新疆天文台南山站DBBC2数字终端系统的建立*

杨文军，杨 军，江 悟，夏 博，李 健， 崔 朗，张 华，李 鹏，高志福

(1. 中国科学院国家天文台新疆天文台，新疆 乌鲁木齐 830011；2. 查尔姆斯理工大学Onsala天文台，瑞典 43992； 3. 中国科学院射电天文重点实验室，江苏 南京 210008；4. 中国科学院上海天文台，上海 200030)

射电观测由于信号频率高、频带宽，一般要经过下变频为中频，再分为若干一定带宽的通道。VLBI网把完成这一数据采集过程的设备叫做基带转换器[1-2]。南山站目前拥有两套上海天文台生产的数字基带转换器(Chinese Data Acquisition System, CDAS)[3]和一套美国生产的模拟基带转换器。其中数字基带转换器主要用于国内联测和东亚联测，模拟基带转换器主要用于欧洲VLBI网(The European VLBI Network, EVN)和IVS(International VLBI Service for Geodesy & Astrometry)国际联测。2010年以后，国际许多台站的模拟终端逐步更新为数字终端。当前较为流行的是欧洲数字基带转换器，其中DBBC1系统主要是测试产品，未进行推广，而DBBC2系统已经广泛应用于欧洲VLBI网天文观测台站。近几年，DBBC3数字终端系统也已研制出来，它将应用于欧洲VLBI网天体物理宽带VLBI终端系统和测地VGOS(The VLBI2010 Global Observing System)超宽带VLBI系统中*http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2015/。目前DBBC3数字终端系统已在瑞典Onsala VLBI测站进行了测试并取得成功。南山站的模拟基带转换器建造于20世纪80年代末，使用至今已进行过多次升级和改造，由于设备使用过久，许多器件早已停产，使得设备维护比较困难，维护成本也相对较高。另外，随着电子技术的高速发展和天文观测需求的提高，南山站的模拟基带转换器已经远远不能满足未来的天文观测要求，为此南山站于2016年从意大利HAT-Lab s.r.l公司购进了一套DBBC2数字终端系统，该系统经过数月的检测和调试后，与国内和国际主要台站开展了VLBI联合观测并成功相关出干涉条纹。实践表明，DBBC2系统已完全能够取代模拟基带转换器并参加未来国际和国内的各项联合观测。

1 DBBC2系统基本原理和组成

DBBC2系统主要由模拟信号调节模块、AD采样器、数据处理模块CORE、连接伺服器、FILA10G模块、时序和时钟板以及PC机组件等构成。

中频信号IF送到模拟信号调节模块，经滤波整形和增益控制后送到AD采样器，变成数字信号后经高速输入模块(High Speed Input, HSI)到数据处理模块CORE，进行数字下变频(Digital Down Convert)，滤波变成数字基带信号，最后经高速输出模块(High Speed Output)和第2块FILA板的VSI接口输出。VSI接口可连接到Mark5B[1]数据记录设备或连接到FILA10G模块。 1 024 MHz频率综合器产生AD采样器所需的采样时钟。 PC机组件接收FS计算机发送的命令，经PCI总线控制DBBC2，原理如图1。

图1 DBBC2原理图
Fig.1 DBBC 2Schematic Diagram

2 DBBC2结构

DBBC2系统安装在483 mm宽，370 mm高，500 mm深的机箱内。在DBBC2前面板下边，蓝色指示灯表示主电源开关有效，如图2。 在后面板上有多个连接器件和接口，其中在左下角有3个开关，1个大的，2个小的，大的作为普通主连接，2个较小的电源开关中，红色按钮开关用于电子设备供电，绿色按钮开关用于内部PC机系统供电。开机顺序从左到右依次打开，关机顺序正好相反，如图3。

