文献解读—RFSoC与射电望远镜数字后端接收器

发布时间:

2026-05

前言

多频天文学的时代是可以同时观测不同类型的无线电波，远远超出单一观测所能实现的宇宙理解。射电天文学家可借助望远镜借接收来自数百万光年外的无线电波，利用先进的计算机算法和负责的信号处理技术，解码这些信号，研究各种宇宙事件和结构，包括恒星的诞生与死亡、星系的形成与演化，以及构成宇宙的多样物质类型。

（注：本文数据来源——Tawfeep、Jayanth Chennamangalam）

一、射电望远镜的用途和组成

脉冲星、恒星、星系和类星体会发射辐射，射电望远镜可探测和分析这些辐射，并且具有广泛范围的射频辐射，范围从约10米（30MHz）到1毫米（300GHz）。射电望远镜探测微弱射电辐射的效果取决于多个关键因素：天线的尺寸和效率、接收机对信号的放大和探测灵敏度以及数据处理能力的质量。

射电望远镜的主要组成部分是接收器，其主要作用是将天线收集的模拟信号转换为数字形式，这对信号处理至关重要。信号转换过程涉及多个关键任务，包括滤除噪声、放大微弱信号以及精确数字化输入的无线电波。此外，数字后端接收器还负责高速数据传输，确保大量观测数据能够快速且准确地处理分析。

图1：中国天眼射电望远镜

二、面对挑战与解决方案挑战

通过提高信噪比，研究人员能够更深入地探究宇宙现象的复杂细节。同时与挑战并存——在数字信号处理中，直接对输入信号应用傅里叶变换（DFT）存在两个缺点 :泄露和扇贝损失。

DFT泄露现象是指根据采样频率和变换点数，输入的单频信号会出现在多个输出频率通道中。如果该信号强度不够，这种现象很难被注意，但在强射频干扰（RFI）信号的情况下，泄露则会掩埋附近通过中有价值的天文学信号。

图（2）：DFT泄露的演示—一个5.1MHz的单频信号，以128MHz采样，并用64点进行傅里叶变换，其能量以不同水平出现在所有输出频率通道中。

·方法

PFB技术是一种减轻上述直接DET缺点的机制。PFB不仅能在通道内产生相对平坦得响应，而且能出色得抑制带外信号。图（2）所示，一个实现PFB加DFT的系统通常比实现DFT的系统多消耗约1.5倍的资源。许多情况下，数据质量的提升超过了其成本的增加。光谱仪器和射电望远镜便是PFB技术的典型受益者。

图（3）：PFB与直接FFT的单通道频率响应，多相窗口长度是FFT长度的8倍。

三、未来发展

随着天文仪器技术的开发创新，天文领域的突破性能的发现潜力也在不断增加。数字后台技术的持续进步将进一步赋能天文学家解开宇宙的奥秘。

IW-RFSOC-67DR模块集成了XCZU67DR,该SoM将多频段、多模式蜂窝无线电关键子系统集成到一个SoC平台中，包含了功能丰富的64位四核Arm Cortex和双核Arm Cortex-R5处理系统。支持8路14位RF-ADC 2.95GSPS采样和8路14位 RF-DAC 10GSPS采样。

图（4）RFSoC ZU67DR核心板

该SoM集成了超低噪声可编程射频PLL，简化了最终产品的SoM应用，解决了复杂时钟架构相关的问题。该集成增强了系统在整个射频信号链中的信号处理带宽，增强了Synce和PTP网络同步，确保最佳同步水平。模块非常适合需要紧凑体积、低功耗和实时处理能力的射频系统。客户可以直接使用此解决方案，旨在简化设计架构、加快射电望远镜天文数字后端的部署，并降低设备功耗和硬件开发成本。

西安彼睿电子推出的6U VPX RFSOC+VU13P 数字信号采集处理模块（下图）由AMD RFSoC和XCVU13P驱动。板卡具有FMC和VPX接口，具有丰富的外围资源并可扩为高速接口，提供了多功能的现场部署解决方案。

硬件模块的技术提升，通过提高信噪比和更细的分辨率，研究人员能够更深入地探究宇宙现象的复杂细节。这些先进的数字后端接收器与射电望远镜的集成，彻底改变了射电天文学领域。技术的飞跃为宇宙的现象提供了深刻的见解。现代射电望远镜增强的能力使得研究微弱和遥远天体、探测微妙的宇宙信号以及探索宇宙的基本过程成为可能。