Diseño e implementación de un espectrómetro basado en FPGA, de ancho de banda seleccionable para aplicaciones astronómicas

Abstract

El auge que ha presentado en los últimos años la Astronomía observacional en Chile, producto de las inigualables condiciones ambientales del desierto de Atacama, ha generado la necesidad de desarrollar tecnologías afines con este gran desafío. Este trabajo propone soluciones en el área de procesamiento digital de señales haciendo uso de procesadores de alta velocidad. En concreto, se diseña e implementa un espectrómetro de ancho de banda seleccionable para aplicaciones en espectrometría de alta resolución como lo es el estudio de estructuras moleculares híper finas. Además se diseña un bloque de control de datos, útil entre otras cosas para mejorar las mediciones de rechazo de banda lateral. El uso de procesadores FPGA (Field Programmable Gate Array) permite implementar espectrómetros digitales. Estos diseños son aplicables en procesadores cada vez más veloces. Existen arquitecturas prediseñadas para estos propósitos como por ejemplo la plataforma ROACH (Reconfigurale Open Architecture Computing Hardware) creada por CASPER (Collaboration for Astronomy Signal Processing and Electronic Research) y que se utiliza en este trabajo de título. Utilizando diseños en ambiente MATLAB Simulink se crea un ejecutable que da instrucciones al FPGA. Así, estos diseños son controlados y comandados por códigos en lenguaje Python, los que realizan un post procesamiento de los datos para su posterior análisis. Los diseños creados para mejorar el rechazo de banda lateral demuestran ser efectivos limitando la contaminación de banda adyacente a menos de -50dB. El bloque de control asegura el buen funcionamiento del sistema, incluso en presencia de alto ruido de fase. Por otro lado al realizar acercamiento a una porción del ancho de banda se logra una mejor resolución espectral logrando distinguir variaciones de energía en rangos pequeños de frecuencia. A futuro, todos los diseños creados en este trabajo pueden implementarse a mayor velocidad, utilizando procesadores más avanzados. Es posible enriquecer el zoom, reduciendo el ancho de banda desde dos hasta ocho veces, y utilizar mezcladores digitales para seleccionar una zona arbitraria del espectro.