電波観測のデジタルバックエンドによる効率化

電波観測のデジタルバックエンドによる効率化
亀野誠二 (鹿児島大学)
•電波望遠鏡による観測のレビュー
•デジタルバックエンドによる効率化
•デジタル分光計
•帯域通過特性の平滑化
•デジタル電力計測
•ダイレクトサンプリング
電波望遠鏡による観測とは
電波望遠鏡による観測とは
•天体からの電波を受信：電場を計測
VERA 入来局
•受信信号を解析
•電力測定（連続波）
20-m antenna
•電波分光
•干渉計
電波望遠鏡の構成
•アンテナ
•給電部（フィードホーン）
•受信機
•バックエンド（分光器, 電力計）
Antenna
Feed Horn
Back end
LO
LNA
RF
MIX
IF
TX
RX
PM
Total Power
Spectrometer
Front end
九重セミナー 2011/8/11
Spectrum
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単一鏡観測と干渉計観測
Single dish
FOV = beam size
九重セミナー 2011/8/11
Interferometer
FOV = single-dish beam size
Resolution = λ/D
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第1章
序論
電波天文の「信号」とは
1.1
電波観測における分光計の役割
一般に分光とは受信電圧を周波数毎のパワー、すなわちスペクトルを測定することである。分光
計とはその分光を行う機器のことを指す。電波観測における分光計は、分子や原子のガス雲やメー
ザー天体などの電波源からのパワースペクトルを得るために使用される (図 1.1)。
•電場を情報として用いない
天体の電波
通信信号
•ランダム過程
•c.f. 電気通信
•定常確率過程：統計的な性質は安定
•強度分布を計測する
図 1.1: 分光計を通して受信電圧からパワースペクトルを測定する
以下に分光計に求められる機能について述べる。
分光機能
•天体の信号は微弱
1.1.1
分光機能は受信電圧からパワースペクトルを測定するという、分光計における中心の機能である。
パワースペクトルを測定すると、元の受信電圧にどの周波数がどの強度で含まれているかを知るこ
とができる。
分光機能の性能を表す指標に、帯域, 周波数分解能, 分光点数がある。帯域は、パワースペクトル
全体の周波数幅である。分光点数はパワースペクトルにおけるデータ数をいい、これが大きいほど
周波数のより細かい情報を得ることができる。
周波数分解能は周波数において 2 点を見分けることのできる最小の値をいう。単一周波数の波を
分光したとき、理想的な分光計ではパワースペクトルはデルタ関数 (インパルス) となるが、現実に
はそうはならず、分光計に固有の一定のパターンを示す。このパターンにおける半値幅 (FWHM:
Full Width Half Maximam) を周波数分解能と定義することが多い。
•Ta (信号) << Tsys (雑音)
•周囲は雑音だらけ (大気, 地面, etc.)
1
Cosmic Microwave Background
九重セミナー 2011/8/11
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雑音を差し引いて天体の「信号」を拾う
•受信電力の大半は雑音
•“off点” を差し引く必要
ON
Position-Switching
OFF
On-source
Off-source
連続波差引き
off点差引き
0.2
0.15
Maser
Cosmic Microwave Background
Flux Density [Jy]
Cosmic Microwave Background
Observation
Fit
km/s
km/s
km/s
km/s
km/s
km/s
1824.92
1797.32
1746.23
1690.64
1626.18
1586.05
Jet Continuum
0.1
0.05
0
1200
1300
1400
1500
1600
LSR Velocity [km/s]
九重セミナー 2011/8/11
1700
1800
1900
2000
1200
1300
1400
1500
1600
1700
LSR Velocity [km/s]
1800
1900
2000
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電波観測のコスト
ALMA 12mアンテナの場合
建設費
口径12m, 鏡面精度25μm, 7バンド
基礎・電源
1.5億
アンテナ
14億
Front end
3億
Back end
1.2億
アンテナ小計
50台
985 億
時間単価
建設費 + 保守費 (30 yr) + 運用経費 (30 yr)
150,000 hr (30年間運用時間）
∼ 320万円 / hr
製造コスト削減
が重要
観測の効率化
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電波観測のデジタル化
アナログ計測
アナログ計測
＋デジタル記録
デジタル信号処理
FEのデジタル化
第1章
1.1
序論
電波観測における分光計の役割
一般に分光とは受信電圧を周波数毎のパワー、すなわちスペクトルを測定することである。分光
計とはその分光を行う機器のことを指す。電波観測における分光計は、分子や原子のガス雲やメー
ザー天体などの電波源からのパワースペクトルを得るために使用される (図 1.1)。
図 1.1: 分光計を通して受信電圧からパワースペクトルを測定する
以下に分光計に求められる機能について述べる。
1.1.1 2011/8/11
分光機能
九重セミナー
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デジタルバックエンド
ADCで数値化→後はデジタル信号処理
Antenna
Feed Horn
Back end ← ここをデジタル化
LO
LNA
RF
MIX
IF
TX
RX
PM
Total Power
Spectrometer
Front end
Spectrum
•サンプリング周波数 GHz
•量子化 2 bit (4階調)
cf. CD : 44.1 kHz, 16-bit
デジタル化の利点
•ソフトウェア処理でOK
•特性が安定
•安い
汎用計算機でOK
•勝手に性能向上
ムーアの法則
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デジタルバックエンド…分光計
専用デジタル機器による分光処理
汎用機で分光OK!
