許丙強(qiáng)， 白宇， 路光， 平勁松， 王明遠(yuǎn)， 楊文軍， 王震， 嚴(yán)發(fā)寶,5*

1 山東大學(xué)空間科學(xué)研究院空間電磁探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 山東威海 264209 2 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)射電部， 北京 100101 3 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)空間與天文學(xué)院， 北京 100101 4 中國(guó)科學(xué)院新疆天文臺(tái)， 烏魯木齊 830046 5 山東大學(xué)機(jī)電與信息工程學(xué)院， 山東威海 264209

0 引言

低頻(<50 MHz)射電天文觀測(cè)是研究早期宇宙高氫紅移、黑暗時(shí)代、再電離時(shí)代，探索木星或太陽系其他行星及太陽爆發(fā)，獲得空間天氣層析成像視圖，超高能量宇宙射線，等離子體研究和其他天文研究的重要觀測(cè)手段(Du et al．，2015；Feng et al．，2018；Jester and Falcke，2009；Wang et al．，2020 and 2022b；Yu et al．，2019)．

目前對(duì)低頻射電天文觀測(cè)的研究進(jìn)入了前所未有的繁榮階段，但該頻段不同于高頻波段，觀測(cè)受到多種因素影響．Bentum等(2020)認(rèn)為主要影響源于電離層：一方面電離層會(huì)完全阻擋來自太空的低于電離層截止頻率(～10 MHz)的信號(hào)，另一方面電離層會(huì)反射或折射人類常用的低頻段無線電廣播信號(hào)，使得電磁信號(hào)充斥在電離層中形成射頻干擾．基于此，將該頻段射電研究劃分成兩個(gè)領(lǐng)域，即天基觀測(cè)與地基觀測(cè)(梅麗等，2018；平勁松等，2021；Zarka，1998；Tian et al．，2017)．

梅麗等(2018)研究認(rèn)為天基觀測(cè)可有效降低地球電磁層影響及人類活動(dòng)所造成的無線電干擾．天基觀測(cè)設(shè)備有許多，例如美國(guó)STEREO/SWAVES，探測(cè)頻段包含HFR(40 kHz～16 MHz)、LFR(10～40 MHz)與FFR(50 MHz)(Kaiser，2005)；中國(guó)嫦娥四號(hào)，搭載低頻射電探測(cè)儀，探測(cè)頻段0.1～80 MHz(葉培建等，2019)．天基觀測(cè)頻段普遍較低，得到的頻譜更干凈，但由于技術(shù)難度較高，受地球無線電或探測(cè)器天線間干擾等影響，使得此系列探測(cè)器取得的科學(xué)數(shù)據(jù)有限．

地基觀測(cè)雖然受到自然條件限制，但由于其建造方式經(jīng)濟(jì)，相關(guān)技術(shù)手段成熟，仍是低頻射電觀測(cè)的主要手段．國(guó)內(nèi)外部分低頻射電觀測(cè)設(shè)備及參數(shù)如表1所示．例如，歐洲的LOFAR(The Low-Frequency Array，Van Haarlem et al．，2013)，探測(cè)頻段為10～240 MHz；美國(guó)長(zhǎng)波長(zhǎng)陣列的首個(gè)接收站LWA1(the Long Wavelength Array 1，Taylor et al．，2012)，探測(cè)頻段為20～80 MHz；澳大利亞的Learmonth(Kennewell and Cornelius，1983)，探測(cè)頻段25～180 MHz；法國(guó)的南希觀測(cè)陣NDA(Nancay Decameter Array，Lecacheux，2000)，觀測(cè)頻段10～120 MHz；我國(guó)明安圖VLF頻段觀測(cè)設(shè)備(Chen et al．，2021)，實(shí)際探測(cè)頻段25～70 MHz；山東大學(xué)槎山太陽射電觀測(cè)站CSO(ChaShan Observatory，Du et al．，2017)設(shè)備，觀測(cè)頻段150～500 MHz，后擴(kuò)展了25～110 MHz頻段(Wang et al．，2022a)．這些裝置均是世界上比較先進(jìn)和成熟的大型低頻射電望遠(yuǎn)鏡．綜上，國(guó)內(nèi)相應(yīng)頻段射電觀測(cè)設(shè)備相對(duì)較少，能涉及到50 MHz以下低頻射電信號(hào)的設(shè)備更少．因此，在太陽活動(dòng)峰年到來之前，研制一套低頻段、高分辨率、穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備具有重要意義．

表1 國(guó)內(nèi)外部分低頻段射電觀測(cè)設(shè)備及參數(shù)Table 1 Some low-frequency radio observation equipment and parameters at home and abroad

為彌補(bǔ)研究空缺，山東大學(xué)空間科學(xué)研究院與中科院國(guó)家天文臺(tái)合作，聯(lián)合研制了一款針對(duì)低頻段(10～50 MHz)天文信號(hào)的射電觀測(cè)設(shè)備，該設(shè)備運(yùn)行在新疆奇臺(tái)．該低頻射電觀測(cè)設(shè)備時(shí)間分辨率為0.5～32 ms，頻率分辨率為15.3 kHz，不但可開展太陽射電觀測(cè)，還可開展以木星為代表的行星射電觀測(cè)，從而揭示行星自身等離子體環(huán)境物理特性，提供探索系外行星的新途徑．本文從關(guān)鍵器件選型、仿真與設(shè)計(jì)、接口和通訊、功能模塊等方面，對(duì)該觀測(cè)設(shè)備的核心部件——數(shù)字接收機(jī)與上位機(jī)軟件進(jìn)行論述．

1 數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)背景及需求

奇臺(tái)低頻射電觀測(cè)設(shè)備組成主要包括天線、模擬前端、數(shù)字接收機(jī)與上位機(jī)軟件，數(shù)字接收機(jī)和上位機(jī)軟件在射電觀測(cè)系統(tǒng)中的位置如圖1所示.

