射电望远镜接收机的时间同步与数据传输
2022-06-09
摘要：接收机系统是射电望远镜的重要组成部分，是决定射电望远镜性能的关键因素之一。接收机的设计需要前后仪器及模拟和数字系统之间精确的同步，准确的时间戳对天文观测，以及接收机系统的稳定性都具有重要的影响，射电望远镜实时数据量大，高速数据传输是接收机重要环节，数据传输率在理想情况下可达到9.5Gbps。本研究主要包括时间戳的建立与系统同步，数据打包与高速传输。本文研究内容作为接收机的重要组成部分，是实现高性能接收机必不可少的工作，并且具有广泛的通用性，为其他望远镜的研究提供参考，节省望远镜开发的人力物力成本。
关键词：接收机 同步 时间戳 高速传输
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）01-0000-00
1 引言
我们对宇宙的所有认识几乎都来自于观测者接收到的电磁辐射，在数千年的时间里，人类的测量都被限制在可见光波段，直到二战结束后，借助于新的接收机，人们才打开了地球大气的新窗口——射电窗口[1]。随着我国射电天文学的发展，高灵敏度的射电望远镜成为射电观测的重要设备。例如我国正在建设中的500 m口径球面射电望远镜（FAST）将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜，它有望在中性氢巡视、脉冲星搜索、国际VLBI网联测及地外生命搜寻等重要前沿领域取得突破[2]。不同于光学望远镜，需要镜筒、目镜以及物镜，射电望远镜是由天线和接收系统组成的，天线接收面积越大，接收机的性能越好，望远镜的灵敏度就越高。接收机需要可靠地提取有用信息，输出到后端供科学分析，如1964年Gordon Pettengill团队发现了水星的自转周期不是88天而是59天[3]；1968年Lovelace和其他天文学家发现了蟹状星云脉冲星的周期为33毫秒，成为第一个证明中子星存在的证据[4]；1972年Hulse和Taylor发现了脉冲双星PSR B1913+16[5]，并因此获得了1982年的诺贝尔物理学奖等等，这些都是在Arecibo的ASP （Arecibo Signal Processor）接收机上产生的，在已有天线固定的情况下，接收机的指标决定着望远镜的指标，接收机的升级也是望远镜的升级，一个高性能接收机的升级换代，意味着更高的望远镜灵敏度，提供更多的可能等待人类去发现和探索。
2 研究内容
望远镜的接收系统从馈源开始输出，经多级放大器、衰减器、混频器和滤波器，高性能ADC模块采样量化编码，分为多通道送至FPGA主控板，做并行FFT处理，存储到FPGA板上存储单元，存储单元采用两个缓冲模块（FIFO）交替存储。接收机整个系统内，1 PPS秒脉冲信号贯穿始终，gps接收机接收的秒脉冲信号，在GPS端校准脉冲上升沿，输入Frequency Standard仪器，调整并形成整齐的秒脉冲信号，经过ADC，FPGA板的同步信号端口，借助高速FPGA的自身稳定性，形成具有准确上升沿的同步时钟信号，达到模块之间的同步目的。时间系统选用Unix Timestamp网络时钟，提供可靠地绝对时间信息。精确的时钟信号的作用不仅可以实现整个系统的同步，还能为数据打包提供可靠的时间戳，为天文数据获取的时间提供参考，方便与望远镜的观测日志对接，明确望远镜工作时所扫描的天区，防止丢数、乱序等现象。
2.1 时间戳与系统同步
时间戳的建立主要有GPS、Frequency Standard仪器与网络时间Unix Timestamp构成，从GPS接收器得到1PPS信号，送给Frequency Standard仪器（该仪器选择型号SRS-FS725）调整脉冲，得到严格的脉冲上升沿，同时在FPGA上的Linux系统里获取网络时间，触发FPGA上时间戳程序，开始计时，当数据输出时就可得到稳定而且准确的时间戳打包。采用MATLAB的Simulink软件对时间戳仿真，其主要结构如图1所示，Unix 时间就是我们当天实时时间，通过FPGA上一个精简Linux系统输入指令从网络获取， Unix Timestamp是从1970年1月1日（UTC/GMT的午夜）开始所经过的秒数，如2015年5月20日20时20分20秒所对应的秒数为1432124420。GPS产生的1PPS通知FPGA从网络上获取Unix Timestamp和启动小数秒的计数器。小数秒的计数器计算FPGA的时间周期，例如FPGA的工作频率在200 MHz，则时钟周期为5 ns，当时钟周期的计数器计数达到1 s，整数秒的计数器加一，同时复位小数秒计数器，使其重新计数。整数秒计数器的值加上Unix Timestamp最新秒数，可获取最新整数秒数，同时获取小数秒计数值，并与整数秒求和，可获取每个数据包的最准确的时间戳，精度可达纳秒级。FPGA的时钟是从ADC上获取的，因此可以保证ADC和FPGA的同步[6]。
2.2 数据打包
自定义打包格式，能有效提高天文数据的可读性，加强天文数据的准确性，在目前的接收机系统中是必不可少的一步设计，针对天文数据在接收机处理中的特点，在打包数据的同时加上时间戳和数据头，保证每个数据包附加有绝对时间信息。数据头表征一个数据包的开始，用以区分数据包，由可识别性较高的字符串组成。数据打包格式如图2所示，采用MATALAB里的Simulink软件，利用CASPER和Xilinx公司提供的库，对数据打包进行仿真，数据包位宽设置为：数据头16位，时间戳16位，数据50位，有效信号共82位，一个数据包长度设置256位，其余为非有效信号，仿真结果如图3所示，打包部分属于一个子系统，为数据传输的一部分。
2.3 高速传输
数据以自定义格式打包后，选用10G高速以太网传输，8b/10b编码方式，156.25MHz时钟工作，UDP协议传送，IPv4格式传输，以太网帧格式，因此以太网传输，需要额外添加38个字节的以太网数据头、20字节的IPv4数据头以及16字节的UDP数据头。整个数据传输系统采用MATLAB/Simulink仿真，如图4所示，数据打包封装，以64bit位宽输出，上位机配置目的IP地址与目的端口（port）及以太网模块复位信号，选择FPGA板上自带的sfp+端口的1号以太网卡，端口号为0；因为FPGA工作在系统时钟（200MHz）下，而以太网工作在板上晶振时钟（156.25MHz），两者处于异步工作模式，须配置两个FIFO缓存有效数据，当第一个缓冲模块存满，FPGA选择第二个缓冲模块存储，同时将第一个缓冲模块已存数据输出10G以太网缓冲区，传输至后端数据采集系统进行存储与处理。Simulink仿真通过后，利用MATALB和Xilinx公司联合开发的System Generator[7]工具可将生成的mdl文件转化成硬件语言，上位机通过Python编译执行。 3结语
经过实验室软件模拟仿真，时间戳精度达到了接收机的需要精度，打包格式具有一定创新性，为数据添加上准确的绝对时间信息，符合望远镜的观测需要，ADC、FPGA和10G以太网之间实现高度同步，数据有效传输送到后端，本文具有广泛的应用范围和一定的研究价值。本文的研究是整个接收系统的一部分，未来的工作中，我们将继续完善本研究内容，在数据输出后端需要搭建数据采集监控软件，对接收机前后端的数据监测控制，保证接收机的正常运行能力。并在接收机的输出端添加大数据中心，采用CPU和GPU等多核处理器加速数据处理能力，建立服务器集群，配置多个计算节点与存储节点，将接收机送出来到的数据进行存储和计算。
参考文献
[1]Rohlfs K， Wilson T L，姜碧沩.射电天文工具[M].北京师范大学出版社，2008.
[2]南仁东，李会贤.FAST 的进展——科学，技术与设备[J].中国科学：物理学，力学，天文学，2014（010）：1063-1074.
[3]Dyce B R， Pettengill G H， Shapiro I I. Radar determination of the rotations of Venus and Mercury[J].The Astronomical Journal，1967，72：351.
[4]Richard V.E. Lovelace. "Discovery of the Period of the Crab Nebula Pulsar" （PDF）. Cornell University. Archived （PDF） from the original on September 12， 2008. Retrieved 2008-09-02.
[5]Hulse R A， Taylor J H. Discovery of a pulsar in a binary system[J].The Astrophysical Journal， 1975， 195： L51-L53.
