太陽射電動態(tài)頻譜觀測具有重要的空間物理科學研究意義,有助于預測地球空間天氣環(huán)境。太陽射電動態(tài)頻譜儀是接收太陽射電爆發(fā)的重要工具,可以為射電基礎研究提供數(shù)據(jù)積累,構(gòu)建高頻率分辨率的太陽射電動態(tài)頻譜儀可以觀測太陽射電爆發(fā)頻率分辨的精細結(jié)構(gòu)。但國內(nèi)外高頻率分辨率的太陽射電動態(tài)頻譜儀很少,目前比較流行的基于FPGA的頻譜儀大都注意時間分辨率的提高,而且這種頻譜儀一經(jīng)完成,頻率分辨率比較難調(diào)整。GPU具有并行、高密度的計算能力,可以高效地利用大點數(shù)、多批次快速傅里葉變換來實現(xiàn)高頻率分辨率,其低成本、易開發(fā)以及高性能的特點具有很大的優(yōu)勢,所以本文結(jié)合項目需求實現(xiàn)了基于GPU的高頻率分辨率太陽射電動態(tài)頻譜儀。通過大量的文獻學習,并對觀測站現(xiàn)有頻譜儀的研究,以CPU+GPU架構(gòu)方式設計實現(xiàn)了高頻率分辨率太陽射電動態(tài)頻譜儀。頻譜儀系統(tǒng)主要由高速數(shù)據(jù)采集部分、高頻率分辨率頻譜實現(xiàn)部分和動態(tài)頻譜顯示部分構(gòu)成。利用萬兆光纖實現(xiàn)了頻譜儀系統(tǒng)中兩臺主機的物理連接,網(wǎng)絡地址映射實現(xiàn)了兩臺主機的虛擬連接,虛擬硬盤通過數(shù)據(jù)包緩存方式減少了傳輸時間。通過統(tǒng)一計算設備架構(gòu)（Compute Unified Device Ar... 

【文章來源】：山東大學山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

圖１－１明安圖射電頻譜儀近景圖??綜上，目前國內(nèi)外針對１５０－５００?ＭＨｚ頻段范圍的高頻率分辨率太陽射電??，

太陽射電動態(tài)頻譜儀總體設計??２．１太陽射電動態(tài)頻譜儀整體結(jié)構(gòu)設計??如今數(shù)字式頻譜儀應用廣泛，可以進行數(shù)據(jù)實時處理分析，過程不復雜??并且頻譜分析效率很高，可以將其應用到太陽射電頻譜觀測中。基于快速傅??里葉變換（ｆａｓｔ?Ｆｏｕｒｉｅｒ?ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，?ＦＦＴ）的數(shù)字式頻譜儀主要是用高速Ａ／Ｄ采??集出待測信號后，送入處理器進行ＦＦＴ運算，把被測信號分解成為分立的頻??率分量［１７】，從產(chǎn)生的復數(shù)數(shù)據(jù)中分析出相位信息與幅度信息，最后送入顯示??器實現(xiàn)頻譜顯示，其原理框圖如圖２－１所示。??取樣器?模／數(shù)轉(zhuǎn)換器??（〇）?—＾／―?＾?染—＞＾?ａｄｃ?－??射頻輸入?衰減器?低通濾波器??？４??ＦＦＴ?４???顯示器?澉處理器??圖２－１基于ＦＦＴ的數(shù)字式頻譜儀原理框圖??由于ＦＦＴ取的是有限長度，運算點數(shù)有限，就需要髙速Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器和??髙速數(shù)字器件的配合來實現(xiàn)髙頻率分辨率。隨著半導體技術的快速發(fā)展，高??速Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器在性能方面有了很大提升，尤其是采樣率和位數(shù)越來越高，不??少的高性能高速數(shù)據(jù)采集卡應用于微波通信、寬帶雷達系統(tǒng)等領域。有高速??Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器的數(shù)字式頻譜儀可以人為自主變換采樣模式來控制采樣，對于功??率幅度變化豐富的太陽射電信號觀測很適用。??在確定方案基礎上，本文依照ＦＦＴ數(shù)字式頻譜儀設計了基于ＧＰＵ的太??陽射電動態(tài)頻譜儀整體結(jié)構(gòu)，采用ＣＰＵ＋ＧＰＵ架構(gòu)方式，結(jié)構(gòu)框圖如圖２－２??所示。該太陽射電動態(tài)頻譜儀主要由高速數(shù)據(jù)采集部分、頻譜分析部分、動??態(tài)頻譜顯示部分組成。高速數(shù)據(jù)采集部分由裝有高速數(shù)據(jù)采集卡的主機Ａ負??責，將射電模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，將時域

畢竟工作在露天環(huán)境中，復雜的電磁環(huán)境會導??致頻譜儀飽和而無法穩(wěn)定正常工作，所以要在低噪放之前插入一個帶通濾波??器以避免大信號進入。同時，為了減小該系統(tǒng)的噪聲系數(shù)、提高頻譜儀的靈??敏度，在模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前添加低噪放［２８］。??前置濾波放大處理高速數(shù)據(jù)采集部分頻譜分析部分動態(tài)頻譜顯示部分??６米拋物面天線??（ｚ，?＾ＩＩ??ＢＰＦ?ＬＮＡ????Ｋ?＿?光纖???＼?＊?＜Ｍ）Ｃ?＝?ＧＰＵ＋ＣＰＵ?—＾一?顯示器??ＢＰＦ?ＬＮＡ??主機Ａ?主機Ｂ??圖２－２太陽射電動態(tài)頻譜儀整體結(jié)構(gòu)圖??從圖２－２可以看到，兩臺主機間用萬兆光纖連接進行數(shù)據(jù)傳輸。初始設??計是將高速數(shù)據(jù)采集卡和顯卡裝在一臺主機上用ＰＣＩｅ?２．０進行數(shù)據(jù)傳輸。但??相比之下，光纖的萬兆傳輸速率明顯快于ＰＣＩｅ２．０的２．５?ＧＢ／ｓ，可以大大提??高傳輸速率，更有利于系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的實時性。除此之外，光纖傳輸具有頻??帶寬、損耗低、抗干擾能力強、工作性能可靠等諸多優(yōu)點。光纖的基本成分??是石英，不受電磁場的作用，對電磁干擾、工業(yè)干擾有很強的抵御能力。研??究太陽射電對電磁場環(huán)境要求較高，光纖正發(fā)揮了抗干擾能力強的優(yōu)勢。??內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸速度要比硬盤快得多，為了加快磁盤的數(shù)據(jù)交換速度，??本文將主機Ｂ內(nèi)存的一部分虛擬出一個硬盤，用來緩存數(shù)據(jù)。該盤中始終存??在一緩沖數(shù)據(jù)包，當新的數(shù)據(jù)包開始傳送時，系統(tǒng)開始處理上一個數(shù)據(jù)包，??這樣可以實現(xiàn)傳送與處理的重疊，較好地減少傳輸時間。處理完的時域數(shù)據(jù)??包在虛擬硬盤中自行刪除，產(chǎn)生的頻域數(shù)據(jù)包上傳到磁盤陣列（Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ??Ａｒｒａｙｓ?ｏｆ?Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ?Ｄｉｓｋ


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