圖1 數(shù)字接收機(jī)與上位機(jī)軟件位置示意圖Fig.1 Digital receiver and upper computer software position diagram

數(shù)字接收機(jī)是射電觀測(cè)儀器中的核心部分，決定了觀測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率、頻率分辨率、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)(Shang et al．，2022)．Yan等(2020)認(rèn)為對(duì)于現(xiàn)代數(shù)字接收機(jī)，高速采集和實(shí)時(shí)處理是接收機(jī)的核心技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)．為滿足低頻觀測(cè)需要，奇臺(tái)低頻射電觀測(cè)設(shè)備數(shù)字接收機(jī)需能接收帶寬為10～50 MHz、功率>-60 dBm的信號(hào)，且要滿足數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)間同步等設(shè)計(jì)要求．

1.2 數(shù)字接收機(jī)組成

數(shù)字接收機(jī)包括采集卡與工控機(jī)，位于模擬前端之后，用于接收模擬前端輸出的信號(hào)，以適當(dāng)?shù)牟杉l率，將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)．采集卡結(jié)構(gòu)如圖2所示，其內(nèi)部配置有支持最高采樣率125 MSPS、16 bit雙通道的AD9265，K7系列現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)，讀寫速率1600 MHz的4 GB板載動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等．?dāng)?shù)據(jù)通過AD9265采集后，在FPGA中進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，包括加窗、快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)、求功率、累加取平均和封裝打包等，最后經(jīng)過高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)(Peripheral Component Interconnect express，PCIe)傳輸給工控機(jī)．工控機(jī)裝載Windows 7系統(tǒng)，具有PCIe x16卡槽以承載采集卡，為采集卡提供系統(tǒng)環(huán)境，也為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存與顯示提供處理平臺(tái)．

圖2 采集卡主要結(jié)構(gòu)Fig.2 Main structure of acquisition card

數(shù)字接收機(jī)中ADC芯片選型設(shè)計(jì)、FPGA選型設(shè)計(jì)、接口設(shè)計(jì)與通訊部分等是重要設(shè)計(jì)內(nèi)容，將在下文介紹．

1.3 ADC芯片選型設(shè)計(jì)

ADC芯片決定了采集卡的采樣頻率、采樣位數(shù)等參數(shù)，是數(shù)字接收機(jī)的核心器件之一．采集卡選型標(biāo)準(zhǔn)主要跟所測(cè)量的數(shù)據(jù)頻率有關(guān)．根據(jù)奈奎斯特采樣定理，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程中，要想保留原始信號(hào)的全部信息，采集頻率必須大于或者等于原信號(hào)的2倍．考慮應(yīng)用與成本，本系統(tǒng)選擇的芯片型號(hào)為AD9265，芯片詳細(xì)參數(shù)如表2所示．

表2 AD9265主要參數(shù)Table 2 Main parameters of AD9265

根據(jù)表2可知，AD9265支持雙通道16 bit 125 MSPS采樣，即每秒鐘每個(gè)通道可采集1.25×108個(gè)16 bit的數(shù)據(jù)，最大支持兩個(gè)通道同時(shí)采集．ADC輸入帶寬300 MHz，即可對(duì)頻率小于300 MHz的信號(hào)進(jìn)行采集；芯片信噪比(Signal-Noise Ratio，SNR)典型值(125 MSPS采樣，70 MHz輸入信號(hào))為79.0 dBFS，即ADC滿量程輸入下，信號(hào)功率與噪聲功率值相差79.0 dB；模擬輸入信號(hào)<±1 V，50 Ω阻抗下，最大輸入功率10 dBm．

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采樣頻率為125 MSPS，所探測(cè)信號(hào)最大頻率50 MHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，由式

50 MHz×2=100 MHz<125 MHz

(1)

可知采樣頻率符合奈奎斯特采樣定理．

利用MATLAB仿真采集卡對(duì)信號(hào)的采集情況，觀察信號(hào)落在奈奎斯特采樣區(qū)的位置．設(shè)置2個(gè)功率均為-40 dBm、頻率分別為20 MHz與50 MHz的正弦信號(hào)，作為實(shí)際信號(hào)(20～50 MHz)的邊界，用于模擬實(shí)際待測(cè)信號(hào)．加入高斯白噪聲，模擬背景噪聲，使信噪比SNR=10 dB左右，觀察信號(hào)測(cè)試情況．

圖3a是信號(hào)時(shí)域波形圖，圖3b為信號(hào)經(jīng)過8 k點(diǎn)(1 k點(diǎn)=1024個(gè)數(shù)據(jù))快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)后的功率譜．可知，采用125 MSPS采樣率對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，信號(hào)將位于第一奈奎斯特采樣區(qū)，頻譜未發(fā)生混疊．

圖3 MATLAB仿真ADC采樣數(shù)據(jù)圖片F(xiàn)ig.3 MATLAB simulation ADC sampling data picture

ADC的無雜散動(dòng)態(tài)范圍(Spurious-Free Dynamic Range，SFDR)也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)．SFDR衡量的是相對(duì)于轉(zhuǎn)換器滿量程范圍(dBFS)或輸入信號(hào)電平(dBc)的最差頻譜偽像，是轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)之一(劉文政和王德恒，2020)．本系統(tǒng)ADC的滿量程輸入為10 dBm，為保證采集卡安全，輸入1 dBm的正弦信號(hào)，設(shè)置125 MSPS采樣率測(cè)量其無雜散動(dòng)態(tài)范圍．ADC直接采集時(shí)域數(shù)據(jù)，利用MATLAB做8 k點(diǎn)FFT得出結(jié)果．根據(jù)楊莉軍等(2013)研究，結(jié)合圖4可看出數(shù)據(jù)不僅包含輸入信號(hào)，還有量化噪聲、系統(tǒng)內(nèi)部電路的干擾噪聲與輸入信號(hào)攜帶的外部噪聲等．輸入信號(hào)1 dBm測(cè)得相對(duì)滿量程數(shù)值為-9.9 dBFS，最大諧波-74.5 dBFS，SFDR為64.6 dB．保證測(cè)量條件不變，若將輸入信號(hào)功率提高至10 dBm，噪聲變化不大的情況下，對(duì)應(yīng)SFDR也會(huì)相應(yīng)增大至73.6 dB，由以上測(cè)試與推算可知，采集卡的SFDR大概為73.6 dB．

圖4 ADC無雜散動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試圖Fig.4 ADC spurious free dynamic range test diagram

1.4 FPGA選型設(shè)計(jì)

FPGA芯片是數(shù)字接收機(jī)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的關(guān)鍵器件，本系統(tǒng)選擇的是K7系列FPGA，其詳細(xì)參數(shù)如表3所示．

表3 XC7K410T部分資源Table 3 XC7K410T partial resources

XC7K410T可提供40萬個(gè)邏輯單元、63550個(gè)可編程邏輯塊單元、最大可分配RAM約5.6 Mb、1540個(gè)數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing，DSP)計(jì)算單元、約28 Mb塊隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(Random Access Memory，RAM)、多達(dá)500個(gè)I/O．

FPGA設(shè)計(jì)中最重要的是數(shù)字信號(hào)處理．根據(jù)圖5可知，數(shù)據(jù)處理通道有兩條，一路是頻率域數(shù)據(jù)，另一路是時(shí)間域數(shù)據(jù)．兩者可以通過程序控制切換．時(shí)間域數(shù)據(jù)的處理相對(duì)簡(jiǎn)單，只需將連續(xù)不斷的數(shù)據(jù)按指定長(zhǎng)度截開，封裝成數(shù)據(jù)幀傳送給計(jì)算機(jī)內(nèi)存即可．頻率域數(shù)據(jù)的處理相對(duì)繁瑣，步驟包括加窗、快速傅里葉變換、求功率譜、累加取平均和封裝數(shù)據(jù)等，下文將具體介紹各部分設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)．

圖5 FPGA內(nèi)部數(shù)據(jù)處理步驟框圖Fig.5 Block diagram of FPGA internal data processing steps

第一步加入窗函數(shù)，是為減輕頻譜泄露與柵欄效應(yīng)影響．一方面，自然界中信號(hào)是無限長(zhǎng)非周期的，若直接對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)啵瑫?huì)引入不可預(yù)測(cè)的其他頻率成分，頻譜在頻帶內(nèi)產(chǎn)生拖尾現(xiàn)象，造成頻譜畸變與能量泄露．另一方面，運(yùn)行FFT算法會(huì)產(chǎn)生柵欄效應(yīng)．因此需在FFT處理之前，加入窗函數(shù)．根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)與窗函數(shù)的特點(diǎn)，選擇漢寧窗．

圖6a為20 MHz正弦波、50 MHz正弦波、高斯白噪聲的混合信號(hào)加上漢寧窗之后的信號(hào)時(shí)域波形圖；圖6b為信號(hào)經(jīng)過8 k點(diǎn)FFT變換之后的功率譜．從圖6a可以看出，時(shí)域信號(hào)兩側(cè)并不是直接截?cái)?，而是緩慢減小到零，這是加入漢寧窗的影響，可以有效地抑制頻譜泄露，保證FFT之后主瓣信號(hào)更接近真實(shí)信號(hào)．對(duì)比圖3b與圖6b的信號(hào)可得，20 MHz信號(hào)FFT之后頻譜強(qiáng)度由-40.73 dBm變?yōu)?40.09 dBm，50 MHz信號(hào)由-40.36 dBm變?yōu)?40.13 dBm；可見，加入漢寧窗，信號(hào)的頻譜更接近真實(shí)值-40 dBm．

圖6 MATLAB仿真數(shù)據(jù)加入Hanning窗之后的影響Fig.6 Influence of adding Hanning window to MATLAB simulation data

處理流程中，第二步，核心步驟是傅里葉變換(FFT)．任何一個(gè)函數(shù)都可通過無限個(gè)頻率不同的正弦函數(shù)累加得到，這是信號(hào)諧波分析的基礎(chǔ)，也是傅里葉變換的本質(zhì)(時(shí)方等，2015)．FFT是一種可以實(shí)現(xiàn)離散傅里葉變換的快速算法，已經(jīng)是FPGA處理中常用與成熟的算法．Xilinx公司的Vivado軟件提供了高性能、高度參數(shù)化的IP核(Intellectual Property core)，用戶配置相關(guān)的參數(shù)即可完成FPGA中相應(yīng)的運(yùn)算．但對(duì)于時(shí)間或頻率分辨率較高的FFT實(shí)現(xiàn)，容易受到FPGA資源限制；因此，采用Zhang等(2022)研究的一種資源占用較少的實(shí)時(shí)快速傅里葉變換(MPR-FFT)，大大減少了資源占用．考慮到頻率分辨率要求與FPGA資源利用情況，選擇FFT點(diǎn)數(shù)N為8 k點(diǎn)，完成之后數(shù)據(jù)的頻率分辨率約為15.3 kHz，具體計(jì)算如式(2)所示：

125 MSPS/8 k點(diǎn)=15.3 kHz.

(2)

第三步處理是求信號(hào)的功率譜．調(diào)用IP核進(jìn)行FFT輸出的結(jié)果是傅里葉變換的實(shí)部與虛部數(shù)據(jù)．需要調(diào)用兩個(gè)乘法器將實(shí)部與虛部分別取平方，然后再調(diào)用加法器將兩者相加，即可得到數(shù)據(jù)傅里葉變換之后的功率譜數(shù)據(jù)．

第四步，累加取平均．首先計(jì)算原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，ADC的采樣位數(shù)為16 bit，采集卡設(shè)計(jì)有兩路采集通道，可以通過式

16 bit×2×125 MSPS=0.5 GB·s-1，

(3)

計(jì)算采集卡接收的數(shù)據(jù)量為0.5 GB·s-1．考慮到實(shí)際應(yīng)用需求與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，直接存儲(chǔ)源數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致后續(xù)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)存在壓力，因此需要選取合適的累加次數(shù)以減少數(shù)據(jù)量．

系統(tǒng)設(shè)計(jì)16、64、128、256、512和1024共計(jì)6種頻譜累加，默認(rèn)128次．假設(shè)計(jì)算1組頻譜所需要的時(shí)間為Ts，當(dāng)前的時(shí)間分辨率即Ts，計(jì)算如式(4)所示:

Ts=8 k點(diǎn)/(125 MSPS×2)=32 μs,

(4)

經(jīng)過N次平均之后，時(shí)間分辨率變?yōu)镹×Ts．由于N取值可為16、64、128、256、1024，所以N×Ts值為512 μs、2.0 ms、4.1 ms、8.1 ms和32.8 ms可選．

數(shù)據(jù)處理完成后需要將其封裝成指定的幀結(jié)構(gòu)，以供后續(xù)傳輸、存儲(chǔ)或讀取.每個(gè)數(shù)據(jù)幀大小為32 kB，包括幀頭(8 B)與數(shù)據(jù)(32 760 B)兩部分．

FPGA信號(hào)處理中有一項(xiàng)工作穿插于整個(gè)系統(tǒng)流程中——量化．Yan等(2021)提出在FPGA中實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理操作時(shí)需要量化，并將量化值用有限精度的數(shù)字表示，就需要考慮數(shù)據(jù)的表示格式．系統(tǒng)處理流程中，加窗、FFT處理等操作需要進(jìn)行大量的乘法和加法運(yùn)算，則必然會(huì)增大數(shù)據(jù)位數(shù)，占用較多邏輯資源，因此必須對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行截位．常用的截位方法是直接對(duì)數(shù)據(jù)低位進(jìn)行直接截?cái)啵@種操作相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于截取較少位數(shù)的數(shù)據(jù)時(shí)可以起到不錯(cuò)的效果，但截取的數(shù)據(jù)位數(shù)過多時(shí)，會(huì)對(duì)原始信號(hào)產(chǎn)生影響，在頻譜圖上表現(xiàn)為出現(xiàn)許多諧波，使得信號(hào)截位后頻譜數(shù)據(jù)質(zhì)量下降．因此，本系統(tǒng)采用一種優(yōu)化算法，近似截位法，即假設(shè)截位位數(shù)為n(此處指截去低n位)，則先將數(shù)據(jù)加上2n-1-1，然后再截去數(shù)據(jù)的低n，這種方法可以有效降低零頻尖峰和其他頻點(diǎn)異常，改善信號(hào)分析質(zhì)量(Yan et al．，2021)．實(shí)際應(yīng)用中，考慮到數(shù)據(jù)截位會(huì)犧牲掉一部分動(dòng)態(tài)范圍，由于整體信號(hào)強(qiáng)度較低，所以選擇犧牲掉高位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍為-78 ～-6 dBm．

1.5 接口與通訊設(shè)計(jì)

數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)中，接口部分與通訊部分同樣至關(guān)重要，接口設(shè)計(jì)包括工控機(jī)時(shí)間同步接口設(shè)計(jì)、采集卡參考信號(hào)接口、磁盤陣列連接接口等，通訊部分包括采集卡與工控機(jī)的信號(hào)通訊與數(shù)據(jù)傳輸方式，詳細(xì)框圖如圖7所示．

圖7 數(shù)字接收機(jī)相關(guān)接口連接示意圖Fig.7 Digital receiver correlation interface connection diagram

數(shù)字接收機(jī)接口設(shè)計(jì)中最重要的是時(shí)間同步設(shè)計(jì)．與時(shí)間相關(guān)的要求有三個(gè)：(1)數(shù)字接收機(jī)某一時(shí)刻時(shí)間的準(zhǔn)確性；(2)數(shù)字接收機(jī)計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性；(3)數(shù)字接收機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間戳記錄的準(zhǔn)確性．因此，需要外接外部網(wǎng)絡(luò)接口，接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol，NTP)服務(wù)器提供的1 PPS脈沖、10 MHz采集卡時(shí)鐘參考、BD/GPS時(shí)間接口．

針對(duì)數(shù)字接收機(jī)內(nèi)部時(shí)間點(diǎn)的準(zhǔn)確性，采用與外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間對(duì)時(shí)同步的方法．?dāng)?shù)字接收機(jī)有外部BD/GPS授時(shí)模式(默認(rèn))和網(wǎng)絡(luò)授時(shí)(ms級(jí)精度)兩種方式，前者需要借助NTP時(shí)間服務(wù)器進(jìn)行配置，后者需要連接互聯(lián)網(wǎng)．NTP時(shí)間服務(wù)器有獨(dú)立的天線可接收BD/GPS信號(hào)，BD/GPS接收機(jī)授時(shí)精度<30 ns，其內(nèi)部接收機(jī)接收到信號(hào)后進(jìn)行解析，將時(shí)間信息通過交換機(jī)傳送給終端(數(shù)字接收機(jī))，終端授時(shí)精度μs級(jí)(考慮局域網(wǎng)延遲)．

針對(duì)數(shù)字接收機(jī)計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性，需要外接NTP時(shí)間服務(wù)器提供的10 MHz恒溫晶振，該晶振由BD/GPS控制和馴服，頻率穩(wěn)定度<5×10-12/s，24 h偏差10 μs．該參考源可用于采集卡內(nèi)部時(shí)鐘參考，例如采樣過程中的計(jì)時(shí)等．

針對(duì)數(shù)字接收機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間記錄的準(zhǔn)確性，采用NTP時(shí)間服務(wù)器輸出的1 PPS脈沖的上升沿作為采集觸發(fā)信號(hào)，并將采集數(shù)據(jù)的第一個(gè)點(diǎn)的時(shí)刻記錄為時(shí)間戳信息保存在幀頭中．

工控機(jī)與磁盤陣列通過萬兆光纖連接，為其提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)硬件媒介.

數(shù)字接收機(jī)通訊部分設(shè)計(jì)主要指采集卡與工控機(jī)的信號(hào)通訊與數(shù)據(jù)傳輸方式．通過PCIe連接，板卡兼容PCI Express 2.0標(biāo)準(zhǔn)，通過PCI Express 8-lane總線連接到工控機(jī)的PCIe插槽上．每對(duì)Lane支持5.0 Gbps(Gen2)的數(shù)據(jù)傳輸速度，采用8-lane機(jī)械結(jié)構(gòu)，連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)2.8 GB·s-1．

工控機(jī)需要裝載windows7 64 bit或windows10 64 bit系統(tǒng)，并且需要安裝PCIe相關(guān)驅(qū)動(dòng)文件QTPcieCard.inf和QTPcieCard.sys．驅(qū)動(dòng)安裝之前，需要將采集卡安裝到工控機(jī)的PCIe插槽中并給工控機(jī)上電．每次上電開機(jī)啟動(dòng)過程中，操作系統(tǒng)枚舉系統(tǒng)上的PCIe 設(shè)備，分配物理內(nèi)存空間，并自動(dòng)裝載驅(qū)動(dòng)程序，配置硬件信息．

采集卡與工控機(jī)之間通訊信號(hào)與數(shù)據(jù)傳輸采用PCIe 協(xié)議，直接存儲(chǔ)器訪問(Direct Memory Access，DMA)模式，數(shù)據(jù)傳輸只需要控制控制器即可，無需CPU干預(yù)，可大幅提高傳輸效率，具體細(xì)節(jié)將在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)部分說明．

1.6 數(shù)字接收機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

(1)探測(cè)頻率1～62.5 MHz，探測(cè)功率-78～-6 dBm；

(2)時(shí)間分辨率0.5～32 ms可調(diào)，頻率分辨率15.3 kHz；

(3)雙通道，125 MSPS采樣率，16 bit分辨率；

(4)BD/GPS授時(shí)接收機(jī)授時(shí)精度ns級(jí)，終端時(shí)間同步精度μs級(jí)；

(5)PCIe協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率2.8 GB·s-1．

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)分析與總體設(shè)計(jì)

為滿足觀測(cè)需求，要求上位機(jī)軟件能完成通訊，接收與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示頻譜數(shù)據(jù)與強(qiáng)度圖圖像等功能．根據(jù)軟件開發(fā)需求，采用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)方法，應(yīng)用微軟公司的微軟基礎(chǔ)類庫(Microsoft Foundation Classes，MFC)和Teechart v8畫圖控件，研發(fā)了具有針對(duì)性的用于天文射電觀測(cè)的上位機(jī)軟件解決方案．軟件總體設(shè)計(jì)思路如圖8所示．

圖8 軟件設(shè)計(jì)Fig.8 Software design

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括四部分：數(shù)據(jù)采集、圖像顯示、響應(yīng)用戶配置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)．本文將從通訊模塊設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)定標(biāo)三部分對(duì)上述內(nèi)容分別進(jìn)行闡述．

2.2 通訊模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件對(duì)采集卡進(jìn)行信號(hào)通訊、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)獲取等操作需要集成相關(guān)的通用編程接口QT-API，該編程接口包括應(yīng)用程序編程接口(Application Programming Interface，API)動(dòng)態(tài)鏈接庫、驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)、板卡參數(shù)定義與寄存器地址等信息．它采用標(biāo)準(zhǔn)接口封裝，可支持C/C++語言對(duì)其進(jìn)行調(diào)用，本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件將其集成到MFC開發(fā)平臺(tái)，配合其他函數(shù)完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示等功能．

上位機(jī)軟件通訊模塊具體可分為信號(hào)通訊與數(shù)據(jù)傳輸兩部分．信號(hào)通訊主要指上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)字接收機(jī)發(fā)送相關(guān)指令完成參數(shù)修改、參數(shù)配置等功能，需要軟件調(diào)用API函數(shù)配置FPGA的寄存器，F(xiàn)PGA中的控制模塊通過讀取寄存器值來運(yùn)行相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)通訊．?dāng)?shù)據(jù)傳輸主要指上位機(jī)軟件獲取數(shù)字接收機(jī)采集的數(shù)據(jù)，需要通過PCIe協(xié)議，利用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，配合軟件其他程序完成．

2.2.1 觸發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

數(shù)據(jù)傳輸需要配合采集卡的觸發(fā)模式，可通過API函數(shù)將采集模式配置為多次觸發(fā)模式，觸發(fā)源為外部高電平觸發(fā)，即上文介紹的數(shù)字接收機(jī)接入的1 PPS秒脈沖信號(hào)上升沿．每次觸發(fā)信號(hào)到來，采集16 k個(gè)點(diǎn)(32 kB)數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA完成數(shù)據(jù)處理之后，將數(shù)據(jù)封裝成相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，每完成規(guī)定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)被拉高，數(shù)據(jù)被上傳，完成數(shù)據(jù)傳輸．

采集卡與工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸采用PCIe協(xié)議，DMA數(shù)據(jù)傳輸模式．每次DMA傳輸數(shù)據(jù)為32 kB，即每次采集完的數(shù)據(jù)都會(huì)被及時(shí)上傳到工控機(jī)內(nèi)存中，DMA機(jī)制詳細(xì)數(shù)據(jù)傳送步驟如圖9所示．

圖9 DMA數(shù)據(jù)通訊示意圖Fig.9 DMA data communication diagram

首先，驅(qū)動(dòng)程序向工控機(jī)的系統(tǒng)申請(qǐng)一片內(nèi)存空間(PCIe空間)用于數(shù)據(jù)傳輸，工控機(jī)將該地址告訴FPGA．當(dāng)FPGA要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)部的DMA模塊發(fā)出中斷信號(hào)，安裝在工控機(jī)上的驅(qū)動(dòng)PCIe DMA控制器響應(yīng)信號(hào)，并向位于應(yīng)用層的上位機(jī)軟件發(fā)送event事件信號(hào)和傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被緩存到之前申請(qǐng)的PCIe空間．

上位機(jī)軟件接收到event信號(hào)之后，首先判斷數(shù)據(jù)是否傳輸完成，然后從PCIe空間中復(fù)制數(shù)據(jù)到用戶申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存中進(jìn)行下一步數(shù)據(jù)處理(線上處理或?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存)．?dāng)?shù)據(jù)復(fù)制完成后，工控機(jī)向驅(qū)動(dòng)返回一個(gè)信號(hào)量告知可開始下一次DMA操作．依次循環(huán)，可連續(xù)不斷地從板載內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)到工控機(jī)內(nèi)存，完成數(shù)據(jù)傳輸．

2.2.2 程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

信號(hào)通訊通過調(diào)用API函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)．

數(shù)據(jù)傳輸步驟相對(duì)繁瑣，因此軟件設(shè)計(jì)中，利用單獨(dú)的數(shù)據(jù)采集線程實(shí)現(xiàn)此功能．

程序流程如圖10所示．線程啟動(dòng)，向系統(tǒng)申請(qǐng)指定大小的動(dòng)態(tài)內(nèi)存Buf用于緩存采集卡接收的數(shù)據(jù)．程序調(diào)用API函數(shù)控制采集卡采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)判斷采集的數(shù)據(jù)是否正確，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤則丟棄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)正確會(huì)存儲(chǔ)到全局變量Buf中，然后將數(shù)據(jù)復(fù)制到數(shù)組A與數(shù)組B中進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存(這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)用于畫圖程序)．當(dāng)數(shù)據(jù)采集到指定的大小會(huì)置存文件標(biāo)志位(標(biāo)志位1與標(biāo)志位2)，為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)線程提供存文件信號(hào)；之后判斷系統(tǒng)是否要退出，繼續(xù)執(zhí)行則轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行下一個(gè)文件數(shù)據(jù)的采集，退出則關(guān)閉采集卡停止采集，釋放之前申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存，停止此線程．

圖10 數(shù)據(jù)采集線程處理步驟Fig.10 Procedure for processing data acquisition threads

數(shù)據(jù)采集線程可以控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存，存文件與畫圖程序可通過訪問數(shù)據(jù)采集線程中緩沖內(nèi)存Buf獲取數(shù)據(jù)．

2.3 功能模塊設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件功能模塊主要介紹軟件針對(duì)射電天文接收機(jī)研發(fā)的具有針對(duì)性的功能模塊，包括界面顯示與參數(shù)配置模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊兩部分．下文將分別對(duì)這部分功能進(jìn)行闡述．

2.3.1 界面顯示與參數(shù)配置模塊

軟件設(shè)計(jì)中界面顯示模塊包括頻譜數(shù)據(jù)顯示與強(qiáng)度圖顯示界面，兩者均為實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)刷新速率為500 ms(通過軟件的定時(shí)器控制)．頻譜數(shù)據(jù)顯示界面如圖11所示，默認(rèn)顯示頻譜數(shù)據(jù)，時(shí)域波形圖顯示作為可選功能，通過參數(shù)控制模塊切換；強(qiáng)度圖顯示界面如圖12所示，可顯示一段時(shí)間(約1 min)內(nèi)頻譜數(shù)據(jù)的強(qiáng)度圖，數(shù)據(jù)從左至右按幀作畫，畫完自動(dòng)存儲(chǔ)．強(qiáng)度圖可根據(jù)需要不同的色表，以突出顯示天文事件，存儲(chǔ)的圖片是后期判斷系統(tǒng)是否捕獲天文事件的重要依據(jù)．

圖11 上位機(jī)軟件主界面Fig.11 Main interface of upper computer software

圖12 上位機(jī)軟件強(qiáng)度圖界面Fig.12 Upper computer software strength chart interface

參數(shù)控制模塊如圖11所示，與時(shí)頻數(shù)據(jù)顯示模塊位于同一界面，可完成用戶輸入信號(hào)響應(yīng)，對(duì)采集或顯示參數(shù)修改等功能．

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊功能是將緩存在Buf中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指定文件夾，詳細(xì)運(yùn)行步驟如圖13所示．

圖13 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)線程Fig.13 Data storage thread

首先，程序獲取系統(tǒng)時(shí)間，作為存儲(chǔ)bit文件的文件名．依次判斷標(biāo)志位1、標(biāo)志位2(設(shè)置兩個(gè)標(biāo)志位是方便進(jìn)行乒乓存儲(chǔ))是否為true，“否”則退到上一步重新獲取系統(tǒng)時(shí)間，“是”則進(jìn)行存文件操作．存文件完成之后，清標(biāo)志位；至此，一個(gè)文件的存儲(chǔ)完成．最后判斷系統(tǒng)是否要退出，“否”則轉(zhuǎn)到開始部分進(jìn)行下一個(gè)文件的存儲(chǔ)，“是”則退出程序．

2.4 數(shù)據(jù)標(biāo)定

定標(biāo)是接收機(jī)進(jìn)行定量化應(yīng)用的前提，而定標(biāo)精度是微波輻射計(jì)各個(gè)指標(biāo)能否圓滿完成正常任務(wù)的前提(彭璐，2008)．?dāng)?shù)字接收機(jī)若直接采集時(shí)域信息，可利用ADC芯片的電壓計(jì)算公式計(jì)算出ADC采樣數(shù)值與真實(shí)電壓值的關(guān)系即可．但是由于FPGA處理過程中涉及到許多截位或平方運(yùn)算，會(huì)導(dǎo)致無法通過公式計(jì)算出真實(shí)值，需要利用信號(hào)源或其他器件進(jìn)行標(biāo)定．本系統(tǒng)采用外部接入信號(hào)源，測(cè)試系統(tǒng)讀數(shù)，將兩者對(duì)應(yīng)起來完成定標(biāo)．如信號(hào)源輸出功率值A(chǔ)=-20 dBm、頻率30 MHz的正弦波信號(hào)作為輸入信號(hào)，運(yùn)行上位機(jī)軟件，將采集到的值與 -20 dBm對(duì)應(yīng)．具體步驟：(1)連接信號(hào)源與數(shù)字接收機(jī)，設(shè)定信號(hào)源輸出頻率30 MHz，功率A=-20 dBm；(2)在軟件內(nèi)部首先對(duì)測(cè)得的原始數(shù)據(jù)x取功率值得到X=10 lg(x)，利用上位機(jī)軟件讀出尚未標(biāo)定的輸入信號(hào)(頻率為30 MHz處)的數(shù)值X0；(3)計(jì)算X0與A的插值E=A-X0，E即為以30 MHz為標(biāo)準(zhǔn)得到的系統(tǒng)定標(biāo)的補(bǔ)償值，由于ADC芯片各頻點(diǎn)響應(yīng)差別不大，可將此值作為全頻點(diǎn)的補(bǔ)償值，則定標(biāo)后的數(shù)據(jù)如式(5)所示:

y=X+E=10 lg(x)+E.

(5)

理想情況下，信號(hào)源輸入信號(hào)，ADC不同頻率的響應(yīng)是一致的．但實(shí)際應(yīng)用中，不同頻率點(diǎn)輸入相同功率時(shí)，由于元器件幅頻響應(yīng)不一致，會(huì)導(dǎo)致輸出功率存在偏差，從而引入誤差，此時(shí)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行平坦度補(bǔ)償(徐珂等，2021)．如圖14所示，B點(diǎn)為標(biāo)定所選取的單頻率點(diǎn)，若直接將B點(diǎn)作為全頻率點(diǎn)標(biāo)定曲線，補(bǔ)償效果如圖中黑色實(shí)線所示．由于器件的不一致性，A、C兩點(diǎn)處可能會(huì)存在誤差．若要對(duì)每個(gè)點(diǎn)精確補(bǔ)償，需要測(cè)得每個(gè)點(diǎn)的數(shù)值，然后對(duì)每個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償；實(shí)際測(cè)試中可知，造成數(shù)字接收機(jī)各頻點(diǎn)響應(yīng)不一致的主要原因是數(shù)字接收機(jī)底噪的不平坦．因此，只需解決接收機(jī)底噪的不平坦的問題即可大幅提升數(shù)字接收機(jī)的平坦度．具體實(shí)現(xiàn)步驟包括: 先按照式(4)進(jìn)行標(biāo)定，然后將某一時(shí)刻數(shù)字接收機(jī)的底噪(該底噪應(yīng)該具有代表性、通用性)記錄在一個(gè)數(shù)組a中；以選擇參考標(biāo)定的頻率(30 MHz)在該時(shí)刻的數(shù)值S作為標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)組a中的每個(gè)值與S做差得到插值數(shù)組ΔE，此時(shí)新的定標(biāo)公式如式(6)所示：

圖14 數(shù)據(jù)標(biāo)定示意圖Fig.14 Data calibration diagram

y=X+E+ΔE=10 lg(x)+E+ΔE.

(6)

3 測(cè)試結(jié)果分析

自主研制的數(shù)字接收機(jī)與上位機(jī)軟件已成功應(yīng)用于新疆奇臺(tái)觀測(cè)站低頻(10～50 MHz)射電觀測(cè)設(shè)備，自2021年6月投入運(yùn)行后，一直監(jiān)視太陽活動(dòng)和行星射電爆發(fā)，已成功捕捉多次太陽射電爆發(fā)．下文列舉一次成功探測(cè)到的太陽Ⅱ型射電暴，并以目前國(guó)際上比較知名的觀測(cè)站——澳大利亞低頻觀測(cè)站(Learmonth Solar Radio Spectrograph，其觀測(cè)頻率達(dá)25～180 MHz)作為對(duì)比，來分析本系統(tǒng)的探測(cè)能力．奇臺(tái)低頻射電觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)采用的累加次數(shù)為默認(rèn)值128次，時(shí)間分辨率為4.1 ms；頻率分辨率為15.3 kHz；澳大利亞Learmonth觀測(cè)設(shè)備的時(shí)間分辨率為3000 ms，頻率分辨率約為128 kHz．從指標(biāo)上看，本系統(tǒng)時(shí)間分辨率與頻率分辨率皆高于Learmonth設(shè)備．

2021年9月28日，協(xié)調(diào)世界時(shí)(Universal Time Coordinated，UTC)時(shí)間06∶20，一次強(qiáng)烈的II型太陽射電暴同時(shí)被本設(shè)備與Learmonth設(shè)備觀測(cè)到．該事件觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖15所示，奇臺(tái)低頻射電觀測(cè)設(shè)備觀測(cè)結(jié)果圖16、圖17所示．

圖15 澳大利亞觀測(cè)設(shè)備提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)，右側(cè)色標(biāo)單位為(dBm/15.3 kHz)，數(shù)據(jù)來自World Data Center，https:∥downloads.sws.bom.gov.au/wdc/wdc_spec/data/learmonth/raw/20/Fig.15 Observation data provided by Australian observation equipment, right colorbar unit (dBm/15.3 kHz), data from World Data Center， https:∥downloads.sws.bom.gov.au/wdc/wdc_spec/data/learmonth/raw/20/

圖16 本系統(tǒng)提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)，右側(cè)色標(biāo)單位為(dBm/15.3 kHz)Fig.16 Observation data provided by the system, right colorbar unit (dBm/15.3 kHz)

圖17 本系統(tǒng)提供的觀測(cè)數(shù)據(jù)，右側(cè)colorbar單位為(dBm/15.3 kHz)Fig.17 Observation data provided by the system, right colorbar unit (dBm/15.3 kHz)

