[发明专利]2GHz带宽实时FFT频谱仪系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽瞬时带宽频谱仪系统，特别是一种适用于毫米波亚毫米波天文的 宽瞬时带宽高频谱分辨率全数字实时FFT频谱仪系统。

背景技术

毫米波和亚毫米波天文主要的观测内容之一是谱线观测，实现毫米波和亚毫米波天 文谱线观测的后端频谱仪主要有滤波器组频谱仪FBS(FilterBankSpectrometer)，声 光频谱仪AOS(Acousto-OpticalSpectrometer，)，自相关频谱仪ACS(AutoCorrelation Spectrometer)和FFT频谱仪FFTS(FastFourierTransformSpectrometer)。滤波器 组频谱仪前期采用的模拟滤波器组频谱仪存在通道一致性差、邻道串扰等缺点，且无法 同时实现高分辨频谱分析。尽管后期滤波器组滤波器采用数字形式滤波器解决了响应一 致性问题，但实现窄通道特性(频率分辨率)需要多级滤波系数才能实现，这对通道数 在数千量级的频谱处理应用时，需占用非常大的硬件资源，结果是系统将变为非常复杂； 声光频谱仪采用集成机光电等技术，可以实现中、窄带高分辨频谱处理，但其系统稳定 性受声光偏转器、CCD等模拟部件影响，Allan方差稳定性时标在几十秒至百秒量级， 非常不利于深度积分实现微弱信号检测。另外，声光频谱仪包括光学部件、机械调整支 架，以及模拟电学器件，这将存在系统体积较大，不易小型化集成，以及多部件同时工 作功率消耗大，且对工作环境要求高等不足。数字自相关频谱仪采用相关原理实现对信 号的频谱处理，在宽带和频率分辨率和稳定性等方面优于模拟滤波器组和声光频谱仪， 采用多比特可以提高积分效率，但系统的复杂程度却快速增加，硬件资源占用率也迅速 提高。目前优先选择的2比特自相关频谱仪的积分效率为0.88，用于深度积分的信号频 谱处理场合，仍是一个不可忽视的缺陷，数字自相关频谱仪其Allan方差稳定性时标在 百秒量级优于模拟滤波器组频谱仪和声光频谱仪，但深度积分能力仍旧不尽理想。

FFT频谱仪利用高速数字采集新技术，直接对宽带模拟信号进行采集和数字化，并 对数字信号进行实时傅立叶变换的频谱处理，其硬件架构主要包括ADC采集硬件和FPGA 硬件采集硬件，这将是系统高度集成变得非常简易。另外，由于FFT频谱仪采用多比特 (一般为4～10比特)数据模数转换器件，对宽带模拟信号进行高速采集和模数变换， 因此其积分效率几乎可以达到100％，同时采用全数字化频谱处理技术，系统稳定性好 (Allan方差稳定性时标可以达到千秒量级)，另外结合目前高速数据采集技术和高速海 量FPGA数据处理技术，实现超宽带宽及超高分辨率的FFT频谱仪已经成为可能。紫金 山天文台在前期已获授权的发明专利《宽带高分辨率快速傅立叶变换频谱仪》 (ZL200910027823.2)，其技术核心内容主要基于商用的安捷伦6U工业标准数据采集板 卡AC240进行创新开发构成1GHz带宽16k频谱通道的实时FFT频谱仪系统。

发明内容

本发明的目的是针对以上滤波器组频谱仪、声光频谱仪以及自相关频谱仪存在的带 宽和分辨率，稳定性以及积分效率以及系统集成等多方面的存在的问题，并在上述发明 专利的基础上，提供瞬时带宽(2GHz)和频谱通道数(32k频谱通道)均更大，性能更 优数字实时FFT频谱仪系统，以适用于毫米波和亚毫米波天文观测要求。

本发明提供了如下的技术方案：

一种2GHz带宽实时FFT频谱仪系统，包括：输入阻抗匹配电路、数据采集电路、数 据处理电路、数据输出电路、数据输出接口扩展电路、时钟产生电路及控制模块；

输入阻抗匹配电路与数据采集电路、数据处理电路依次电连接，数据采集电路、数 据处理电路共用时钟产生电路，数据处理电路分别与数据输出电路、数据输出接口扩展 电路电连接，数据传输电路与控制模块电连接；

输入阻抗匹配电路，是外部输入射频信号到模数转换器件ADC之间的宽带信号传输 通道，其主要功能是实现射频输入信号和模数转换器件ADC直接的阻抗匹配，以保证输 入信号的带宽特性。本系统的输入阻抗匹配电路前端采用无源T型电路，即两侧端口的 输入阻抗都是50欧姆，实现阻抗匹配功能，降低输入驻波比，以确保传输信道频域响 应的平坦度要求，避免了有源电路带来的信号失真问题。