太阳射电800～975 MHz波段高动态范围模拟接收机的研制

董亮，何乐生，施硕彪

(1.中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011；2.云南大学－云南天文台信息技术联合实验室，云南 昆明 650001；3.云南大学信息学院，云南 昆明 650001)

太阳射电800～975 MHz波段高动态范围模拟接收机的研制

董亮1，2，3，何乐生2，3，施硕彪1

(1.中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011；2.云南大学－云南天文台信息技术联合实验室，云南 昆明 650001；3.云南大学信息学院，云南 昆明 650001)

介绍了云南天文台10 m太阳射电望远镜800～975 MHz模拟接收机的研制。接收系统采用射频－中频两级放大＋远程控制步进衰减器模式，能方便地通过远程界面控制射频或中频链路的增益倍数，使得整个接收机动态范围在－35 dB－＋25 dB。这样的设计防止在该频段强RFI信号造成的接收机饱和，并且获得了大动态范围，能够满足强射电爆发的要求，弥补了10 m射电望远镜的缺省频段。

分米波太阳射电观测；高动态范围；增益步进可调

CN53－1189/P ISSN1672－7673

太阳爆发事件是太阳系中最剧烈、最活跃的能量释放过程，其中高能粒子和宇宙射线有可能对地球周围的空间环境和磁场带来剧烈扰动，直接影响卫星、通信、电力以及人体健康等，对人类的生产生活带来不利的影响。低频太阳活动反映了太阳活动等离子体抛射物在日地空间传播过程中重要的物理特性。利用云南天文台目前的观测频段能覆盖1.0～2.0太阳半径的太阳射电频谱形态，能够对日地空间内的等离子扰动进行很好的探测。

云南天文台目前拥有10 m和11 m两架太阳射电望远镜，其射电观测覆盖频段从70 MHz的米波频段一直到1.5 GHz分米波频段，是国内低频太阳观测的唯一台站，同时也是全球“日不落”太阳观测的重要成员。其中位于云南天文台凤凰山本部的10 m太阳射电望远镜工作于625 MHz～1.5 GHz (目前欠缺800～975 MHz)频段，位于澄江抚仙湖的11 m太阳射电望远镜工作于70 MHz～700 MHz[1]。

但是10 m射电望远镜在建设之初由于电子设备动态范围的原因，无法对800～975 MHz内的G网干扰进行抑制，很容易造成接收机饱和。为此该望远镜在建设之初未设置该频段的接收机。然而800～975 MHz频段对应重要的离子加速区，反映了日面磁场变化情况和等离子体的速度－密度变化关系，是不可或缺的观测频段。

随着电子技术的发展，大动态范围的步进衰减器已经面市，并且随着计算机远控技术的发展，能很方便地通过软件远程控制接收机的增益，这样就可以实现对干扰信号的抑制，同时如果干扰信号减小不足以饱和接收机时，又可以减少衰减量，增加整个系统的灵敏度。

为此云南天文台射电天文研究组与云南大学信息学院联合研制了800～975 MHz频段高动态范围接收机(代号:XK247)，弥补了云南天文台在该频段上观测的空缺。

本文介绍本接收机的研发过程、性能参数以及初步的观测结果。

1 方案选择

1.1 无线电环境测试

“工欲善其事，必先利其器”，云南天文台射电天文研究组首先对目前800～975 MHz频段进行了无线电环境测量，使得接收机的设计有根据。从图1可见800～887.5 MHz频段内无线电干扰较强，887.5 MHz频段内无线电干扰较少。

1.2 现有接收机接收及两种方案

目前云南天文台10 m太阳射电望远镜射频部分的状态如图2。

图2 云南天文台10 m射电望远镜原有接收机拓扑图Fig.2 The block diagram showing the topological structure of the old analog receiver on the 10meter radio telescope of the Yunnan Observatory

从无线电环境测试来看，有必要将整个接收机分为两个中频输出，这样可以减轻后端数字接收机的压力，即使800～887.5 MHz频段干扰过强时，也不至于影响887.5～975 MHz频段观测。

