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1、Journal of Computer Applications计算机应用，2018，38(2)：610614ISSN 10019081CODEN JYIIDU20180210http：wwwjocacn文章编号：10019081(2018)02061005 DOI：1011772jissn100190812017071844基于调制宽带转换器的低频射电天文信号采集电路设计及实现吴海龙，柏正尧，张瑜，何倩(云南大学信息学院，昆明650500)(通信作者电子邮箱balzhyynueduen)摘要：针对射电天文信号现测中传统的信号采集电路存储数据需较大的存储空间的问题，提出一种基于调制宽带转换器(
2、MWC)的低频射电天文信号采集的硬件电路设计方法。首先，将观测信号与4路伪随机周期信号相乘后分为4路，并将这4路信号分别进行二阶巴特沃兹低通滤波器滤波；然后，对4路滤波后的信号进行采样，数据传输至现场可编程门阵列(FPGA)中进行存储；最后，用正交匹配追踪(OMP)算法进行信号重构。理论分析和实验测试结果表明，重构信号与观测信号的均方误差为127 X10，数据存储空间压缩率为20。该硬件电路设计方法降低了电路设计成本，也释放了存储空闻。关键词：调制宽带转换器；压缩采样；射电天文信号；低通滤波；信号重构中图分类号：TN91l 文献标志码：ADesign and realization of lo
3、w frequency radio astronomicalsignal acquisition dreuit based on modulated wideband converterWU Hailong，BAI Zhengyao。，ZHANG Yu，HE Qian(School o，Information Sc切埘and砌曲娥嗨Yunnan踟矗棚魄硒西lgn 650500，China)Abstract：Aiming at the problem that the lraditional signal acquisition circuit needs a larger storage sp
4、ace to store data inthe observation of radio astronomical sisala hardwsie circuit design method for low frequency mdio astronomical signalacquisition based on Modulated Wideband Converter(MWC)哪proposedFimfly，the observed signal WaS multiplied by fourpseudorandom period signal8，and then the results w
5、em divided into four channelsSecondly，the four-channel signals werefiltered by second-order Butterworth low-pass fdter repectivelyThen，the four-channel filtered signals were sa,npled and thedata were transferred to a Field-Programmable Gate Array(FPGA)for storageFinally，the signal was reconstructed
6、byOrthogonal Matching Pursuit(OMP)algorithmThe theoretical analysis and experimental results show that the Mean SqII哪Error(MSE)between the reconstructed si印al and the observed signal is 127 X 10-2, and the compression rate of datastorage space is 20The proposed hardware circuit design method reduces
7、 circuit design costs as well鹪storage spaceKey words：Modulated Wideband Converter(MWC)；compression sampling；radio astronomical signal；low passfiltering；signal reconstruction0 引言天文观测是天文学研究的基础，现今对射电天文学的观测研究呈现向低频和甚高频发展的趋势，采集甚高频信号的模数转换芯片价格昂贵，采样速率很难满足，而且射电天文信号的采集存储也需要高速存储和较大的存储空间。其硬件技术实现也较为困难。为实现以低于奈奎斯特采
8、样率完成信号采样。Donoho等旧1提出了压缩感知(Compressive Sensing，cs)理论。继而Mishali等日。提出了调制宽带转换器(Modulated WidebandConverter，MWC)。MWC具有多通道和均匀亚奈奎斯特采样的技术特点H J，其中的低通滤波器无严格指标的要求，而且对压缩采样数据进行重构时，针对未知频谱位置亦可近乎无失真重构。国内外研究学者对调制宽带转换器的压缩采样和恢复研究主要侧重于重构算法研究，在实际应用的电路设计方面研究稍显薄弱。调制宽带转换器在数字信号处理的实际应用中也具有较好的前景，能够降低信号采样率。减少数据存储空间。利用调制宽带转换器实现
9、数据的压缩处理瞪1为射电天文信号的采集提供了思路，硬件电路设计实现较容易J，同时也可以降低采样率和数据存储的需求空间。本文以调制宽带转换器理论为基础设计硬件电路实现低频射电天文信号的采集，将来自信号接收机的射电信号与4路周期伪随机序列信号相乘，得到的信号经过低通滤波，通过模数转化器采集后经由现场可编程门阵列(FieldPre鲫,nmable Gate Array。rPGA)存储在内存卡；然后读取内存卡中的数据，利用Matlab对采集的信号进行重构J，并将重构信号与云南天文台低频采集平台同步采集的信号进行对比分析，多次采集分析重构收稿日期：201707-27；修回日期：2017-0905。基金项
10、目：国家自然科学基金资助项目(U1231122)；云南大学第八届研究生科研创新资助项目。作者简介：吴海龙(1992一)，男，内蒙古赤峰人，硕士研究生，CCF会员。主要研究方向：数字信号处理；柏正尧(1967一)，男，云南昆明人，教授，博士。主要研究方向：数字信号处理、数字图像处理；张瑜(1992一)女，云南富民人，硕士研究生，主要研究方向：数字图像处理；何倩(1993一)，女，河南南阳人，硕士研究生，主要研究方向：效字图像处理。万方数据第2期 吴海龙等：基于调制宽带转换器的低频射电天文信号采集电路设计及实现 611信号与观测信号的均方误差(Mean Square Error，MSE)为I27
11、x10，结果较为理想。1 调制宽带转换器的基本原理及重构算法11调制宽带转换器的基本原理调制宽带转换器采样过程如图l所示，整个采样系统包含q条采样通道，同时输人信号x(t)接入系统的每个通道后乘以一个伪随机周期性信号P；(t)(i=1，2，q)进行混频处理，然后经传递函数为Jl()=警sin cf譬如的低通滤波器滤H 、朋，波哺J，滤波器的截止角频率为03。2，01=2霄瓦=21rWM，最后利用模数转换器(Analog-to-Digital Converter，AI)C)采样获得q组输出序列孔(七)。耳为伪随机信号周期，B为ADC采样周期，q为MWC系统采样通道数，L为特定伪随机信号周期，形为
12、输入信号带宽，J|If为MWC系统通道采样率。Yl(k)y2(k)咒(t)Fis1 Schematic dia掣am of MWC对图1进行分析，在第i条通道未经ADC采样前的关系式为：g；(t)=茗(I)p(I)幸h(t) (1)其中“”代表卷积运算符。对gl(I)进行ADC采样，采样时刻定义为t=kMW，则有：y；(孟)=g；(J|t) (2)限在1个周期内，对式(2)作离散时间傅里叶变换(Discrete-Time Fourier Transform，VTrr)，则有：yi(e”节)l【等，学)2罟篆小lp。喾e母rect(品埘)x(旷jm罟) (3)将式(3)以矩阵形式分解可以得到：，
13、()=西哆() (4)式(4)所包管明兀系HJ以分力刚P鄙分：yi()=K(弗)I【一警警】确弛m睁等】嘶等e。枷s知)=a。rect(r 1x(矿jm詈)、 w 、 L，(5)(6)(7)(8)l芦 =2 M矿，I(|)(_|) (10)图2信号采集电路整体框图Fig2 Overall block diagram for sismd acquisition circuit21乘法器电路设计模拟乘法器选取亚德诺半导体技术公司(Analog DevicesInc，ADI)生产的电压输出四象限乘法器芯片AD835，其带宽万方数据612 计算机应用 第38卷为250 MHz，输出电压WO的计算公式如
14、式(10)所示：WO=迅些号盟型+z (13)其中：所有参数的单位均为伏特(V)，U为缩魂比例系数，当U=1V，Z=0V，屁=0V，Y2=0V时，则有输出电压WO=X1yl。乘法器电路设计如图3所示，其中输入端x与X1(pin8)连接、Y与Y1(pinl)连接，您、挖接地，输出端WO与形(pin4)连接。+5V o-一FB卜一H-C1 47“FI广-+n拄杏由白显阳 X1 X2 yP AD835 ly b沁筝纠f R2Ry卜9_1通道3蜊0孽01通道4趟0馨0乏1原始信号镁0馨一l1重构信号题0孳一10 20 40 60 80 100 120时间ns统频域信号对比。图7低频射电天文信号采集板F