→コストダウン
計算機
NAOCO (1993) NRFD (1997) DSA (2002)
VESPA (2007)
HP Proliant DL Generation 3
QuadCore Intel Xeon X5536
2.66GHz 2 (120GFLOPS)
∼￥1500万
512 ch/16 MHz
256 Mbps入力
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4GB Memory
Cent OS 5.2
∼￥400万
約60万円＋PC-VSIボード120万円
2007年11月時点
MHz
1024
ch/32 MHz
∼￥1000万
2048 ch/32
512 Mbps入力
1024 Mbps入力
現在は本体のみで約50万円
∼￥60万
8192 ch/128 MHz
1024 Mbps入力
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帯域通過特性の平滑化による
分光観測の効率化
間
時
H
1(
N(
→
分
積
ν)
+N
(ν
ν)
)の
A
減
低
の
SD
0.002
On - Off 20-min
Spline-Smoothed Bandpass, baseline subtracted
総観測時間 1200秒
総観測時間 400秒
-0.001
0.000
Ta / Tsys
0.001
0.001
1
-0.002
-0.001
平
after
-0.002
化
滑
の
D
S
A
Ta / Tsys
H
→
)
(ν
before
0.002
ν)
D
0.000
H 0(
S
A
の
＊同一観測時間で
r.m.s.を40%削減
＊ 同じSN比に要する
総観測時間を1/3に削減
0
5
10
Frequency [MHz]
15
0
5
10
Frequency [MHz]
15
電波望遠鏡によるスペクトル線観測
•受信電力の大半は雑音
天体のアンテナ温度
•“off点” を差し引く必要
ON
Position-Switching
受信電力の分散
2
P
OFF
=
2
on
+
2
off
ton + toff
ton toff
問題点
•off点の分散が雑音として加わる
•off点時間 = on点時間→望遠鏡時間が2倍以上
On-source
Off-source
off点差引き
0.2
0.15
Microwave
Background
Cosmic Cosmic
Microwave
Background
Flux Density [Jy]
Cosmic
Microwave
Background
Cosmic
Microwave
Background
Cosmic
Microwave
Background
Maser
Observation
Fit
km/s
km/s
km/s
km/s
km/s
km/s
1824.92
1797.32
1746.23
1690.64
1626.18
1586.05
Jet Continuum
0.1
Jet Continuum
Jet Continuum
0.05
0
1200
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1300
1400
1500
1600
1700
LSR Velocity [km/s]
1800
1900
2000
1200
1200
1200
1300
1300
1300
1400
1400
1400
1500
1500 16001500
1600 17001600
1700 18001700
1800 19001800
1900 20001900
2000
LSR Velocity [km/s]
LSR Velocity
[km/s]
LSR Velocity
[km/s]
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off点時間削減方法
VERA入来局@22 GHz + VESPA分光計
•帯域通過特性 : H0(ν)
永続的・既知
•H0(ν) のゆらぎ : H1(ν)
時間変化成分
周波数方向に滑らか
•雑音 N1(ν)
正規化したパワー
off点スペクトルの要素
H(ν) = H0(ν) + H1(ν) + N(ν)
16 MHz / 1024 ch分光
正規分布
周波数ごとに独立
周波数 [分光ch]
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帯域通過特性の平滑化
帯域通過特性 : H0(ν)
H(ν) = H0(ν) + H1(ν) + N(ν)
H0(ν)
永続的・既知
H1(ν) + N(ν)
☜予め計測
☜観測時に計測
☜平滑化
平滑化の最適周波数幅（窓）を
アラン分散 (ASD) 解析で調べる
平滑化により雑音を低減する
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平滑化の最適パラメーターを求める
Step 1. 最適な周波数平滑化窓を求める
アラン分散 : 「ゆらぎ」の指標
谷
分散の
る
アラン
小にす
最
を
r.m.s.
ト
= 残差
ーセッ
メータ
パラ
コントア+グレースケール：アラン分散
ASDが底を打つ周波数幅
周波数平滑化 : 42ch
(時間間隔 360 sec)
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平滑化の最適化パラメーターを求める
Step 2. Off点スペクトルを平滑化→BPを得る
向
方
間
時
む
含
音
雑
熱
時間方向平滑化窓 : 360 sec
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D
AS
周
波
数
ス
平
ペ
滑
ク
化
ト
し
ル
た
の
AS
D
帯域通過特性の
安定度が底打ち
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平滑化の最適化パラメーターを求める
Step 3. スキャンパターンを設定
従来のOn-Off
総観測時間 1200秒
Off点平滑化したBP
総観測時間 400秒
(30-sec ON + 30-sec Off) x 20 scans
120秒
ON
120秒
ON
120秒
ON
(120-sec ON + 10-sec Off) x 3 scans + 10-sec Off
(360-sec ON + 30-sec Off) x 3 scans + 30-sec Off
Off点平滑化したBP
総観測時間 1200秒
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360秒 ON
360秒 ON
360秒 ON
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平滑化の効果
従来のOn/Offスキャン
Off点平滑化
Spline-Smoothed Bandpass, baseline subtracted
0.002
0.002
5
10
15
-0.001
-0.002
0
Frequency [MHz]
従来のOn-Off
Total 1200 sec
Off点平滑化
Total 400 sec
Off点平滑化
Total 1200 sec
5
10
Frequency [MHz]
Baseline補正前
(Ta / Tsys) のr.m.s.
