一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统

本发明涉及射电天文高精度脉冲星到达时间观测和科学研究，更具体的说是涉及一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统。

背景技术：

1、脉冲星是一类旋转的中子星，能够周期性发射脉冲信号，直径大多为10千米左右，自转极快。由于脉冲星是在蹋缩的超新星残骸中发现的，研究脉冲星有助于了解星体蹋缩时发生的情况。还可通过研究揭示宇宙诞生和演变的奥秘。每颗脉冲星的周期并非恒定如一，每当脉冲星发射电磁辐射后，就会失去一部分旋转能，且转速下降。通过测量脉冲星的旋转周期，可以精确地推断出脉冲星的转速降低了多少、在演变过程中能量损失了多少，甚至还能够推断出其在因转速太低而无法发光之前，还能生存多长时间。

2、近年来，采用脉冲星测时阵列来探测引力波成为天文领域新的待突破点，通过对多颗在天空呈一定角度分布的自转极其稳定的毫秒脉冲星到达时间进行监测，可以测量纳赫兹引力波信号。然而，引力波信号极其微弱，如何精确的测量脉冲星辐射脉冲信号到达地球的时间是成功探测的关键。

3、望远镜信号接收系统一般将射频信号转换成中频，然后通过模拟链路传输到远端的机房进行信号采集和处理。这种方法的优点是可以将数字设备放置在离望远镜较远的地方，从而降低电子设备产生的电磁干扰。然而，随着超宽带接收机的出现，这种方法的缺点越来越突出。一方面，传输链路中高频段信号的衰减越来越大，之前在接收端采用均衡器补偿的方法已经达不到满意的效果。另一方面，超宽带信号在传输链路中随环境温度变化而带来的信号强度和相位波动增大。

4、目前，根据国际上超宽带观测系统的最新研究成果，超宽带信号对于提高脉冲星测时精度具有显著效果，但是超宽带接收系统将产生海量的数据。此外，传统的多通道消色散技术不能彻底消除子带内的色散效应，高精度测时需要使用相干消色散方法，即通过数据密集型计算消除星际介质对信号传播的影响，以形成更尖锐、更高信噪比的脉冲轮廓，进而提高测时精度。这些因素都将对超宽带高精度脉冲星终端系统的实时传输、分发和处理形成较大的挑战。

5、因此，提出一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，适用于超宽带接收机信号采集与处理，具有脉冲星相干消色散、折叠、搜寻和到达时间等多种观测模式，能有效提高脉冲星到达时间观测精度是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，适用于超宽带接收机信号采集与处理，为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

2、一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，包括：接收装置、传输装置和信号处理装置，

3、所述接收装置用于对接收机双极化信号进行信号采集与预处理，输出子带信号；

4、所述传输装置用于将子带信号从接收装置传输至信号处理装置；

5、所述信号处理装置用于将子带信号分配至超宽带脉冲星信号处理单元对应的处理节点，调用多线程并行脉冲星处理线程进行相干消色散、折叠和到达时间计算处理，并将处理后的多子带信号合成为超宽带信号。

6、可选的，所述接收装置包括功分器a、功分器b、滤波器和射频信号直采模块；所述功分器a和功分器b分别将接入的接收机双极化信号功分为n路相同的信号，并由n个滤波器滤波选择n个频段，对应接入n个射频信号直采模块中进行信号采集与预处理。

7、可选的，所述射频信号直采模块包括：依次连接的模数转换模块、数字子带划分模块、量化模块、格式化与封装模块和网络模块；所述模数转换模块分别连接配置器、校准器和数据快照模块，所述格式化与封装模块分别连接测试信号模拟器和数据快照模块。

8、可选的，所述数字子带划分模块将模数转换模块采集的数据进行信道化为n个xmhz带宽的数字子带，输出至量化模块截取为mbit的复数数据，所述格式化与封装模块将信道化后的数字子带格式化为vdif格式，封装为udp数据包，数据快照模块将格式化与封装后的数据输出查看，测试信号模拟器模拟测试信号进行调试，格式化与封装后的数据通过网络模块输出。

9、可选的，所述射频信号直采模块提供了一路参考天线信号通道，采集参考信号进行自适应rfi滤波处理。

10、可选的，所述传输装置为光纤链路，将接收装置处理后的子带信号通过光纤链路传输至位于信号处理装置的数据交换网络。

11、可选的，所述信号处理装置包括数据交换网络和超宽带脉冲星信号处理单元，所述数据交换网络和超宽带脉冲星信号处理单元之间数据连接，所述超宽带脉冲星信号处理单元通过数据交换网络与存储装置数据连接。

12、可选的，所述存储装置将合成后的超宽带信号进行保存。

13、可选的，所述超宽带脉冲星信号处理单元包括依次连接的数字子带数据接收与分配模块、共享内存环形缓冲区、m组脉冲星处理线程、m组缓冲区、超宽带数据合成模块和处理后数据发送模块。