15、ig7 Lowfrequency radio astronomical signal acquisition boardI-X啦帕11BW“122书h一上山 帏 I JI睾埘U。删 ：H1一l l |m n：；j j H0 01 U -一k- J- I 掣刚TrlIi|f rl 1I |If 。f lIflkkk k kI I i “kk“ l“h kk ik kkI mp iI I f H p H fI F 埘仕r一1_ tt-tHKfiIl曩I 哩I 。，：IM啦郴t鳓B州“121j目柳7套岫晴Z。曩f 睫辚 U-J“ 。剖 。|L 一k一 “0，r 。I 1lk k k 啼Lh Hk k
16、 h I ，k“b k hjj!l p _一 W 9 W剿 y一!一一l，翟!一I。，：均方误差耋一01 E三三三三三三三三三三三三三三三三圈垂一01 11 E三三三三三三三三三三三三三三三三虽均方误差趣卜-州*H趣卜-啼-一_叫 馨一LLLLLL_LJJ一馨一LLLL_L_LJJ_J0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10时间，“s 时f日as(a)本文设计的采集板 (b)天文台信号采集系统重构信号图9时域重构信号对比结果Fig9 Time domain reconstructed signal comparison results06弘。
17、卜馨02|一T乳：一-_L |万方数据614 计算机应用 第38卷在采集板的测试过程中进行多次实验，现取其中两组不同时刻采集的信号进行对比分析。图9显示重构后的信号与原始信号具有一定的误差，均方误差分别为13210。2和124 x 10。图10显示低频射电天文信号主要频率集中在55 MHz65 MHz，在本文设计的采集板经信号重构所得到的信号的频谱与原始信号频谱近乎完美恢复，虽然在55 MHz65 MHz有一定的误差，但是恢复频谱结果依旧较为理想。通过对采集和信号重构整体分析发现，在不同的时间段所采集的信号具有不同程度的误差，并且误差较小，间接证明了采样系统有较好鲁棒性，能适应于不同的环境，同
18、时硬件采集电路中ADC采集部分对采集结果与信号重构过程都会造成一定程度的误差。经过100组实验，计算时域信号均方误差的平均值为127 x10。4 结语本文设计的基于调制宽带转换器的低频射电天文信号采集电路实现了低频射电天文信号压缩采样，压缩了采集信号数据的存储空间，降低了原始信号采集电路设计成本。虽然所设计的采样电路具有需信号重构才能恢复原始信号的局限性，这也是调制宽带转换器原理自身的局限，但仿真实验结果表明所设计的电路对低频射电天文信号的采集仍具有很强的实用性。现今高频信号采集模数转换芯片价格昂贵，后续研究工作主要是继续深入研究高频信号采集。参考文献：【1】 张金鹏，何乐生，董亮，等低频射电
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28、fast perception method for improving multi-signul classifi-cation algorithm【J】Journal of National University of DefenseTechnology，2015，37(5)：155160)This work is partially supported by the National Natural Science Foun-dation of China(U1231122)，the Eishth Graduate Student Research andInnovation Proje
29、ct of Yunnan UniversityW1J Itailong，bom in 1992，MScandidateHis research interestsinclude digital signal proee鸥ingBAI Zhengyao，bom in 1967，PhD，professorHis research in-terests include digital signal processing，digital image processingZI-IANG Yu，bom in 1992，MScandidateHer research interestsinclude digital image processing1iE Otsn，bom in 1993，MScandidateHer research interests inchide digital image processing万方数据