Baseline補正後
(Ta / Tsys) のr.m.s.
4.7 x 10-4
4.7 x 10-4
4.8 x 10-4
4.5 x 10-4
3.9 x 10-4
2.8 x 10-4
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0.000
Ta / Tsys
-0.001
-0.002
-0.002
0
総観測時間 1200秒
0.001
総観測時間 400秒
0.000
Ta / Tsys
0.000
-0.001
Ta / Tsys
Spline-Smoothed Bandpass, baseline subtracted
0.001
総観測時間 1200秒
0.001
0.002
On - Off 20-min
15
0
5
10
15
Frequency [MHz]
•1/3の時間で同等のr.m.s
•同じ時間でr.m.s.を40%減少
望遠鏡の時間単価を
1/3にする効果
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電力計測のデジタル化
＊アナログパワーメーターを代替
＊新たな機器不要…コスト0
＊リアルタイムにシステム雑音計測
＊連続波源のパワー計測
従来のアナログ電力計測
パワーメーターによる電力の測定
入力電圧 Vin
出力電圧 Vout
ダイオード
インピーダンス Z
Vout
問題点
•インピーダンスの不安定性
（温度特性）
•高精度なパワーメーターは高
価（∼100万円）
•定期的に機器校正が必要
Vin
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2-bit ADCによるパワーの計測
•電圧は正規分布
•ビット分布からσを計測
code = 11
code = 10
code = 01
code = 00
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アナログパワーメーターを代替
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アナログとデジタルの比較
13 dBに渡って 誤差 < 1% で線型性を保持
bias=0
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bias=0.13 V0
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デジタル電力計測
電波銀河3C 84のフラックス密度計測
•山口32m電波望遠鏡@8 GHz
•2 bit量子化デジタル信号の統計
•ON/OFF 1分サイクル
293 Kの
標準雑音源
ぶ厚い雲
天頂通過でお休み
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ダイレクトサンプリングによる
周波数変換の省略
＊局部発振器・周波数変換器をカット
＊広帯域化への道
before
22GHz
LNA
LNA
帯域
8GHz
after
～
～
×
×
D/C
BBC
×
×
～
～
ADC
LNA
ADC
ADC
LNA
ADC
帯域
512MHz
帯域
8GHz
帯域8GHz
３２Gbps
Frequency Conversion (周波数変換)
Antenna
高周波より低周波が扱いやすい → 周波数を下げる
Feed Horn
LO
LNA
RF
MIX
IF
TX
Hi
en
u
q
e
r
F
gher
c
ut
o
d
e
r
e
RX
PM
→ Filt
y
Total P
Spectrometer
IF 周波数 = RF と LOの周波数差
IF周波数帯を固定する→
USB と LSB が混ざって出力される
フィルターで分離
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ダイレクトサンプリングシステム
22GHz
LNA
ADC
LNA
ADC
帯域
8GHz
帯域8GHz
３２Gbps
サンプリング信号の高調波を周波数変換に用いる
サンプリング周波数
0
νs
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サンプリング信号の高調波
Nνs
Nνs +B
周波数ν
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高速ADCによるデジタルフロントエンド
GSI
X-band
&
@
Ref # TK0710B
32m VLBI
@
Square Kilometer Array Industry of Japan
10
RF
ADX-831
8192MHz SG
Clock
DIVIDER UNIT
資料提供：（株）東陽テクニカ
九重セミナー 2011/8/11
X-band
Ref # TK0710B
@
@
Square Kilometer Array Industry of Japan
8
26/29
高速ADCによるデジタルフロントエンド
GSI
X-band
&
@
Ref # TK0710B
Square Kilometer Array Industry of Japan
32m VLBI
@
RF
ADX-831
10
8192MHz SG
Clock
DIVIDER UNIT
X-band
Ref # TK0710B
@
@
Square Kilometer Array Industry of Japan
8
資料提供：（株）東陽テクニカ
九重セミナー 2011/8/11
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RF direct sampling : fringe tests
Ref # TK0710B
九重セミナー 2011/8/11
Square Kilometer Array Industry of Japan
2
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まとめ
•デジタル分光計
→ 汎用計算機でコスパ向上
•帯域通過特性の平滑化
→ 平滑化によりコスパ3倍
•デジタル電力計測
→ パワーメーター不要,
リアルタイム較正
•ダイレクトサンプリング
→ 周波数変換不要
電波天文の大量生産・コモディティ化
九重セミナー 2011/8/11
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