基于GPU的高频率分辨率太阳射电动态频谱仪的设计与实现
发布时间：2021-10-17 00:53
太阳射电动态频谱观测具有重要的空间物理科学研究意义,有助于预测地球空间天气环境。太阳射电动态频谱仪是接收太阳射电爆发的重要工具,可以为射电基础研究提供数据积累,构建高频率分辨率的太阳射电动态频谱仪可以观测太阳射电爆发频率分辨的精细结构。但国内外高频率分辨率的太阳射电动态频谱仪很少,目前比较流行的基于FPGA的频谱仪大都注意时间分辨率的提高,而且这种频谱仪一经完成,频率分辨率比较难调整。GPU具有并行、高密度的计算能力,可以高效地利用大点数、多批次快速傅里叶变换来实现高频率分辨率,其低成本、易开发以及高性能的特点具有很大的优势,所以本文结合项目需求实现了基于GPU的高频率分辨率太阳射电动态频谱仪。通过大量的文献学习,并对观测站现有频谱仪的研究,以CPU+GPU架构方式设计实现了高频率分辨率太阳射电动态频谱仪。频谱仪系统主要由高速数据采集部分、高频率分辨率频谱实现部分和动态频谱显示部分构成。利用万兆光纤实现了频谱仪系统中两台主机的物理连接,网络地址映射实现了两台主机的虚拟连接,虚拟硬盘通过数据包缓存方式减少了传输时间。通过统一计算设备架构（Compute Unified Device Ar...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１明安图射电频谱仪近景图??综上，目前国内外针对１５０－５００?ＭＨｚ频段范围的高频率分辨率太阳射电??，
太阳射电动态频谱仪总体设计??２．１太阳射电动态频谱仪整体结构设计??如今数字式频谱仪应用广泛，可以进行数据实时处理分析，过程不复杂??并且频谱分析效率很高，可以将其应用到太阳射电频谱观测中。基于快速傅??里叶变换（ｆａｓｔ?Ｆｏｕｒｉｅｒ?ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，?ＦＦＴ）的数字式频谱仪主要是用高速Ａ／Ｄ采??集出待测信号后，送入处理器进行ＦＦＴ运算，把被测信号分解成为分立的频??率分量［１７】，从产生的复数数据中分析出相位信息与幅度信息，最后送入显示??器实现频谱显示，其原理框图如图２－１所示。??取样器?模／数转换器??（〇）?—＾／―?＾?染—＞＾?ａｄｃ?－??射频输入?衰减器?低通滤波器??？４??ＦＦＴ?４???显示器?澉处理器??图２－１基于ＦＦＴ的数字式频谱仪原理框图??由于ＦＦＴ取的是有限长度，运算点数有限，就需要髙速Ａ／Ｄ转换器和??髙速数字器件的配合来实现髙频率分辨率。随着半导体技术的快速发展，高??速Ａ／Ｄ转换器在性能方面有了很大提升，尤其是采样率和位数越来越高，不??少的高性能高速数据采集卡应用于微波通信、宽带雷达系统等领域。有高速??Ａ／Ｄ转换器的数字式频谱仪可以人为自主变换采样模式来控制采样，对于功??率幅度变化丰富的太阳射电信号观测很适用。??在确定方案基础上，本文依照ＦＦＴ数字式频谱仪设计了基于ＧＰＵ的太??阳射电动态频谱仪整体结构，采用ＣＰＵ＋ＧＰＵ架构方式，结构框图如图２－２??所示。该太阳射电动态频谱仪主要由高速数据采集部分、频谱分析部分、动??态频谱显示部分组成。高速数据采集部分由装有高速数据采集卡的主机Ａ负??责，将射电模拟信号转换成数字信号，将时域
毕竟工作在露天环境中，复杂的电磁环境会导??致频谱仪饱和而无法稳定正常工作，所以要在低噪放之前插入一个带通滤波??器以避免大信号进入。同时，为了减小该系统的噪声系数、提高频谱仪的灵??敏度，在模数转换器之前添加低噪放［２８］。??前置滤波放大处理高速数据采集部分频谱分析部分动态频谱显示部分??６米抛物面天线??（ｚ，?＾ＩＩ??ＢＰＦ?ＬＮＡ????Ｋ?＿?光纤???＼?＊?＜Ｍ）Ｃ?＝?ＧＰＵ＋ＣＰＵ?—＾一?显示器??ＢＰＦ?ＬＮＡ??主机Ａ?主机Ｂ??图２－２太阳射电动态频谱仪整体结构图??从图２－２可以看到，两台主机间用万兆光纤连接进行数据传输。初始设??计是将高速数据采集卡和显卡装在一台主机上用ＰＣＩｅ?２．０进行数据传输。但??相比之下，光纤的万兆传输速率明显快于ＰＣＩｅ２．０的２．５?ＧＢ／ｓ，可以大大提??高传输速率，更有利于系统数据处理的实时性。除此之外，光纤传输具有频??带宽、损耗低、抗干扰能力强、工作性能可靠等诸多优点。光纤的基本成分??是石英，不受电磁场的作用，对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。研??究太阳射电对电磁场环境要求较高，光纤正发挥了抗干扰能力强的优势。??内存的数据传输速度要比硬盘快得多，为了加快磁盘的数据交换速度，??本文将主机Ｂ内存的一部分虚拟出一个硬盘，用来缓存数据。该盘中始终存??在一缓冲数据包，当新的数据包开始传送时，系统开始处理上一个数据包，??这样可以实现传送与处理的重叠，较好地减少传输时间。处理完的时域数据??包在虚拟硬盘中自行删除，产生的频域数据包上传到磁盘阵列（Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ??Ａｒｒａｙｓ?ｏｆ?Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ?Ｄｉｓｋ
