2. 中国科学院天体结构与演化重点实验室, 云南昆明 650011;
3. 中国科学院上海天文台, 上海 200030;
4. National Radio Astronomy Observatory, USA
2. Key Laboratory for Structure and Evolution of Celestial Objects, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China;
3. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China
射电脉冲星是快速旋转的中子星，具有极强的磁场。对射电脉冲星的研究是现代天文学的重要内容之一。以射电脉冲星作为工具，可开展高精度计时和授时、天体动力学和天体测量、强场下的引力物理、太阳系外行星、星系和星际介质、超致密物质以及极端环境下的等离子物理等方面的研究[1, 2]。随着对射电脉冲星研究的深入，尤其近年来利用毫秒脉冲星进行引力波探测研究、脉冲星导航等课题的兴起，对脉冲星观测设备提出了更高的要求，如更宽的观测带宽等。这些课题使高精度的脉冲星到达时间等研究成为首要问题，因而对脉冲星的消色散技术提出了更高的技术要求[3, 4]。目前国内和国际上正在或即将建设的以观测脉冲星为科研目标之一的射电望远镜或阵列有大天区面积多目标光纤光谱望远镜(The Five hundred meter Aperture Spherical Telescope,FAST)、新疆天文台110m、LOFAR(Low-Frequency Array for radio astronomy)和平方千米阵列(Square Kilometre Array,SKA)①②，这些新建的射电望远镜对脉冲星观测设备技术指标提出了新的要求，如输入带宽、观测模式、采样比特、消色散方式和数据处理能力等。目前国际上新一代脉冲星观测设备采用高速模数转换器实现宽带数据采集，在现场可编程门阵列硬件平台上利用多相滤波器实现基带转换，采用万兆网技术实现海量数据的传输，利用中央处理器集群或图形处理器集群实现海量数据的实时处理。如美国的格林班克脉冲星观测设备(Green Bank Ultimate Pulsar Processing Instrument,GUPPI)，可实时处理800MHz带宽、8比特量化(即1600MB/s)数据[5, 6]。欧洲正在联合开发的天文应用通用高性能计算平台UniBoard，研制新一代基带数字式宽带观测相干消色散脉冲星接收机，上海天文台于2014年从美国国家射电天文台引进的脉冲星观测终端数字后端(Digital Backend System,DIBAS)，用于脉冲星和谱线观测。该设备可以实现脉冲星的相干和非相干消色散两类观测模式。澳大利亚帕克斯(Parkes)已经开展超宽带接收机(Ultra-Wideband receiver,UWB)超宽带数字脉冲星接收机的研制工作。我国目前使用的脉冲星观测终端是国家天文台和新疆天文台分别从澳大利亚引进的两套不同硬件配置的脉冲星数字滤波器组(Pulsar Digital Filter Bank,PDFB)观测系统，仅可以实现非相干消色散的脉冲星观测模式。
脉冲星接收机基本数据流处理过程为：中频信号经模数转换器转换为数字中频信号后，由在现场可编程门阵列上实现的多相滤波器完成数字基带信号的采集，对基带的脉冲星信号根据需要采用相干消色散或非相干消色散方式处理。我国科研工作者也在为宽带数字化脉冲星观测终端的研制工作做相关技术储备。例如：新疆天文台南山25m射电望远镜利用VLBI终端构建MK5A的脉冲星观测系统[7]；云南天文台40m射电望远镜利用VLBI终端构建的DBBC+Mark5B、Mark5B+GPU脉冲星观测系统[8, 9, 10]；上海天文台在DBBC硬件平台上开发的非相干消色散模块[11, 12]。
借鉴上述的工作成果，结合国际上宽带数字化脉冲星观测系统的发展趋势，本文构建以ROACH2为基带数据采集终端和脉冲星数字信号处理(Digital Pulsar Signal Processing,DPSP)程序包为数据处理核心的相干消色散观测系统。该观测系统由基带数据采集、传输和处理3部分组成。数据采集为：利用可重构的开放式硬件平台(Reconfigurable Open Architecture Computing Hardware,ROACH2)实现基带数字信号的采集和分通道处理，输入带宽512MHz、128通道输出(每个通道4M带宽)、8比特采样和双极化输入(1024MHz)。海量数据传输方式：数据流通过ROACH2的SFP+万兆网口输出到配有SFP+网口的服务器，编写SFP+网卡采集程序实现数据的记录。数据处理方式：编写脚本文件调用脉冲星数字信号处理程序包实现数据的解码、相干消色散、偏振计算和折叠等处理。折叠采用tempo2预报文件的方式，数据处理结果以PSRFITS格式存储。