奇臺(tái)低頻射電觀測(cè)設(shè)備采用對(duì)數(shù)周期天線進(jìn)行觀測(cè)，其輸出信號(hào)有兩個(gè)通道，通道1(水平極化)與通道2(垂直極化)．而且由于新疆奇臺(tái)觀測(cè)站20 MHz以下信號(hào)干擾嚴(yán)重，所以系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)通道的模擬前端進(jìn)行了不同處理．通道1多加了兩個(gè)微波器件，一個(gè)20 MHz高通濾波器濾除低頻信號(hào)(可以看到圖16中20 MHz以下信號(hào)被明顯衰減)；另一個(gè)是低噪放，保證系統(tǒng)對(duì)20～50 MHz范圍內(nèi)信號(hào)具備更高的探測(cè)能力．通道2則完全保留1～50 MHz范圍內(nèi)的信號(hào)觀測(cè)，但模擬前端整體的放大功率比通道1?。?jiǎn)言之，通道1對(duì)20～50 MHz信號(hào)具有更高靈敏度的探測(cè)能力，通道2對(duì)低至1 MHz的大功率信號(hào)保留了探測(cè)能力．

從圖16、17可知，兩者觀測(cè)到的太陽Ⅱ型射電暴輪廓基本相同．觀察25～50 MHz頻段信號(hào)，與澳大利亞觀測(cè)設(shè)備發(fā)布的數(shù)據(jù)對(duì)比，奇臺(tái)低頻射電觀測(cè)設(shè)備更精細(xì)，具體爆發(fā)細(xì)節(jié)清晰可見．除此之外，圖17可以看出通道2中18～25 MHz內(nèi)信號(hào)也出現(xiàn)爆發(fā)現(xiàn)象，說明對(duì)同一天文事件，奇臺(tái)低頻射電觀測(cè)設(shè)備可對(duì)更低頻率信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，可以更全面解讀事件發(fā)生機(jī)理，更具研究?jī)?yōu)勢(shì)．

4 結(jié)論與討論

數(shù)字接收機(jī)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是射電接收機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)研制的重要內(nèi)容．本文研制的10～50 MHz地基低頻射電觀測(cè)數(shù)字接收機(jī)及上位機(jī)軟件的時(shí)間分辨率和頻率分辨率等指標(biāo)均達(dá)到射電觀測(cè)領(lǐng)域先進(jìn)水平．

數(shù)字接收機(jī)探測(cè)頻率為1～62.5 MHz、接收功率覆蓋-78 ～-6 dBm、頻率分辨率15.3 kHz、時(shí)間分辨率0.5～32 ms可選．核心器件ADC支持125 MSPS采樣率、16 bit分辨率位數(shù)；數(shù)據(jù)采集方面支持原始時(shí)域數(shù)據(jù)或經(jīng)過FFT運(yùn)算后的頻域數(shù)據(jù)采集，支持雙通道采集．采用XC7K410T系列FPGA，擁有豐富的資源可完成數(shù)字信號(hào)處理操作．采用BD/GPS授時(shí)，精度可達(dá)微秒級(jí)．?dāng)?shù)據(jù)傳輸采用PCIe協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)2.8 GB/s．

上位機(jī)軟件能夠完成通訊，數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)，實(shí)時(shí)顯示頻譜數(shù)據(jù)與強(qiáng)度圖等的功能．通訊協(xié)議采用PCIe，DMA數(shù)據(jù)傳輸模式，可實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)同步顯示．頻譜顯示結(jié)合強(qiáng)度圖顯示，提供多方面數(shù)據(jù)顯示渠道，便于觀察天文事件．?dāng)?shù)據(jù)標(biāo)定通過采用全頻帶誤差補(bǔ)償修正的方法，大幅提高了定標(biāo)精度．

2021年6月，本文提出的數(shù)字接收機(jī)與上位機(jī)軟件已成功運(yùn)行在新疆奇臺(tái)低頻(10～50 MHz)射電觀測(cè)系統(tǒng)中．該系統(tǒng)進(jìn)行著不間斷的觀測(cè)，多次成功探測(cè)到太陽Ⅱ型、Ⅲ型等射電暴，為我國(guó)射電研究領(lǐng)域增添了一套高分辨率、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的低頻射電系統(tǒng)．經(jīng)過與澳大利亞低頻射電儀器觀測(cè)到的爆發(fā)圖像對(duì)比，本系統(tǒng)探測(cè)精度更高，觀測(cè)頻段更低，爆發(fā)圖像更為清晰，許多指標(biāo)處于世界前列．系統(tǒng)后續(xù)可以開展以木星為主的行星射電觀測(cè)．同時(shí)，系統(tǒng)配備GPS時(shí)鐘嚴(yán)格控制時(shí)間精度，可與嫦娥-4號(hào)空間低頻射電設(shè)備、明安圖日像儀、山東大學(xué)槎山太陽射電觀測(cè)站開展星-地聯(lián)合觀測(cè)，有望在上述研究領(lǐng)域取得新成果．

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)格測(cè)試和新疆實(shí)地運(yùn)行，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)與探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析后，表明系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)可滿足射電觀測(cè)需求．但系統(tǒng)仍存在不足之處需要改進(jìn)，例如受到FPGA芯片資源限制，頻率分辨率點(diǎn)數(shù)無法再提高；上位機(jī)軟件存儲(chǔ)的強(qiáng)度圖圖像，需要人工分辨圖像中是否包含爆發(fā)事件，后期可加入深度學(xué)習(xí)功能的軟件識(shí)別程序，使其自動(dòng)識(shí)別爆發(fā)圖片，保存有用數(shù)據(jù)，刪除無用數(shù)據(jù)；上位機(jī)軟件缺少報(bào)錯(cuò)自檢機(jī)制等. 后續(xù)研究中可對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)．