Diseño e implementación de un espectrómetro de alta resolución basado en FPGA para análisis de señales radioastronómico

Abstract

Un espectrómetro de alta resolución se usa en radioastronomía para observar espectros de nubes moleculares de dinámica compleja con un amplio rango de velocidades. Dicho instrumento corresponde a un tipo de Back End, el cual es el último componente electrónico de la cadena en un radiotelescopio y está encargado de procesar la señal proveniente de las fuentes astronómicas para obtener la información deseada. El estado del arte en esta materia consiste en utilizar técnicas digitales para procesar los datos, debido a la estabilidad de las mediciones y buen rendimiento que estas permiten. En este trabajo se presenta el diseño e implementación de un espectrómetro digital de transformada de Fourier rápida (FFT), de alta resolución espectral, utilizando una plataforma ROACH 2, la cual está basada en un chip FPGA (Field Programmable Gate Array) y está equipada con ADCs (Analog-to-digital coverters) de alta velocidad. Como metodología de diseño, se propone maximizar el uso de recursos del hardware para obtener el mayor número de canales espectrales posibles para un ancho de banda no menor a 1,5 GHz, manteniendo un alto rango dinámico. Para lograr el correcto funcionamiento del espectrómetro a altas velocidades se aplicaron técnicas de localización física de recursos (floorplanning) en el FPGA. Se presenta también una metodología de calibración de los ADCs, los cuales poseen cuatro núcleos que en conjunto muestrean a una tasa máxima de 5 GSps. El mejor desempeño se obtuvo con un espectrómetro de 1,8 GHz y 32768 canales, es decir con una resolución espectral de 54,9 kHz. Éste posee un rango dinámico libre de espurios (SFDR) superior a 42 dB en toda la banda con caídas a 39 dB en frecuencias puntuales. El aumento de resolución espectral se ve limitado principalmente por problemas de sincronización (timing) en el circuito y por la cantidad de memoria disponible. Como trabajo futuro se propone explorar distintas técnicas para optimizar el uso de recursos del FPGA y así aumentar aún más la resolución espectral del espectrómetro. Ejemplos de estas técnicas son modificaciones de diseño que permitan el uso eficiente de memorias y la reducción de operaciones matemáticas necesarias. También se presenta un cambio mayor en el diseño del espectrómetro, el cual implementa una forma distinta para calcular la FFT y permitiría reducir enormemente el número de memorias utilizadas por esta, logrando llegar a 1 millón de canales espectrales.