1 数字脉冲星接收机现状脉冲星辐射的电磁波在传播过程中，由于受到星际介质的干扰，不同频率的电磁波经过星际介质后产生的延迟不同，会引起观测的脉冲星轮廓展宽，所以脉冲星观测需要进行消色散处理。消色散分为两种方式，一种是相干消色散，即通过傅里叶变换至频域，频域内消色散，傅里叶逆变换再按周期折叠；另一种是非相干消色散，即通过选择一个时间/相位起点作为基准点，将子通道(带宽)内的时延计算出来，并对齐到同一相位，最后按周期折叠。相干消色散可完全消除带内色散，得到真实脉冲轮廓，但是数据量偏大，处理周期较长，带宽受到限制。在非相干消色散中，脉冲星信号的相位信息丢失；在相干消色散中，脉冲星信号的相位信息得到保存。
基于数字电路的非相干消色散接收机典型代表为澳大利亚开发的脉冲星数字滤波器组。在该系统中，中频信号经由模数转换器转换得到数字中频信号后，所有后续处理全部以数字化方式进行，包括基带转换、周期折叠等。我国目前引进两台性能不同的脉冲星数字滤波器组，可以实现非相干消色散、搜寻、谱线观测模式，分别在昆明40m射电望远镜和南山25m射电望远镜用于脉冲星观测，其缺点是仅实现非相干消色散观测模式，中频输入带宽较窄。
相干消色散算法需要进行大量的浮点计算，所以相干消色散算法比非相干消色散算法需要更强大的数据处理服务器或集群。随着高性能计算机和图形处理器运算加速卡的发展，使宽带数字化相干消色散脉冲星接收机成为可能。目前，新一代宽带数字脉冲星接收机均可以实现非相干消色散和相干消色散两种不同的观测模式。
2 基带数字式相干消色散观测系统和数据处理流程云南天文台40m射电望远镜现配备有S和X波段馈源，S频段(本振2000MHz)为常温接收机，X波段(本振8100MHz)为制冷接收机。由于脉冲星射电流量在低频信号较强，所以选用S波段左右旋圆极化信号进行脉冲星观测。本文构建的相干消色散观测系统的方框图如图 1。
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| 图 1 脉冲星观测系统框图 Fig. 1 A block diagram of the pulsar observation system |
图 1的系统框图由基带数据采集、数据传输和数据处理3部分组成。在现场可编程门阵列数字接收机开发平台ROACH2上实现输入带宽512MHz、128通道、8bit采样和双极化输入(1024MHz)基带数据采集。根据上述数据采集方式，数据率为16Gbps，通过4路SFP+万兆网口输出到后端服务器，每路SFP+的输出数据流为4Gbps；数据记录程序在配有SFP+万兆网口的AMAX工作站PSC-6S实现；数据处理是编写的脚本文件调用脉冲星数字信号处理程序包的相关模块，实现数据的解码、消色散、分通道、偏振计算和折叠以及PSRFITS格式输出等。
2.1 基于ROACH2的基带数据采集终端ROACH2是一套专门用于射电天文信号处理的现场可编程门阵列开发平台，该平台由美国伯克利大学的天文信号与电子学研究中心研发设计。该平台提供FFT、DSP、多相滤波器设计等信号应用库，配有基于PowerPC处理器的嵌入式操作系统，并且为用户提供交互式控制接口。目前该平台已经应用在天线阵列相关、宽带光谱和脉冲星观测处理等领域。ROACH2的硬件性能指标为：2路模数转换器模块EV8AQ160 (最高采样速率为5Gbps)、2路千兆网、 8路SFP+万兆网接口和用于程序调试的JTAG接口、串口和IIC接口。
基带数据采集终端的核心算法是多相滤波器的设计及其在现场可编程门阵列中的实现，多相滤波器的目的是实现多通道信号的基带转换。在ROACH2上实现了512MHz输入带宽、128通道、8比特采样的多相滤波器设计。数据采集终端的数据输出速率为16Gbps，根据后端数据传输和记录需求，通过4路SFP+万兆网口输出，每路SFP+的数据率为4Gbps。4路SFP+万兆网口对应的IF信号分别为1MHz~128MHz、129MHz~256MHz、257MHz~384MHz和385MHz~512MHz，每路SFP+输出32通道。ROACH2的数据输出格式的变化可以根据后端数据处理程序的需要修改现场可编程门阵列代码实现。
2.2 脉冲星观测方式脉冲星的观测步骤：首先通过频谱仪检查左右旋IF信号情况，然后将左右旋中频信号连接ROACH2的两路模数转换器输入，如图 1；配置ROACH2基带信号转换采集终端和查看编写的服务器数据记录程序是否正常工作；启动天线控制计算机，对准待观测的脉冲星；最后启动ROACH2数字基带转换采集终端和数据记录程序。脉冲星的观测模式为：输入带宽 512MHz、128通道、8bit采样和双极化输入；SFP+万兆网口的数据传输采用网络UDP协议，利用AMAX工作站PSC-6S实现4Gbps数据流的记录。根据昆明40m射电望远镜的S波段干扰情况，观测中仅记录第2路SFP+万兆网口数据输出，即129MHz~256MHz频段。
