1.280GHz，采样量化位数为8bit。WVSR分为窄带模式和宽带模式，输出通道个数为16路，数字基带转换器从采样带宽内选择任意16MHz带宽频带进行基带转换。基带输出信号为复信号，具有多种带宽和量化位数选择，带宽范围为1kHz-16MHz，量化位数为1～16bit。其中，窄带输出通常用于航天器观测，带宽为1～100kHz，量化位数为1～16bit可选。射电源信号通常用宽带输出，带宽范围为1～16MHz，量化位数为1～2bit可选。记录格式为RDEF，其设备结构如图8 所示[11]。

图8 WVSR设备结构

3.1.4 欧洲 EVN 的 DBBC2

DBBC2(Digital Base-Band Converter 2)采用分立的采集板和用于处理的电路板，能对4路1～512MHz、512～1024MHz、1024 ～1536MHz、1536 ～2048MHz或者2 路 1 ～1024MHz、1024 ～2048MHz的宽带中频模拟信号进行采样，对应采样频率为1.024GHz或者2.048GHz，采样量化位数为8bit，支持窄带模式和宽带模式，最大输出通道个数为 64 路，通道带宽为 16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz、500kHz、250kHz且带宽可选，步进10kHz，最大输入信号速率大于34Gb/s，最大输出信号速率为8.192Gb/s，记录格式为MARK 5B，可通过对FPGA CORE模块的重新配置实现多种结构，主要采用基于正交混频的基带转换方法[12]，其系统结构如图9所示。

图9 欧洲DBBC2系统结构

3.1.5 欧洲 ESA 的IFMS

欧空局的无线电科学观测和△DOR观测都基于IFMS(Intermediate Frequency and Modem System)硬件平台[13]。IFMS的采样频率为280MHz，采样量化位数为8bit，能够实现接收频带内8路任意频点信号的同时接收，输出信号带宽为1kHz～2MHz，量化位数1～16bit可选，具备多普勒频移补偿功能，不同通道之间的时标同步精度优于1ns。IFMS主要由一个高速公共前端HS-CFE(High-Speed Common Front End)、若干个通用数字信号处理器GDSP(Generic Digital Signal Processor)以及一个B码时组成，其实现框图如图10所示。

3.1.6 日本NICT的ADS系列

日本的NICT成功研制了K5 VLBI系统。K5 VLBI系统有两种数据采集系统，一种为 K5/VSI系统，利用 ADS系列器件进行数字基带转换，用VSI-H标准接口进行数据传输;另一种为K5/VSSP或K5/VSSP32系统，利用IP-VLBI采样器实现，主要用于大地测量。二者有各自的软件，数据格式也不相同。其中，K5/VSI数据采集系统运用ADS系列采样器，ADS系列各代产品的特性如表1所示[14]。

图10 IFMS系统框图

表1 日本VLBI系统各代数字基带转换器特性

ADS1000为单通道输入，采样率为1.024GHz，量化位数为1bit或2bit;ADS2000支持16通道输入，单通道采样率为64MHz，量化位数为2bit，专用于VLBI大地测量;ADS3000是ADS1000的升级产品，单通道输入，采样率为2.048GHz，量化位数为8bit，能够通过FPGA的重新配置，实现多种输出模式，最高输出数据率为4Gb/s;其最新产品ADS3000+，设计输入通道个数为2路或4路，采样率最高可达4.096GHz，量化位数为8bit，采用更加强大的FPGA(Xilinx Virtex-5)，能够通过FPGA进行数字基带转换，记录格式为MARK 5B，其系统结构如图11所示。

3.2 国内数字基带转换器发展现状

3.2.1 中科院上海天文台的CDAS

中科院上海天文台对数字基带转换器的研究在国内处于领先水平，其研制的CDAS(Chinese Digital Acquisition System)已经装配在中国的四个VLBI站(北京、上海、昆明、乌鲁木齐)。CDAS输入通道个数为4路，输入信号带宽为512MHz/1024MHz可选，采样频率为1.024GHz/2.048GHz可选，输出通道个数为 32 路，输出信号带宽为 32MHz、16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz 和 0.5MHz，并且带宽可选，记录格式为MARK 5B，采用基于PFB信道化基带转换法，其系统结构如图12所示[15]。

图12 CDAS系统结构

3.2.2 装备学院的CDBE

我院测量控制教研室也对数字基带转换器进行了研究，并成功研制出具有全频谱功能的数字基带转化器[16]CDBE(Chinese Digital Backend)。该平台采用三片Altera Stratix III系列芯片和一片Stratix II系列芯片。采样频率为1.024GHz，采样量化位数为8bit，支持窄带模式和宽带模式，最大输出通道个数为16路，宽带模式可输出带宽为 16、8、4、2、1、0.5MHz，窄带模式可输出带宽为 200、100、50、25、16、8、4、2、1kHz，输出信号中心频率、带宽可设置，视频分辨率10Hz，支持MARK 5B和RDEF两种记录格式，采用基于PFB信道化基带转换法，其系统结构如图13所示。

图13 CDBE系统结构

4 各数字基带转换器对比分析

现对上述几种VLBI数字基带转换器的各项指标进行全面的对比，如表2所示。

表2 各机构DBBC指标对比

由表2可知，各机构数字基带转换器都各具特点。除DBE、RDBE、CDBE为2路模拟输入外，其余均可进行4路中频模拟输入，ESA的IFMS最多可支持8路中频模拟输入;采样频率基本都达到1.024GHz(IFMS除外)，DBBC2和 CDAS最高可达2.048GHz，而日本的K5系统 ADS3000+的采样率最高可达4.096GHz;量化位数除DBE为2bit外，其余均为8bit;输出通道个数都达到了16个(IFMS除外)，欧洲EVN的DBBC2输出通道个数最大为64;输出通道带宽范围各有不同，WVSR和CDAS能提供较大的范围选择;至于支持的数据记录格式，除美国DSN的WVSR和欧洲ESA的IFMS支持RDEF格式外，其余机构产品均支持MARK 5B格式，而装备学院的CDBE可兼容RDEF和MARK 5B格式，便于国际合作联合观测。

对比可知，美国在数字基带转换器研究方面起步早，处于领先位置，在针对天文、测地、深空等方面都有性能优异的设备;欧洲EVN的DBBC2在模拟输入带宽和输出通道个数方面处于领先水平，整体性能良好;日本K5系统在采样率方面较为出色;中科院CDAS和装备学院CDBE也达到了国际一流水平，其中，CDBE同时兼容RDEF和MARK 5B格式，已多次参与国际联合观测，并在嫦娥3号系列任务中发挥了重要作用。

5 结束语

本文介绍了数字基带转换器的基本原理，并对当前国际上主要的VLBI数字基带转换器进行全面的对比分析。随着各国在深空领域的不断探索，为满足深空测控更加苛刻的要求，数字基带转换器正朝着采样率逐渐提高、量化位数不断增加、记录带宽更大更灵活可选、兼容多种数据记录格式的方向发展。目前各国都在积极研制自己的深空测控通信系统，尤其是数字基带转换器部分。我国在深空探测领域起步较晚，但发展迅速，今后应当继续紧追国际前沿，不断提高自身的深空测控水平，增强自身实力，进一步加强国际间合作，力争在深空探测领域取得一席之地。

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