基于SNAP2的WBSPF数字后端系统关键技术研究

In recent years, many institutions are developing wideband techniques, in the field of radio astronomy, wideband technology not only can improve the sensitivity of radio telescopes, improve the ability to detect faint signal, but can also implement multiple band on the traditional observation at the same time, improve the efficiency of observation to further research the mechanism of radio radiation. Two core technologies of wideband observation are Wideband feed and wideband digital backend systems. In our participation of the SKA-WBSPF international work package, we have completed the four ridge feed covering 1.6-5.2 GHz broadband and initialing the next phase feed of covering 1.6-9.6 GHz wideband, at present there is no matching wideband digital backend. Therefore, combined with the latest development of technology domestic and abroad, we will carry out the SNAP2 and GPU platform based wideband digital backend system, featuring 5GSPS/15GSPS AD of complete coverage of 5-8 GHZ observations bandwidth，up to million channels high spectral resolution . This study , can not only be applied to current and future major radio telescope (FAST and SKA project), it can also be viewed as the forefront of China's development with wideband techniques, and to provide the experience for other related area and international competition.

近年来许多国内外机构都在开展超宽带技术研究，在射电天文领域，超宽带不仅可以提高望远镜灵敏度，提高探测暗弱信号能力，还可以实现多个传统频带上的同时观测，提高观测效率。超宽带观测的两项核心技术为超宽带馈源和超宽带数字后端系统。在我们参与的SKA-WBSPF国际工作包中，已经完成1.6~5.2GHz四脊宽带馈源，并正在开展下一阶段1.6~9.6GHz超宽带馈源研制，目前尚未有与之匹配的宽带数字后端。因此，结合工业界与国内外最新数字后端技术发展，本项目将开展超宽带数字后端系统研发。计划在4年内基于SNAP2与GPU平台完成系统关键技术研发，实现5~8GHz宽带、8~12bit精度和百万通道谱分辨率的全覆盖超宽带数字后端系统研制。该项研究成果，不仅可以实际应用于目前和未来的重大射电天文工程(FAST与SKA项目)，还可以作为我国发展超宽带技术的前沿探索，并提供其他相关领域研发与国际竞争的经验。

1.在射电天文领域，近年来国内外都在开展超宽带技术研究，该技术不仅可以提高望远镜灵敏度，提高探测暗弱信号能力，还可以实现多个传统频带上的同时观测，极大提高观测效率。在我们参与的SKA-WBSPF国际工作包中, 已经完成1.6~5.2GHz四脊宽带馈源，并正开展下一阶段1.6~9.6GHz超宽带馈源研制，也尚未有与之匹配的宽带数字后端。与此同时，超宽带接收机的实现，也可以有效解决FAST自运行以来虽已满负荷运转但仍无法满足国内外海量观测申请间的巨大矛盾。基于此背景和需求，结合工业界与国内外最新数字后端技术的发展，本项目开展了基于最新半导体技术的超宽带数字终端系统研发。.2.在项目执行期内，我们高质量完成了任务书批复的基于SNAP2与GPU平台的超宽带数字终端系统，完成并交付了满足任务书中指标的超宽带FPGA频谱分析系统一套，完成了从设计、仿真到测试和望远镜实际观测的一整套研发和应用流程，实现了7.2GHz采样，12Bit量化精度，64K频点双通道，PFB+FFT数字滤波器组内核，双40Gbps-SFP+端口输出的频谱/功率谱数据流输出的实时频谱分析终端，同时完成了基于GPU平台的二次频谱分析运算，完成了高达1M点FFT运算的百万通道高分辨率频谱分析运算系统，实现了从无到有的自主研发设计与交付。.3.项目的关键技术和创新点有：双3.6GHz采样的相移交织巴伦电路设计与实现：外部独立时钟源与多通道同步信号模块设计与实现；64K点FFT+PFB的FPGA内核设计与实现；双40Gbps SFP+的输出模块设计与实现；基于CUDA-GPU的百万通道FFT算法设计与实现等。.4.该系统在FAST重点实验室开展了系统仿真与测试并获得了测试数据，整体达到指标要求和稳定性输出，之后装配了国家天文台4米口径望远镜和DVAC望远镜开展了初步天文观测，已获得稳定的中性氢和脉冲星观测输出。后续将计划按需装配FAST望远镜实现超宽带终端升级；在科学产出方面，通过项目的实施共发表论文2篇，软著9份，专著1份，设计与测试报告若干等，同时项目成果也积极开展了国内外交流合作，让自主研发的超宽带终端设备得到国内外同行的认可。。

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