开始考虑在A处或者B处加入增补频段接收机，在A处补充接收机，虽然会使得原接收机整体响应下降3 dB，但是原各个通道之间的增益平衡基本相同。在B处补充接收机，虽然不影响其余通道的增益性能，但是引起了第1通道与其余通道的增益值不同，不利于定标。所以综合考虑新增加的通道为XK247型U段太阳接收机，接入方法见图3。

图3 新老接收机的连接关系Fig.3 The connection between the old and new receivers

XK247型太阳接收机工作频率为800 MHz～975 MHz，将其分两段:800 MHz～887.5 MHz和887.5 MHz～975 MHz，分别进行下变频处理。

根据后端数字信号采集处理板的需求，XK247型太阳接收机主要技术指标如下:

(1)输入频率:800～975 MHz(功分器为625～1 500 MHz)；(2)输出两路，中频为10～97.5 MHz；(3)增益:≥35 dB；(4)增益控制范围:≥60 dB，步进1 dB；(5)噪声系数:≤12 dB；(6)本振稳定度:2 ppm；(7)电源电压:AC220V；(8)控制接口:RS232。

2 接收机工作原理及测试结果

输入信号为800～975 MHz宽带射频信号，经过2次功分，第1个功分器输出1路经放大和衰减后输出给原来的接收机。另一路在经过一个功分器，输出两路，分别给800～887.5 MHz下变频通道和887.5～975 MHz下变频通道，如图4。

原接收机射频输入为625～1 500 MHz，采用功分器功放两路，有3.5 dB损耗，在经过一级放大器，10 dB增益，在加衰减器调整增益，使输出的信号电平和输入基本相同[2－3]。

两个下变频通道的构造完全相同，下面就以一个通道说明。

输入信号首先经过一个滤波器，通带频率为800～887.5 MHz(887.5～975 MHz)，滤波特性见图5。

图4 接收机链路结构图Fig.4 The complete pipeline structure of the new receiver

图5 (a)800～887.5 MHz滤波器特性图；(b)887.5～975 MHz滤波器特性图Fig.5 (a)The frequency response of the bandpass filter of 800MHz－887.5MHz；(b)The frequency response of the bandpass filter of 887.5MHz－975MHz

在第1混频器前面包括射频放大器、射频数控衰减器、滤波器，射频数控衰减器是调整系统射频增益，根据现场调整到无失真情况以后一般不需要再调整。数控衰减器通过增益调整软件经接收机后面的串口通过协议进行调整。

混频器采用高本振频率，因此输出中频和输入频率倒相，即输出中频频率低端(10 MHz)对应射频频率的高端即887.5 MHz(975 MHz)；输出中频的高端(97.5 MHz)对应射频频率的低端800 MHz (887.5 MHz)。两段中频与射频的对应关系如表1，接收机内部各模拟器件的增益情况如表2。

混频器输出中频后包括中频滤波器、中频放大器、中频数控衰减器等，中频数控衰减器用于调整系统中频增益。

表1 频率关系表Table 1 A list of IF frequencies corresponding to RF frequencies in the system

表2 系统各级增益表Table 2 The gain of each section of the system

一般情况下调整中频数控衰减器即可，除非输入信号很强，否则一般不需要调整射频数控衰减器。图6是做好的实物图。

图6 接收机整体照片Fig.6 A picture of the entire receiver

3 远程控制软件说明

远程控制软件基于安装在控制计算机的接收机增益控制软件，通过RS232串口对接收机射频可控衰减器和中频可控衰减器进行控制，命令格式如表3。

3.1 通信方式

上下机通信均采用8051系统的串口形式。采用串型方式1的通信方式，RS232电平(＋3.3V)，波特率为9.6 kbps。10位移位收发，1位起始位，8位数据位，1位停止位。

表3 系统控制命令集Table 3 A list of the system control commands

3.2 通信协议

通信指令叙述为每条指令8个字节。

LC:信息长度，从SAD字节开始至VS字节结束的字节数，共5(DATA1＋DATA2＋SAD＋CMD＋VS)字节。

SAD—从机地址范围DEH，DFH。主机发送信息帧时SAD为目的从机的设备地址。当从机应答信息帧时SAD为本机的设备地址。

CMD:命令字节；命令字01H－03H。主机发送命令，从机的应答信息帧的命令字与接收到主机的信息帧的命令字一致。

DATA1，DATA2—通信数据。

VS—校验位，是LC、SAD、CMD、DATA1与DATA2的逐字节累加和，1字节(高字节舍去，保留低字节)。

命令说明:

STX:固定为F8H；LC:固定为05

SAD:为地址:DE—800～887.5 MHz频段；DF—887.5～975 MHz频段

CMD:为命令字，01为射频衰减器控制；02为中频衰减器控制；03为内部衰减器查询

DATA1:数据1；DATA2:数据2；VS:校验位；ETX:帧尾

3.3 命令说明

01命令:射频衰减器控制:

i.DATA1－表示正负号，0－为负；1－为正。

ii.DATA2－表示数值，即根据DATA1的正负在原来数据上进行计算并控制。

02命令:中频衰减器控制:

i.DATA1－表示正负号，0－为负；1－为正。

ii.DATA2－示数值，即根据DATA1的正负在原来数据上进行计算并控制。

03命令:i.DATA1－表示查询衰减值时射频衰减器的值。

ii.DATA2－表示查询衰减值时中频衰减器的值。

控制界面如图7。

图7 软件控制界面Fig.7 The control interface

4 初步观测

2013年1月射电天文研究组联合云南大学信息学院终端设计小组将模拟接收机＋后端信号处理系统进行了联调，得到正确的信号观测图(图8)。

图8 软件观测界面Fig.8 The observation interface

5 总结与展望

为800～975 MHz波段设计的新观测系统包括模拟接收机部分和数字信号处理系统，是太阳射电观测重要的补充波段，弥补了我国在这一观测频段领域的长期空白。同时也是射电天文在强无线电干扰频段进行观测的一次大胆尝试，通过初步观测证明系统在实现大动态范围的情况下，没有出现饱和失真的情况并且能正常工作，这可以为目前饱受无线电干扰影响的射电天文观测提供有益的思路。

[1] 施硕彪，董亮，高冠男，等.米波太阳射电频谱仪的科学目标和技术方案[J].天文研究与技术——国家天文台台刊，2011，8(3):229－235.

Shi Shuobiao，Dong Liang，Gao Guannan，et al.Scientific objectives and technical design of a meter-wave spectrometer for solar radio observation[J].The Astronomical Research and Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2011，8(3):229－235.

[2] Ludwig R，Bretchko P.射频电路设计—理论与应用[M].王子宇，张肇仪，徐承和，等译.北京:电子工业出版社，2002.

[3] 陈艳华，李朝晖，夏玮.ADS应用详解:射频电路设计与仿真[M].北京:人民邮电出版社，2008.

Design of a High Dynamic Range Analog Receiver for Solar Radio Observation in 800MHz－975MHz

Dong Liang1，2，3，He Lesheng2，3，Shi Shuobiao1
(1.Yunnan Observatories，Chinese Academy of Sciences，Kunming 650011，China，Email:dongliang＠ynao.ac.cn；2.Joint Laboratory of Information Technologies of Yunnan University and Yunnan Observatories，Kunming 650001，China；3.College of Information Science and Technology，Yunnan University，Kunming 650001，China)

In this paper we introduce the design of a high dynamic range analog receiver for solar radio observation in 800MHz－975MHz.The receiver is installed on the 10 meter solar radio telescope of the Yunnan Observatory.In the receiver system we adopt the RF-IF(Radio Frequency-Intermediate Frequency)two-stage amplification and step attenuators in a remote control mode.This allows us to easily control the gains of RF parts and IF parts of the system and to retrieve real-time gain values.The dynamic range of this receiver is from－30dB to＋25dB.Because of its high dynamic range the receiver system not only avoids any overflow inducted by strong Radio Frequency Interferences(including communication signals)，but also meets the conditions for observation of strong solar radio bursts，whose signals are usually thousands of times stronger than quiet-time signals.

Solar decimeter-wave radio observation in decimetric wave band；High dynamic range；Gain step control

P162.11

A

1672－7673(2014)02－0111－07

2013－05－02；

2013－05－20

董 亮，男，工程师.研究方向:射电天文技术.Email:dongliang＠ynao.ac.cn