[論文レビュー] The wideband backend at the MDSCC in Robledo. A new facility for radio astronomy at Q- and K- bands

J. R. Rizzo, A. Pedreira+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2012

Radio Astronomy Observations and Technology参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、スペイン・ロブレドのMDSCCにおける広帯域バックエンドシステムの新規導入を報告しており、Qバンド（38–50 GHz）およびKバンド（18–26 GHz）で高帯域幅・高分解能分光法を可能にする。このシステムは、1.5 GHzの即時の帯域幅と212 kHzのスペクトル分解能を有する高速フーリエ変換分光計（FFTS）を採用しており、同時に複数ライン観測やスペクトル調査が可能となる。将来的なアップグレードでは3 GHz帯域幅および双偏波動作が計画されている。

ABSTRACT

The antennas of NASA's Madrid Deep Space Communications Complex (MDSCC) in Robledo de Chavela are available as single-dish radio astronomical facilities during a significant percentage of their operational time. Current instrumentation includes two antennas of 70 and 34 m in diameter, equipped with dual-polarization receivers in K (18 - 26 GHz) and Q (38 - 50 GHz) bands, respectively. We have developed and built a new wideband backend for the Robledo antennas, with the objectives (1) to optimize the available time and enhance the efficiency of radio astronomy in MDSCC; and (2) to tackle new scientific cases impossible to that were investigated with the old, narrow-band autocorrelator. The backend consists of an IF processor, a FFT spectrometer (FFTS), and the software that interfaces and manages the events among the observing program, antenna control, the IF processor, the FFTS operation, and data recording. The whole system was end-to-end assembled in August 2011, at the start of commissioning activities, and the results are reported in this paper. Frequency tunings and line intensities are stable over hours, even when using different synthesizers and IF channels; no aliasing effects have been measured, and the rejection of the image sideband was characterized. The first setup provides 1.5 GHz of instantaneous bandwidth in a single polarization, using 8192 channels and a frequency resolution of 212 kHz; upgrades under way include a second FFTS card, and two high-resolution cores providing 100 MHz and 500 MHz of bandwidth, and 16384 channels. These upgrades will permit simultaneous observations of the two polarizations with instantaneous bandwidths from 100 MHz to 3 GHz, and spectral resolutions from 7 to 212 kHz.

研究の動機と目的

• MDSCCで以前使用されていた自己相関器バックエンドの即時の帯域幅が2–16 MHzに制限されていたことにより、スペクトル調査や銀河間観測などの科学的応用が制限されていた問題を克服する。
• 複数ライン観測および双偏波観測を同時に可能にすることで、利用可能な電波望遠鏡時間の最適化を図る。
• スペクトル線調査、広いドップラー速度範囲を持つ天体の観測、およびキャリブレーションの一貫性の向上といった、新たな科学的応用を可能にする。
• システムの安定性、高いダイナミックレンジ、および将来的な拡張性を確保する。
• 深宇宙通信環境下での信頼性ある運用を実現するため、IF処理、FFTS、制御ソフトウェアを統合した耐障害性・モジュラーなバックエンドシステムを開発する。

提案手法

• KバンドおよびQバンド受信機からの広帯域信号を処理できる新しい中間周波数（IF）プロセッサの設計および実装。
• 8192チャンネル、212 kHz分解能で1.5 GHzの即時の帯域幅を有する高速フーリエ変換分光計（FFTS）の統合。
• アレイ制御、バックエンド運用、データ記録、イベント管理を統合するためのカスタムソフトウェア（SDAI）の開発。
• 位相および振幅変動を最小限に抑えるために、安定した局所発振器と信号経路のキャリブレーションを実施。
• 慎重なIFフィルタリングおよび信号経路設計により、イメージ側帯の除去と aliasing 効果の抑制を実現。
• 将来的なスケーラビリティを考慮した設計として、2枚目のFFTSカードおよび高分解能コアのサポートを実装し、最大3 GHz帯域幅および16384チャンネルを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広帯域バックエンドシステムは、QバンドおよびKバンドで1.5 GHzの即時の帯域幅において、安定的かつ高精度な分光法を実現できるか？
• RQ2 新規バックエンドは、高スペクトル分解能と最小限のベースライン歪みを伴って、同時に双偏波観測を可能にするか？
• RQ3 このシステムは、スペクトル線調査や広いドップラー速度範囲を持つ天体の観測といった、新たな科学的応用を可能にするか？
• RQ4 長時間積算において、イメージ側帯除去性能、ダイナミックレンジ、および安定性の観点で、システムはどの程度の性能を示すか？
• RQ5 コア部品を再設計せずに、帯域幅および分解能を効率的に拡張できるか？

主な発見

• 新規バックエンドは、8192チャンネル、212 kHz分解能で1.5 GHzの即時の帯域幅を達成し、主な設計目標を満たした。
• アリエイジング効果は検出されず、イメージ側帯除去性能は明確に評価され、クリアなスペクトルデータが得られた。
• 異なる合成器およびIFチャンネルを使用しても、数時間にわたってベースライン安定性が維持された。これは、信頼性の高い長時間積算を可能にした。
• 数分間の積算で弱い電波再結合線（RRL）が明確に検出され、高い感度を示した。
• 狭帯域線でさえ、単一チャンネルにしかわたらない場合でも正しく分解能で解離でき、高いスペクトル忠実度を確認した。
• バックエンドは同時に双偏波観測を可能にし、将来的に3 GHz帯域幅および16384チャンネルへと拡張可能であり、高分解能モードおよび2枚のFFTSカードの導入計画が進行中である。