2.3 脉冲星的相干消色散和周期折叠算法为了去除脉冲星信号在传播过程中受星际介质色散效应的影响，在数据处理中采用相干消色散算法。算法的基本原理是将基带脉冲星数字信号进行快速傅里叶变换，然后将频域上各频点的信号乘以星际介质函数Chirp即频率响应函数，最终逆傅里叶变换到时域，从而实现将不同频率成分的脉冲星信号对齐到某一频点。
由于大多数脉冲星的流量较弱，不可能看到每一颗脉冲星的单脉冲，考虑到后期即时数据处理的信噪比需求，通过周期折叠的方式提高系统灵敏度，周期叠加后得到的轮廓称为平均脉冲。其步骤为：首先利用脉冲星数据处理常用软件tempo2生成该脉冲星在观测当天的周期预报文件polyco；根据脉冲星的观测模式，计算该时序数据采样率Tsamp和创建nbins=1024或512的一维数组用于存储将要折叠的脉冲星数据，消色散后的采样点根据Tsamp和polyco文件计算出该采样点在nbins折叠的位置。如：第j个采样点的相位是j/pfold，pfold为脉冲星周期。数据处理结果存储为PSRFITS格式，可以利用psrchive、tempo2等脉冲星处理软件进行计时等后期处理工作。
2.4 脉冲星数字信号处理程序包简介后端数据处理通过编写脚本文件调用脉冲星数字信号处理程序包中的相关功能，脉冲星数字信号处理是一个开源、面向对象编程、POSIX架构的专门用于射电脉冲星数字信号处理的C++程序包[13]。脉冲星数字信号处理可实现多种算法：如相干消色散、滤波器组、双极化数据处理等。单脉冲搜寻利用tempo多项式预报对脉冲星周期折叠，数据输出格式为PSRFITS。支持18种数据格式，如FITS、S2、CPSR、CPSR2、PuMa、PuMa2、WAPP、ASP、Mark5等。脉冲星数字信号处理程序包的安装需要依赖PSRCHIVE的库文件。目前DSPSR也在进一步的发展和完善中，逐步扩展其灵活性和可移植性。
随着计算机的图形处理器在数字信号处理中的应用，美国的国家射电天文台利用图形处理器集群强大的运算能力，实现了格林班克脉冲星观测设备终端的实时相干消色散功能，证实了CPU+GPU异构集群在实时相干消色散中的处理能力[5]；DSPSR也在逐步扩展其在图形处理器方面的数据处理能力。
2.5 后端数据处理步骤首先按照2.1节所描述的方式对目标脉冲星进行观测，获得观测数据，然后对数据进行处理。根据对射电脉冲星数字信号处理程序包的源码分析和解读，在ROACH2上实现了一种dummy的数据格式。通过分析程序，获知DSPSR对dummy数据格式处理的要求，首先编写一个脉冲星观测信息的脚本文件，包括射电源名称、频率设置、极化数、通道数、带宽、采样比特数、台站信息、数据大小等参数。利用dspsr -list -t 8 -D 68 -A -L 5 -c 0.08936637341318309178 0835-4510.dat命令对数据进行解码、消色散、分通道、偏振计算、折叠以及PSRFITS输出。通过修改DSPSR命令参数调整中央处理器的线程数，进而提高运算速度和运算效率。根据AMAX工作站PSC-6S配置的Intel E5-2650(2.0GHz主频、 8核心、 16线程)，在数据处理时，启动8线程、速率4Gbps的1s数据的处理时间大概需要5s。根据上述测试结果，海量数据的实时处理是宽带数字相干消色散脉冲星接收机的难点。目前，已经在图形处理器上实现了相干消色散算法设计和测试[10]，但其程序结构、算法框架和运算效率仍需要进一步调整和优化。
3 脉冲星数据处理和结果分析为了验证以ROACH2为基带数据采集终端和DSPSR程序包为数据处理核心的相干消色散观测系统的可行性，利用该系统对J0332+5434和J0835-4510进行试观测，通过编写脚本文件实现2.5节的数据处理，启动8线程实现对数据的事后处理。文中处理的J0332+5434和J0835-4510的数据的观测信息为双极化、中心频率2219MHz、带宽128MHz、32通道和8比特采样。数据处理结果如图 2和图 3。图中直接反映出观测信息和数据的质量，可以利用 Tempo2和PSRCHIVE对数据进行计时、模式变换等研究工作。
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| 图 2 J0835-4510的轮廓图(双极化、中心频率2219MHz、带宽128MHz、32通道) Fig. 2 The pulse profile of the PSR J0835-4510 observed in the dual-polarization mode,with the central frequency at 2219MHz and a bandwidth of 128MHz in 32 channels |
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| 图 3 J0835-4510在频域的柱状图 Fig. 3 The histogram of the observed profile of the PSR J0835-4510 in the frequency domain |