DBBC2内部结构主要包括电子部分、PC部分、散热系统和电源系统4部分，如图4。

图2 DBBC2前面板图
Fig.2 Front panel picture of DBBC2

图3 DBBC2后面板图
Fig.3 Rear panel picture of DBBC2

图4 DBBC2内部机构
Fig.4 The internal structure of DBBC2

3 DBBC2主要性能指标

DBBC2主要性能指标*http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2011/如表1。

表1 DBBC2性能指标Table 1 Performance index of DBBC2

4 DBBC2软件和观测模式

DBBC2软件*http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2015/是在Windows XP环境下运行。其中DBBC2控制软件在c:DBBCin目录下，使用手册在c:DBBCdoc目录下，配置文本文件在c:DBBC_CONF目录下，固件在c:DBBC_CONFFilesDBBC目录下。主要软件有DBBC2 Control DDC V105_1.exe和DBBC2 Control DDC V105E_1.exe等。观测模式主要包括DDC和PFB模式。其中DDC是可调谐的，通道带宽范围在1～16 MHz，上下边带，持续的80 Hz同步校准。观测模式有geo, astro, astro2, W-astro,VLBA和test。DDC模式中还包括DDC-E，它的带宽可以达到32 MHz，可以用于astro3观测模式。PFB模式是固定调谐，通道带宽为32/64 MHz，都是上边带或下边带，主要取决于奈奎斯特分布。

5 系统建立和调试

5.1 硬件连接及自检

(1)在DBBC2后面板上连接10 MHz信号，幅度为0 dBm左右，连接1PPS信号，将DBBC2输出的VSI电缆线连接至Mark5B，接通220 V电源，将DBBC2接入VLBI终端系统的内网并配置IP地址。开机顺序是先开DBBC2后面板左下的总电源，然后依次打开工控机电源和PC电源。

(2)在DBBC2的Windows桌面上运行DDC软件，此时系统对硬件进行配置，DBBC2内的4片FPGA将编程并载入本振频率，编程完成后，所有板卡上的LED灯都显示同样的图案。观察DBBC2前面板上的4列灯依次闪烁，最后以每秒1次的频率同步闪烁，DBBC2系统加电正常，软件工作正常。

(3)根据手册说明编辑配置文件，为ADB选择不同的中频输入，通过AGC进行信号幅度的调整。在Windows XP桌面运行DBBC client v4.exe程序，弹出客户端窗口，在 “Enter Command：” 提示符下按照DBBC2手册说明输入相关指令检测DBBC中频功率幅度、带宽、中频衰减等状态。

(4)Mark5B需要同步DBBC2经VSI电缆线传来的1PPS信号，在Mark5B上运行tstDIM程序*http://ivs.nict.go.jp/mirror/meetings/tow2007/notebook.html ⑤https://deki.mpifr-bonn.mpg.de/GMVA/GMVA_HOWTO/DBBC2_calibration，参考Mark5B手册在提示符下执行时间同步指令。

5.2 时钟校准

由信号发生器产生一个764 MHz的信号，幅度为-15 dBm左右。该信号经过一个一分四的功分器输出至DBBC2的后面板IFA1，IFB1，IFC1，IFD1，此时DBBC2内部中频滤波输出所选取的都为2号滤波器(512～1 024 MHz)。时钟校准的具体步骤参考脚注⑤。

5.3 FS相关设置

(1) 修改FS计算机中/usr2/control/目录下的 “dbbad.ctl” 文件，将DBBC2的IP写入文件，端口号为4000。

(2) clock钟差采集

观测中需要格式器时钟与全球定位系统时钟比对值，修改FS计算机的/usr2/control目录下的 ibad.ctl文件，定义C2的端口地址号为3，格式为C2=dev03, 0。在FS的operator窗口上运行clock，验证读取钟差是否正常。

(3) 点噪声控制

它主要用来控制接收机噪声源[4]的开和关，进而测试系统温度。在天线测量[5]时需要进行点噪声控制。在FS计算机的/usr2/st/stqkr/目录下的stqkr.c文件中设置控制点噪声的串口端口，格式为：pcaltty_numb=“/dev/ttyr03”。重新编译后，在FS的operator窗口上运行cal=on和cal=off指令，验证通讯是否正常。

(4)equip.ctl文件修改

将文件中的机架类型选择为dbbc，版本选择为v105_1，Mark5B时钟速率选择为32，FiLa10G输入选择为vsi1。

5.4 互相关测试

2017年1月12日，南山站与昆明站和上海天马站联合进行了S/X波段的条纹测试实验，成功获得干涉条纹。2月23日和25日，南山站与欧洲VLBI网各台站进行了L波段的条纹测试实验，也成功获得干涉条纹。3月21日南山站和天马站都参加了欧洲VLBI网的gr039观测，南山站同时使用了DBBC2和ABBC设备进行记录。实验结束后，取了相同时间段的数据和上海天马站进行互相关，处理结果如图5，其中图5(a)为DBBC2的测试结果，图5(b)为ABBC的测试结果，可以看出DBBC2结果明显好于ABBC。4月3日南山站又和天马站进行了K波段条纹检测实验并获得较好的测试结果如图6。通过国内和国际联合测试结果表明，南山站的DBBC2系统已成功建立。

图5 DBBC2和ABBC处理结果对照图Fig.5 Comparison diagram of DBBC2 and ABBC processing results

图6 天马-南山互相关图
Fig.6 Cross-correlation diagram between TIANMA and NANSHAN

5.5 升级中遇到的问题

(1) DBBC2后面板没有设计VSI连接端口，因此对连接在DBBC2内部的VSI电缆线还需要做一些相应的固定。

(2)收到设备时，机箱内的FILAIN，ADB1/2，CORE和FILAOUT电路板之接的连接插头和插座都处于断开状态。在把所有连接板接口连好并检查无误后，加电运行，发现软件无法加载，通过设备指示灯无法判断原因。经过分析和判断，软件无法加载的原因是在各电路板之间的插头和插座连接不够紧密造成的，对其进行紧固后，软件加载正常。

(3)在最初的几次测试中发现相关处理后的信号其信噪比较低，猜测是由于输入信号幅度过低造成的。增加了DBBC2输入端信号幅度后相关结果并未改善。通过反复分析和测试，发现应该降低DBBC2输入端的信号幅度，因为此时进入DBBC2内部的信号已经处于接近饱和的状态，这也是DBBC2和ABBC以及数字基带转换器在输入信号幅度上的区别。

6 DBBC2中频接线分配

当DBBC2的所有测试正常后，新建立的系统就可以参加正式的国际和国内联测了，但需要提供本台站接收机各波段信号在DBBC2上的中频连接示意图给制作纲要的相关人员，他们根据台站提供的接线图制定该台站的观测模式以及BBC的具体分配情况等等。 图7为南山站DBBC2中频接线图。

图7 南山站DBBC2连接图
Fig.7 DBBC2 Connection diagram at Nanshan Station

7 结 论

随着超大规模集成电路和软件无线电技术的发展，世界上开发的宽带数字记录终端——数字基带转换器已逐步取代了模拟记录终端。与模拟设备相比，数字基带转换器性价比高、带通特性好、稳定性和可靠性指标均优于模拟设备[6]。对南山站引进的DBBC2系统进行了全面的测试后，证明其各项技术指标均达到预期要求。通过对系统与国内外主要台站的联合测试结果进行分析，证明其性能优于原有的模拟基带转换器。在实际操作方面，该系统相比于模拟基带转换器也更加便捷。此次南山站DBBC2系统的成功建立，标志着全球VLBI的模拟基带转换器时代已彻底终结。可以预见，在未来的VLBI联测中，南山站的DBBC2系统将发挥更大的作用。

致谢：感谢云南天文台昆明站和上海天文台天马站在南山DBBC2条纹测试中给予观测支持；感谢上海天文台工程师赵融冰和蒋甬斌以及新疆天文台工程师李光辉在软件控制方面给予帮助；感谢新疆天文台工程师陈勇、刘烽和李笑飞在设备硬件测试过程中给予帮助。

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Wu Yajun, Liu Qinghui, Li Juan, et al. Spectral line observation and data calibration of Tianma 65m radio telescope[J]. Astronomical Research & Technology, 2017, 14(1): 1-7.

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Hong Xiaoyu, Cao Ning. VLBI Digital Base Band Convert[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2011, 26(5): 593-596.