Spektralanalyse am technologischen Limit: Anwendungen in der Radioastronomie Wo Prozessoren in ihrer Leistungsfähigkeit nicht mehr ausreichen, wird programmierbare Logik in Form von FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) eingesetzt. Hunderte von Rechenoperationen können damit innert Nanosekunden erledigt werden. Diese Technologie eignet sich vorzüglich für die Echtzeit-Spektralanalyse von Signalen. Typische Anwendungen finden sich in der Radioastronomie oder der Atmosphärenphysik. Typisch sind die enormen Abtastraten von mehreren Giga-Samples pro Sekunde bei Wandler-Auflösungen von ³ 10 Bit, Signal-Bandbreiten von > 1 GHz, aufgelöst in ³ 16'384 Kanälen. