洪曉瑜 曹 凝

（中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái) 上海 200030） （中國(guó)科學(xué)院計(jì)劃財(cái)務(wù)局 北京 100864）

1 科學(xué)背景

甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量 （VLBI，Very Long Baseline Interferometry）技術(shù)是現(xiàn)代天文觀測(cè)中分辨率最高的觀測(cè)手段。目前中科院的VLBI干涉測(cè)量系統(tǒng)由4個(gè)VLBI觀測(cè)站（上海佘山站、烏魯木齊南山站、北京密云站、云南昆明站）和1個(gè)VLBI相關(guān)處理中心 （上海）構(gòu)成，是我國(guó)月球探測(cè)一期工程——繞月探測(cè)工程測(cè)控系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)繞月探測(cè)工程測(cè)軌任務(wù)。上海天文臺(tái)是VLBI網(wǎng)的負(fù)責(zé)單位，負(fù)責(zé)VLBI設(shè)備的研制和觀測(cè)運(yùn)行。

VLBI網(wǎng)的上海站和烏魯木齊站建于上世紀(jì)80—90年代，在國(guó)際VLBI聯(lián)測(cè)中發(fā)揮了重要作用，是國(guó)際VLBI組織——?dú)W洲VLBI網(wǎng)（EVN，European VLBI Network）、國(guó)際 天 體 測(cè) 量 VLBI 網(wǎng) （IVS，International VLBI Service for Geodesy and Astrometry）和亞太VLBI網(wǎng)的正式成員。北京密云站的50米口徑射電望遠(yuǎn)鏡和昆明站的40米口徑射電望遠(yuǎn)鏡則承擔(dān)著繞月探測(cè)工程的數(shù)據(jù)接收和VLBI測(cè)軌分系統(tǒng)的聯(lián)測(cè)任務(wù)。

每個(gè)VLBI臺(tái)站，除了天線系統(tǒng)、接收機(jī)系統(tǒng)、時(shí)頻系統(tǒng)以外，還有非常重要的VLBI記錄終端專用設(shè)備，其核心部件是基帶轉(zhuǎn)換器（BBC，Base Band Converter）。目前國(guó)際上常規(guī)使用的是模擬基帶轉(zhuǎn)換器（ABBC，Analog BBC），通過(guò)分立元件，從寬帶中頻信號(hào)中提取所需要的窄帶信號(hào)，并搬移到基頻。我國(guó)4個(gè)VLBI站的終端系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備都采用了ABBC方案，上海和烏魯木齊站各配備有16個(gè)ABBC，其中，北京站借用了上海站8個(gè)ABBC，其余8個(gè)上海站留用，昆明站借用了總參測(cè)繪局流動(dòng)VLBI站的8個(gè)ABBC。常規(guī)的國(guó)際VLBI聯(lián)測(cè)需要使用16個(gè)ABBC （標(biāo)準(zhǔn)配置），所以中科院VLBI網(wǎng)的記錄終端的配置還不完備，只能暫時(shí)滿足繞月探測(cè)工程需要。而且這些設(shè)備使用時(shí)間過(guò)久，一些元器件已經(jīng)停產(chǎn)，使得設(shè)備維護(hù)極為困難，維護(hù)成本很高。

隨著超大規(guī)模集成電路和軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，世界上正在發(fā)展寬帶數(shù)字記錄終端——數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器（DBBC，Digital BBC）以取代模擬記錄終端。與模擬設(shè)備相比，DBBC性價(jià)比高、帶通特性好、穩(wěn)定性和可靠性指標(biāo)均優(yōu)于模擬設(shè)備，但技術(shù)難度比較大。為更好地完善中科院VLBI網(wǎng)，執(zhí)行我國(guó)探月工程任務(wù)和國(guó)際天文研究的聯(lián)測(cè)任務(wù)，必須為新建VLBI站配備自己的終端系統(tǒng)。另外，由于ABBC系統(tǒng)差，難以校正，且存在帶通特性和DBBC不匹配等問(wèn)題，所以發(fā)展DBBC是必然趨勢(shì)。

為使我國(guó)VLBI網(wǎng)統(tǒng)一配備高性能的VLBI終端，在國(guó)家重大科研裝備研制專項(xiàng)支持下，上海天文臺(tái)于2007年6月啟動(dòng)開展了4套新的DBBC研制工作。設(shè)備研制成功后，將分別安裝在北京密云站、上海佘山站、烏魯木齊南山站和昆明站，不僅用于衛(wèi)星觀測(cè)，也應(yīng)用于天文觀測(cè)，有利于提升我國(guó)VLBI網(wǎng)在國(guó)際上的地位。

2 設(shè)備綜述

DBBC的研制瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿，發(fā)展GHz寬帶數(shù)字下變頻處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)1024Msps（Mega Sample Per Second）高速實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和DBBC的高增益、高相位穩(wěn)定、大動(dòng)態(tài)范圍的寬帶AGC技術(shù)。設(shè)備于2010年9月通過(guò)驗(yàn)收，現(xiàn)已成功應(yīng)用于天文觀測(cè)和深空衛(wèi)星的測(cè)定（探月二期工程中使用），成為國(guó)際上首先投入應(yīng)用的VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器。

DBBC主要由模擬單元、數(shù)字單元兩部分組成，對(duì)輸入的512MHz寬帶信號(hào)進(jìn)行處理，可以輸出8路基帶信號(hào)，并可以擴(kuò)展至16路基帶信號(hào)。

模擬單元有5MHz頻標(biāo)信號(hào)輸入和中頻信號(hào)輸入，其中5MHz頻標(biāo)由氫原子鐘產(chǎn)生，經(jīng)頻率綜合器后，采用鎖相技術(shù)生成1024MHz正弦信號(hào)，作為數(shù)字單元ADC（Analog-to-Digital Converter）的采樣時(shí)鐘。中頻信號(hào)經(jīng)中頻 AGC（Auto Gain Control）處理后，提供給數(shù)字單元，作為樣本信號(hào)，在中頻AGC單元內(nèi)，還整合了抗混疊濾波器。

1個(gè)模擬單元和1個(gè)數(shù)字單元共同構(gòu)成1路中頻處理單元，整個(gè)系統(tǒng)目前最多可同時(shí)對(duì)4路中頻信號(hào)進(jìn)行處理，每路中頻處理單元可產(chǎn)生多個(gè)不同的基帶信號(hào)數(shù)據(jù)流，由通道分配模塊選擇所需的基帶信號(hào)輸出，最多可輸出16個(gè)基帶信號(hào) （16個(gè)基帶信號(hào)×1bit），或 32位數(shù)據(jù)流（16個(gè)基帶信號(hào)×2bit）。

模擬單元和數(shù)字單元通過(guò)各自的控制模塊和計(jì)算機(jī)通信，計(jì)算機(jī)將設(shè)置的參數(shù)傳遞給相應(yīng)模塊，并監(jiān)視各模塊的狀態(tài)。

（1）模擬單元。模擬單元由中頻AGC、AGC控制器和頻率綜合器3個(gè)模塊組成。頻率綜合器模塊的輸入使用由氫原子鐘產(chǎn)生的5MHz頻標(biāo)，輸出高穩(wěn)定1024MHz正弦波信號(hào)，作為數(shù)字單元高速ADC的采樣時(shí)鐘。

中頻AGC模塊由中頻電路與控制電路組成，輸入信號(hào)為接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)，輸出信號(hào)可為頻率范圍10—512MHz的低中頻信號(hào)，也可是頻率范圍512—1024MHz的高中頻信號(hào)，信號(hào)功率為-34dBm@512 MHz帶寬。來(lái)自接收機(jī)的中頻信號(hào)首先進(jìn)入第一個(gè)微波開關(guān)，該結(jié)構(gòu)用于功率校準(zhǔn)，當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換至50Ω匹配負(fù)載時(shí)，可測(cè)量射頻AGC模塊在零電平信號(hào)輸入時(shí)的功率值。零電平功率值是計(jì)算VLBI系統(tǒng)溫度的一個(gè)參數(shù)。然后信號(hào)進(jìn)入第一個(gè)中頻放大器，該放大器主要作用是降低系統(tǒng)噪聲，因此采用低噪聲器放大器。經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)進(jìn)入到由兩個(gè)微波開關(guān)和兩個(gè)濾波器組成的選通結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要，對(duì)輸出進(jìn)行高中頻/低中頻的選擇。

已安裝的4套VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器

在中頻AGC模塊中設(shè)置了可變衰減器組，范圍0—60dB，步長(zhǎng)0.25dB，以適應(yīng)衛(wèi)星信號(hào)電平變動(dòng)大的特點(diǎn)，并滿足ADC采樣器輸入信號(hào)電平變化±0.5dB的要求。第二個(gè)中頻放大器的作用是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，并具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，避免強(qiáng)信號(hào)引起飽和。經(jīng)過(guò)選通和放大的中頻信號(hào)最后由功分器分為3路∶1路連接到面板的監(jiān)視端口；1路直接連接到數(shù)字單元的ADC；1路連接到射頻功率檢測(cè)器?？刂颇K對(duì)射頻功率檢測(cè)器進(jìn)行功率數(shù)據(jù)采集并與預(yù)先設(shè)定功率閾值進(jìn)行比較，通過(guò)控制可變衰減器組，最終形成自動(dòng)增益控制的環(huán)路。

（2）數(shù)字單元。數(shù)字單元由信號(hào)處理模塊和通道分配模塊以及接口電路組成，采用高速ADC和超大規(guī)模FPGA（Field Programmable Gate Array） 結(jié)合軟件無(wú)線電技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字混頻和數(shù)字濾波，實(shí)現(xiàn)由中頻到基帶的轉(zhuǎn)換，再送至通道分配模塊，按實(shí)際需要選擇所需的通道輸出。在輸出端還配有電平轉(zhuǎn)換電路，以適應(yīng)不同的接口電平標(biāo)準(zhǔn)。電平轉(zhuǎn)換接口提供了兩種接口形式，分別適用于MARK5A記錄終端和MARK5B記錄終端。

3 組織與管理

按照 《國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目管理辦法（試行）》要求，項(xiàng)目實(shí)行牽頭單位法定代表人責(zé)任制，建立了項(xiàng)目管理工作組，項(xiàng)目研制組。

項(xiàng)目管理工作組由上海天文臺(tái)的管理人員和技術(shù)專家組成。上海天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)任組長(zhǎng)，小組成員包括科技處處長(zhǎng)、質(zhì)量管理中心主任、財(cái)務(wù)處處長(zhǎng)和研究室主任。主要職責(zé)是協(xié)調(diào)相關(guān)單位的人員、設(shè)備、房屋、水電等資源條件為研制項(xiàng)目提供支撐；掌握項(xiàng)目進(jìn)展情況，及時(shí)幫助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人解決項(xiàng)目執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題；檢查和督促項(xiàng)目負(fù)責(zé)人履行職責(zé)；協(xié)助項(xiàng)目負(fù)責(zé)人對(duì)實(shí)施過(guò)程重要的技術(shù)細(xì)節(jié)進(jìn)行方案論證，對(duì)研制過(guò)程中遇到的技術(shù)問(wèn)題提出解決措施。

VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器模擬部分（上）和數(shù)字部分（下）

項(xiàng)目研制組是開展DBBC研制工作的科研團(tuán)隊(duì)，主要職責(zé)是按照DBBC項(xiàng)目的目標(biāo)、任務(wù)和內(nèi)容，負(fù)責(zé)實(shí)施DBBC的設(shè)計(jì)、加工、訂貨、安裝、調(diào)試、測(cè)試和驗(yàn)收工作，成員包括項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、總設(shè)計(jì)師、副總設(shè)計(jì)師、質(zhì)量管理工程師及各分系統(tǒng)的研制人員。其中，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人是項(xiàng)目的組織者、指揮者和協(xié)調(diào)者，是重大行政和技術(shù)問(wèn)題的決策者，質(zhì)量第一責(zé)任人，主要負(fù)責(zé)對(duì)研制項(xiàng)目進(jìn)行任務(wù)分解并制定相應(yīng)工作計(jì)劃，負(fù)責(zé)各分系統(tǒng)之間的組織協(xié)調(diào)，計(jì)劃進(jìn)度協(xié)調(diào)，經(jīng)費(fèi)管理及項(xiàng)目目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)督、檢查和驗(yàn)收，監(jiān)督各分系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程，保證按時(shí)、按既定要求實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)研制目標(biāo)?？傇O(shè)計(jì)師是設(shè)備研制過(guò)程的總體策劃者，是系統(tǒng)工程研制技術(shù)方面的組織者、指揮者，重大技術(shù)問(wèn)題的決策者，重大資源問(wèn)題的協(xié)調(diào)者。副總設(shè)計(jì)師主要負(fù)責(zé)與總設(shè)計(jì)師密切配合，主動(dòng)承擔(dān)并完成總設(shè)計(jì)師安排的技術(shù)工作。質(zhì)量管理工程師負(fù)責(zé)設(shè)備研制的全面質(zhì)量管理，包括材料、部件、設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試等內(nèi)容。各分系統(tǒng)研制人員主要是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)指標(biāo)，組織分系統(tǒng)和單元的研制工作，完成各研制階段任務(wù)，保證總體方案的實(shí)施。

4 應(yīng)用及發(fā)展展望

DBBC自2010年初在我國(guó)VLBI臺(tái)站安裝、運(yùn)行以來(lái)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠，已進(jìn)行了大量的天文觀測(cè)和空間目標(biāo)跟蹤觀測(cè)，取得了一批寶貴的觀測(cè)資料。在2010年10月的嫦娥二號(hào)奔月過(guò)程中，該設(shè)備作為嫦娥二號(hào)VLBI實(shí)時(shí)測(cè)軌任務(wù)中的主用設(shè)備，順利完成了觀測(cè)任務(wù)，并提高了觀測(cè)精度，成為國(guó)際上首先投入應(yīng)用的VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器。

VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)框架圖

我國(guó)的VLBI網(wǎng)自上世紀(jì)90年代建成后，其觀測(cè)結(jié)果就已廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)、航天器的導(dǎo)航定位等領(lǐng)域。DBBC的研制成功，使我國(guó)VLBI網(wǎng)的4個(gè)臺(tái)站具有完整的終端記錄系統(tǒng)，可以更好地參加我國(guó)探月工程任務(wù)與未來(lái)深空探測(cè)的測(cè)軌工作，同時(shí)可供國(guó)內(nèi)外天文學(xué)家開展天文觀測(cè)研究。DBBC是國(guó)際上VLBI新興技術(shù)，研制成功后不僅可以提高我國(guó)在該領(lǐng)域的國(guó)際地位，同時(shí)也將對(duì)國(guó)際天文設(shè)備研制做出貢獻(xiàn)。應(yīng)用到國(guó)際上其它VLBI站。

終端記錄系統(tǒng)升級(jí)更新后，我國(guó)的VLBI網(wǎng)將繼續(xù)對(duì)國(guó)內(nèi)外開放，自由申請(qǐng)使用時(shí)間。在中科院的重點(diǎn)射電天文實(shí)驗(yàn)室的框架上，成立中國(guó)VLBI網(wǎng)觀測(cè)時(shí)間分配委員會(huì)，討論安排我國(guó)VLBI網(wǎng)使用時(shí)間和觀測(cè)目標(biāo)。每年的觀測(cè)成果將向射電重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)告，其中上海和烏魯木齊兩個(gè)觀測(cè)站還是歐洲VLBI網(wǎng)和國(guó)際VLBI服務(wù)組織成員，他們的望遠(yuǎn)鏡使用時(shí)間和觀測(cè)目標(biāo)也是由全球天文學(xué)家自由申請(qǐng)，經(jīng)專門的評(píng)審委員會(huì)評(píng)選安排，其觀測(cè)成果實(shí)現(xiàn)國(guó)際共享，提供給國(guó)內(nèi)外天文學(xué)家開展天文觀測(cè)研究。觀測(cè)數(shù)據(jù)在觀測(cè)實(shí)施后1年內(nèi)歸申請(qǐng)者所有，1年后向全球天文學(xué)家開放。4臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)時(shí)間除設(shè)備維修時(shí)間外，全年對(duì)外開放。