[6]Duan R， McHugh S， Serfass B， et al. An open-source readout for MKIDs[C]//SPIE Astronomical Telescopes+ Instrumentation. International Society for Optics and Photonics， 2010： 77411V-77411V-10.
[7]https：//casper.berkeley.edu/wiki/10GbE Interface.
收稿日期：2015-11-18
作者简介：俞欣颖（1991—），女，汉族，江苏扬州人，硕士研究生，电路与系统专业。
关键词：接收机 同步 时间戳 高速传输
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）01-0000-00
1 引言
我们对宇宙的所有认识几乎都来自于观测者接收到的电磁辐射，在数千年的时间里，人类的测量都被限制在可见光波段，直到二战结束后，借助于新的接收机，人们才打开了地球大气的新窗口——射电窗口[1]。随着我国射电天文学的发展，高灵敏度的射电望远镜成为射电观测的重要设备。例如我国正在建设中的500 m口径球面射电望远镜（FAST）将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜，它有望在中性氢巡视、脉冲星搜索、国际VLBI网联测及地外生命搜寻等重要前沿领域取得突破[2]。不同于光学望远镜，需要镜筒、目镜以及物镜，射电望远镜是由天线和接收系统组成的，天线接收面积越大，接收机的性能越好，望远镜的灵敏度就越高。接收机需要可靠地提取有用信息，输出到后端供科学分析，如1964年Gordon Pettengill团队发现了水星的自转周期不是88天而是59天[3]；1968年Lovelace和其他天文学家发现了蟹状星云脉冲星的周期为33毫秒，成为第一个证明中子星存在的证据[4]；1972年Hulse和Taylor发现了脉冲双星PSR B1913+16[5]，并因此获得了1982年的诺贝尔物理学奖等等，这些都是在Arecibo的ASP （Arecibo Signal Processor）接收机上产生的，在已有天线固定的情况下，接收机的指标决定着望远镜的指标，接收机的升级也是望远镜的升级，一个高性能接收机的升级换代，意味着更高的望远镜灵敏度，提供更多的可能等待人类去发现和探索。
2 研究内容
望远镜的接收系统从馈源开始输出，经多级放大器、衰减器、混频器和滤波器，高性能ADC模块采样量化编码，分为多通道送至FPGA主控板，做并行FFT处理，存储到FPGA板上存储单元，存储单元采用两个缓冲模块（FIFO）交替存储。接收机整个系统内，1 PPS秒脉冲信号贯穿始终，gps接收机接收的秒脉冲信号，在GPS端校准脉冲上升沿，输入Frequency Standard仪器，调整并形成整齐的秒脉冲信号，经过ADC，FPGA板的同步信号端口，借助高速FPGA的自身稳定性，形成具有准确上升沿的同步时钟信号，达到模块之间的同步目的。时间系统选用Unix Timestamp网络时钟，提供可靠地绝对时间信息。精确的时钟信号的作用不仅可以实现整个系统的同步，还能为数据打包提供可靠的时间戳，为天文数据获取的时间提供参考，方便与望远镜的观测日志对接，明确望远镜工作时所扫描的天区，防止丢数、乱序等现象。
2.1 时间戳与系统同步
时间戳的建立主要有GPS、Frequency Standard仪器与网络时间Unix Timestamp构成，从GPS接收器得到1PPS信号，送给Frequency Standard仪器（该仪器选择型号SRS-FS725）调整脉冲，得到严格的脉冲上升沿，同时在FPGA上的Linux系统里获取网络时间，触发FPGA上时间戳程序，开始计时，当数据输出时就可得到稳定而且准确的时间戳打包。采用MATLAB的Simulink软件对时间戳仿真，其主要结构如图1所示，Unix 时间就是我们当天实时时间，通过FPGA上一个精简Linux系统输入指令从网络获取， Unix Timestamp是从1970年1月1日（UTC/GMT的午夜）开始所经过的秒数，如2015年5月20日20时20分20秒所对应的秒数为1432124420。GPS产生的1PPS通知FPGA从网络上获取Unix Timestamp和启动小数秒的计数器。小数秒的计数器计算FPGA的时间周期，例如FPGA的工作频率在200 MHz，则时钟周期为5 ns，当时钟周期的计数器计数达到1 s，整数秒的计数器加一，同时复位小数秒计数器，使其重新计数。整数秒计数器的值加上Unix Timestamp最新秒数，可获取最新整数秒数，同时获取小数秒计数值，并与整数秒求和，可获取每个数据包的最准确的时间戳，精度可达纳秒级。FPGA的时钟是从ADC上获取的，因此可以保证ADC和FPGA的同步[6]。