14、可选的，所述数字子带数据接收与分配模块通过光纤链路从数据交换网络上获取由射频信号直采模块输出的子带信号，并放入共享内存环形缓冲区，m组脉冲星处理线程从共享内存环形缓冲区获取子带信号数据进行相干消色散、折叠和到达时间计算处理，每个线程处理一个子带信号的数据，然后将处理结果放入各自的缓冲区，所述超宽带数据合成模块将n个x mhz带宽的子带信号处理结果拼接为一个n*x mhz带宽的超宽带结果。

15、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，具有如下有益效果：

16、本发明公开了一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，适用于超宽带接收机信号采集与处理，具有脉冲星相干消色散、折叠、搜寻和到达时间等多种观测模式，能有效提高脉冲星到达时间观测精度，可根据信号处理带宽调整计算集群的规模，系统功能强大、灵活度高、可扩展性强。

17、本发明通过将超宽带信号分解为多个射频子带，可以降低接收机端射频信号跨倍频程而引起的信号交调失真，避免信号采集端因电磁干扰而造成的adc饱和，减小低频段干扰谐波叠加至高频段而带来的额外干扰。

18、本发明采用射频信号直接采样技术，能够消除信号在传输链路中因环境温度变化而造成的信号强度和相位波动，提高信号采集和传输的保真度。采用低功耗rfsoc电路，能够减小数字设备对射电望远镜带来的电磁干扰，降低电磁屏蔽和散热设计难度。

技术特征：

1.一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，包括：接收装置、传输装置和信号处理装置，

2.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，所述接收装置包括功分器a、功分器b、滤波器和射频信号直采模块；所述功分器a和功分器b分别将接入的接收机双极化信号功分为n路相同的信号，并由n个滤波器滤波选择n个频段，对应接入n个射频信号直采模块中进行信号采集与预处理。

3.根据权利要求2所述的一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，所述射频信号直采模块包括：依次连接的模数转换模块、数字子带划分模块、量化模块、格式化与封装模块和网络模块；所述模数转换模块分别连接配置器、校准器和数据快照模块，所述格式化与封装模块分别连接测试信号模拟器和数据快照模块。

4.根据权利要求3所述的一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，所述数字子带划分模块将模数转换模块采集的数据进行信道化为n个xmhz带宽的数字子带，输出至量化模块截取为mbit的复数数据，所述格式化与封装模块将信道化后的数字子带格式化为vdif格式，封装为udp数据包，数据快照模块将格式化与封装后的数据输出查看，测试信号模拟器模拟测试信号进行调试，格式化与封装后的数据通过网络模块输出。

5.根据权利要求3所述的一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，所述射频信号直采模块提供了一路参考天线信号通道，采集参考信号进行自适应rfi滤波处理。

6.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，所述传输装置为光纤链路，将接收装置处理后的子带信号通过光纤链路传输至位于信号处理装置的数据交换网络。

7.根据权利要求1所述的一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，所述信号处理装置包括数据交换网络和超宽带脉冲星信号处理单元，所述数据交换网络和超宽带脉冲星信号处理单元之间数据连接，所述超宽带脉冲星信号处理单元通过数据交换网络与存储装置数据连接。

8.根据权利要求7所述的一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，所述存储装置将合成后的超宽带信号进行保存。

9.根据权利要求7所述的一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，所述超宽带脉冲星信号处理单元包括依次连接的数字子带数据接收与分配模块、共享内存环形缓冲区、m组脉冲星处理线程、m组缓冲区、超宽带数据合成模块和处理后数据发送模块。

10.根据权利要求9所述的一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，其特征在于，所述数字子带数据接收与分配模块通过光纤链路从数据交换网络上获取由射频信号直采模块输出的子带信号，并放入共享内存环形缓冲区，m组脉冲星处理线程从共享内存环形缓冲区获取子带信号数据进行相干消色散、折叠和到达时间计算处理，每个线程处理一个子带信号的数据，然后将处理结果放入各自的缓冲区，所述超宽带数据合成模块将n个xmhz带宽的子带信号处理结果拼接为一个n*xmhz带宽的超宽带结果。

技术总结本发明公开了一种超宽带脉冲星信号采集与处理系统，涉及射电天文高精度脉冲星到达时间观测和科学研究技术领域，包括：接收装置、传输装置和信号处理装置，接收装置用于对接收机双极化信号进行信号采集与预处理，输出子带信号；传输装置用于将子带信号从接收装置传输至信号处理装置；信号处理装置用于将子带信号分配至超宽带脉冲星信号处理单元对应的处理节点，调用多线程并行脉冲星处理线程进行相干消色散、折叠和到达时间计算处理，并将处理后的多子带信号合成为超宽带信号。本发明适用于超宽带接收机信号采集与处理，能有效提高脉冲星到达时间观测精度，可根据信号处理带宽调整计算集群的规模，系统功能强大、灵活度高、可扩展性强。技术研发人员：裴鑫,李健,段雪峰,张海龙,马军受保护的技术使用者：中国科学院新疆天文台技术研发日：技术公布日：2024/1/15