本文编号：3440810
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１－１明安图射电频谱仪近景图??综上，目前国内外针对１５０－５００?ＭＨｚ频段范围的高频率分辨率太阳射电??，
太阳射电动态频谱仪总体设计??２．１太阳射电动态频谱仪整体结构设计??如今数字式频谱仪应用广泛，可以进行数据实时处理分析，过程不复杂??并且频谱分析效率很高，可以将其应用到太阳射电频谱观测中。基于快速傅??里叶变换（ｆａｓｔ?Ｆｏｕｒｉｅｒ?ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，?ＦＦＴ）的数字式频谱仪主要是用高速Ａ／Ｄ采??集出待测信号后，送入处理器进行ＦＦＴ运算，把被测信号分解成为分立的频??率分量［１７】，从产生的复数数据中分析出相位信息与幅度信息，最后送入显示??器实现频谱显示，其原理框图如图２－１所示。??取样器?模／数转换器??（〇）?—＾／―?＾?染—＞＾?ａｄｃ?－??射频输入?衰减器?低通滤波器??？４??ＦＦＴ?４???显示器?澉处理器??图２－１基于ＦＦＴ的数字式频谱仪原理框图??由于ＦＦＴ取的是有限长度，运算点数有限，就需要髙速Ａ／Ｄ转换器和??髙速数字器件的配合来实现髙频率分辨率。随着半导体技术的快速发展，高??速Ａ／Ｄ转换器在性能方面有了很大提升，尤其是采样率和位数越来越高，不??少的高性能高速数据采集卡应用于微波通信、宽带雷达系统等领域。有高速??Ａ／Ｄ转换器的数字式频谱仪可以人为自主变换采样模式来控制采样，对于功??率幅度变化丰富的太阳射电信号观测很适用。??在确定方案基础上，本文依照ＦＦＴ数字式频谱仪设计了基于ＧＰＵ的太??阳射电动态频谱仪整体结构，采用ＣＰＵ＋ＧＰＵ架构方式，结构框图如图２－２??所示。该太阳射电动态频谱仪主要由高速数据采集部分、频谱分析部分、动??态频谱显示部分组成。高速数据采集部分由装有高速数据采集卡的主机Ａ负??责，将射电模拟信号转换成数字信号，将时域
毕竟工作在露天环境中，复杂的电磁环境会导??致频谱仪饱和而无法稳定正常工作，所以要在低噪放之前插入一个带通滤波??器以避免大信号进入。同时，为了减小该系统的噪声系数、提高频谱仪的灵??敏度，在模数转换器之前添加低噪放［２８］。??前置滤波放大处理高速数据采集部分频谱分析部分动态频谱显示部分??６米抛物面天线??（ｚ，?＾ＩＩ??ＢＰＦ?ＬＮＡ????Ｋ?＿?光纤???＼?＊?＜Ｍ）Ｃ?＝?ＧＰＵ＋ＣＰＵ?—＾一?显示器??ＢＰＦ?ＬＮＡ??主机Ａ?主机Ｂ??图２－２太阳射电动态频谱仪整体结构图??从图２－２可以看到，两台主机间用万兆光纤连接进行数据传输。初始设??计是将高速数据采集卡和显卡装在一台主机上用ＰＣＩｅ?２．０进行数据传输。但??相比之下，光纤的万兆传输速率明显快于ＰＣＩｅ２．０的２．５?ＧＢ／ｓ，可以大大提??高传输速率，更有利于系统数据处理的实时性。除此之外，光纤传输具有频??带宽、损耗低、抗干扰能力强、工作性能可靠等诸多优点。光纤的基本成分??是石英，不受电磁场的作用，对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。研??究太阳射电对电磁场环境要求较高，光纤正发挥了抗干扰能力强的优势。??内存的数据传输速度要比硬盘快得多，为了加快磁盘的数据交换速度，??本文将主机Ｂ内存的一部分虚拟出一个硬盘，用来缓存数据。该盘中始终存??在一缓冲数据包，当新的数据包开始传送时，系统开始处理上一个数据包，??这样可以实现传送与处理的重叠，较好地减少传输时间。处理完的时域数据??包在虚拟硬盘中自行删除，产生的频域数据包上传到磁盘阵列（Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ??Ａｒｒａｙｓ?ｏｆ?Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ?Ｄｉｓｋ
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