2.2 数据打包
自定义打包格式，能有效提高天文数据的可读性，加强天文数据的准确性，在目前的接收机系统中是必不可少的一步设计，针对天文数据在接收机处理中的特点，在打包数据的同时加上时间戳和数据头，保证每个数据包附加有绝对时间信息。数据头表征一个数据包的开始，用以区分数据包，由可识别性较高的字符串组成。数据打包格式如图2所示，采用MATALAB里的Simulink软件，利用CASPER和Xilinx公司提供的库，对数据打包进行仿真，数据包位宽设置为：数据头16位，时间戳16位，数据50位，有效信号共82位，一个数据包长度设置256位，其余为非有效信号，仿真结果如图3所示，打包部分属于一个子系统，为数据传输的一部分。
2.3 高速传输
数据以自定义格式打包后，选用10G高速以太网传输，8b/10b编码方式，156.25MHz时钟工作，UDP协议传送，IPv4格式传输，以太网帧格式，因此以太网传输，需要额外添加38个字节的以太网数据头、20字节的IPv4数据头以及16字节的UDP数据头。整个数据传输系统采用MATLAB/Simulink仿真，如图4所示，数据打包封装，以64bit位宽输出，上位机配置目的IP地址与目的端口（port）及以太网模块复位信号，选择FPGA板上自带的sfp+端口的1号以太网卡，端口号为0；因为FPGA工作在系统时钟（200MHz）下，而以太网工作在板上晶振时钟（156.25MHz），两者处于异步工作模式，须配置两个FIFO缓存有效数据，当第一个缓冲模块存满，FPGA选择第二个缓冲模块存储，同时将第一个缓冲模块已存数据输出10G以太网缓冲区，传输至后端数据采集系统进行存储与处理。Simulink仿真通过后，利用MATALB和Xilinx公司联合开发的System Generator[7]工具可将生成的mdl文件转化成硬件语言，上位机通过Python编译执行。 3结语
经过实验室软件模拟仿真，时间戳精度达到了接收机的需要精度，打包格式具有一定创新性，为数据添加上准确的绝对时间信息，符合望远镜的观测需要，ADC、FPGA和10G以太网之间实现高度同步，数据有效传输送到后端，本文具有广泛的应用范围和一定的研究价值。本文的研究是整个接收系统的一部分，未来的工作中，我们将继续完善本研究内容，在数据输出后端需要搭建数据采集监控软件，对接收机前后端的数据监测控制，保证接收机的正常运行能力。并在接收机的输出端添加大数据中心，采用CPU和GPU等多核处理器加速数据处理能力，建立服务器集群，配置多个计算节点与存储节点，将接收机送出来到的数据进行存储和计算。
参考文献
[1]Rohlfs K， Wilson T L，姜碧沩.射电天文工具[M].北京师范大学出版社，2008.
[2]南仁东，李会贤.FAST 的进展——科学，技术与设备[J].中国科学：物理学，力学，天文学，2014（010）：1063-1074.
[3]Dyce B R， Pettengill G H， Shapiro I I. Radar determination of the rotations of Venus and Mercury[J].The Astronomical Journal，1967，72：351.
[4]Richard V.E. Lovelace. "Discovery of the Period of the Crab Nebula Pulsar" （PDF）. Cornell University. Archived （PDF） from the original on September 12， 2008. Retrieved 2008-09-02.
[5]Hulse R A， Taylor J H. Discovery of a pulsar in a binary system[J].The Astrophysical Journal， 1975， 195： L51-L53.
[6]Duan R， McHugh S， Serfass B， et al. An open-source readout for MKIDs[C]//SPIE Astronomical Telescopes+ Instrumentation. International Society for Optics and Photonics， 2010： 77411V-77411V-10.
[7]https：//casper.berkeley.edu/wiki/10GbE Interface.
收稿日期：2015-11-18
作者简介：俞欣颖（1991—），女，汉族，江苏扬州人，硕士研究生，电路与系统专业。