从图 2可以清晰地看到J0835-4510脉冲星的轮廓图(双极化、中心频率2219MHz、带宽128MHz、32通道的观测模式)。根据40m射电望远镜的IF信号的实际情况，在129MHz~200MHz频段存在严重干扰，所以图 2是去掉干扰后的J0835-4510的平均轮廓图，剩余的干净观测带宽为56MHz。从图 3中的频域图可以明显地看到不同的通道经过相干消色散后，消除了星际介质的影响以及去掉的干扰数据。相干消色散算法相比于非相干消色散，可以提高计时精度、观测精度和灵敏度等。
同样根据40m射电望远镜的IF信号实际情况和观测设置，图 4是去掉129MHz~200MHz干扰后J0332+5434的平均轮廓图，图 5是J0332+5434的折叠脉冲轮廓图和时间域的柱状图。在平均轮廓图中可以清晰地看到J0332+5434脉冲星的双峰结构，在频域图也可以隐约看到该结构。J0332+5434和J0835-4510的信噪比分别为29.886和75.212，可以满足脉冲星计时对信噪比的要求。
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| 图 4 J0332+5434的轮廓图(双极化、中心频率2219MHz、带宽128MHz、32通道) Fig. 4 The pulse profile of the PSR J0332+5434 observed in the dual-polarization mode,with the central frequency at 2219MHz and a bandwidth of 128MHz in 32 channels |
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| 图 5 J0332+5434的折叠脉冲轮廓图和时间域的柱状图 Fig. 5 The histogram of the observed profile of the PSR J0332+5434 in the frequency domain |
为了验证文中的设备所观测的数据质量，检索European Pulsar Network的资料，对J0332+5434在S波段的平均轮廓图进行比较，如图 6。
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| 图 6 40m射电望远镜和Effelberg的射电望远镜的J0835-4510轮廓图 Fig. 6 The pulse profiles of the PSR J0332+5434 observed with the YNAO 40m radio telescope and the Effelberg 100m radio telescope |
图 6中左图和右图分别是在40m射电望远镜和Effelberg 100m射电望远镜在S波段观测的J0332+5434平均轮廓图，从图中可以获知40m射电望远镜观测得到的平均轮廓图和Effelberg 100m观测的平均轮廓是一致的，特别是其明显的双峰结构，因此也可以利用该观测系统开展模式变换方面的研究工作。
4 结论和展望本文提出的ROACH2+DSPSR相干消色散脉冲星观测系统相比于云南天文台之前利用VLBI观测终端构建的观测系统有下述优点。数据采集方面：输入带宽512MHz、128通道(每个通道4M带宽)基带数据、8比特量化、双模数转换器输入(共1024MHz)和数据输出格式的灵活性。数据处理方面：采用SFP+万兆网口传输数据和编写脚本文件调用DSPSR程序包实现对数据的处理。色散的消除采用相干消色散算法，平均轮廓的折叠采用了tempo2预报文件，即脉冲星信号到达40m射电望远镜的多项式文件，可以获得更精确的脉冲星轮廓。运算速率方面：在Intel E5-2650(2.0GHz主频、 8核心)中央处理器下，启动8线程、4Gbps/s的处理时间大概需要5s。数据输出格式为PSRFITS。对J0332+5434和J0835-4510两颗脉冲星的观测结果验证该系统的可行性。通过比较J0332+5434在40m射电望远镜和Effelberg 100m射电望远镜观测得到的S波段的轮廓图，验证了文中构建的观测终端在40m射电望镜下的脉冲星观测能力。
本文对当今国际上宽带相干消色散接收机的研制中面临的问题，进行了一定的探索。如：多相滤波器组设计、海量数据传输和快速处理。在今后的工作中将解决在宽带相干消色散接收机的海量数据实时处理难题。目前已经开展OpenMP多核并行和图形处理器加速的相关研究工作，对实时宽带相干消色散的接收机做技术储备。文中构建的以ROACH2为数据采集终端和DSPSR为处理核心的脉冲星观测系统，和原先以VLBI观测终端为基础构建的观测系统相比在观测模式、数据处理方法、运算效率和观测数据的通用性方面具有优越性。
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