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摘要:在基于FPGA的脉冲星消色散数字终端中,为了解决片内高速RAM资源的系统设计瓶颈,提出了一种基于IWOLA算法的多相滤波器组(PFB),并基于该算法构建了一种针对宽带实输入信号的脉冲星消色散数字终端.该数字终端通过约简多子带进行处理.理论分析结果表明,该数字终端节省了系统对高速RAM和后续信号处理单元的需求,在保证时间分辨率的前提下提高了频率分辨率.另外,该数字终端计算效率高,且克服了基于PDFT算法的系统设计缺陷.当脉冲星消色散终端中FFr模块的长度为8 192时,基于IWOLA算法的脉冲星消色散数字终端最大节省了25%的BRAM资源.仿真实验结果表明,该系统的性能满足设计要求....
[博士论文] 王显海
电子科学与技术;电路与系统 东南大学 2016(学位年度)
摘要:脉冲星是高速旋转的中子星,它的发现为射电天文的研究开辟了崭新的研究领域。脉冲星数字终端是脉冲星观测和搜索的重要仪器,也为天体谱线的观测、搜寻太阳系系外行星等课题提供了强有力的工具。随着对脉冲星等射电天文研究的不断深入,对脉冲星观测设备也提出了更高的要求,需要在更宽带宽、更高时间分辨率和更高频率分辨率条件下完成脉冲星信号的高速实时处理和数据的连续记录。本文针对这些要求,对宽带实时脉冲星数字终端关键技术展开研究,并结合实际观测,研制了基于软件无线电的不同带宽的脉冲星数字终端样机。本文主要研究内容如下:
  (1)对多相离散傅里叶变换PDFT(Polyphase Discrete Fourier Transform)滤波器组和加权叠加WOLA(Weighted Overlap-Add)滤波器组宽带信号子带分解算法展开了研究,并针对PDFT和WOLA滤波器组算法的特点,提出了改进的IWOLA(Improved WOLA)滤波器组的宽带信号通道化处理算法,解决系统设计时FPGA硬件资源不足的问题,使得各子带的后续处理一致。利用MATLAB仿真分析了IWOLA与WOLA滤波器组的通道特性。讨论了IWOLA滤波器组算法在射电天文观测中的应用,并详细分析和比较了IWOLA组合架构和WOLA组合架构及组合复FFT算法对FPGA硬件资源的消耗情况。IWOLA组合架构比WOLA组合架构和组合复FFT算法节省了更多片上RAM资源。
  (2)在研究了直接消色散、树消色散和子带消色散等脉冲星非相干消色散算法的基础上,提出了分级子带非相干消色散算法,利用MATLAB对算法进行了性能仿真。分级子带非相干消色散算法不需要额外的片上RAM资源,同时缓解了数据输出接口的压力,在保证频率分辨率的前提下,提高了系统的时间分辨率。然后利用Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端硬件平台设计了脉冲星分级子带非相干消色散系统,使系统实现部分硬件消色散,并降低数据输出率,减小了软件消色散的数据处理量。
  (3)详细分析了脉冲星数字终端的系统需求,然后提出并实现了Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端的系统设计方案,并以此为基础,提出了Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端的系统设计方案,使系统具有处理能力强、体积小、功耗低和便于扩展的优点。Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端比Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端具有更好的性能和更丰富的硬件资源。在基于Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端的硬件平台基础上,提出了4GHz带宽脉冲星数字终端的系统设计方案。
  (4)基于Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端的硬件平台设计并实现了从140MHz到1.2GHz多个不同带宽、不同时间和频率分辨率的脉冲星非相干消色散系统的FPGA和相应控制软件设计,包括基于高速数字下变频(DDC)算法的300MHz和140MHz带宽系统,基于WOLA滤波器组算法的带宽为150MHz、时间分辨率为0.2ms和0.1ms的系统,基于组合复FFT高效算法的600MHz和1.2GHz带宽系统。然后通过比较基于高速DDC算法的脉冲星数字终端对FPGA硬件资源的消耗,分析了基于WOLA滤波器组算法的脉冲星数字终端对FPGA硬件资源的节省量。
  (5)优化了基于Xilinx Virtex-6架构脉冲星数字终端硬件平台的单通道高频率分辨率宽带谱分析系统的设计,使硬件平台的处理能力更强,并验证了系统的性能。
  本文致力于宽带脉冲星数字终端关键技术研究,完成了Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端的系统设计与实现,并利用天文台对Xilinx Virtex-5架构脉冲星数字终端从140MHz到1.2GHz各个带宽的系统进行了大量脉冲星观测,验证了系统的正确性和性能。到目前为止,总计观测了超过100颗脉冲星,观测的脉冲星周期达几个毫秒,脉冲星辐射流量可低至3mJy,系统最高时间分辨率为0.1ms,单次观测时,脉冲TOA的误差约为1μs。本文的宽带脉冲星数字终端的设计与实现为我国利用完全自主研制的脉冲星射电天文设备进行脉冲星观测研究积累了直接经验和提供了技术支撑。
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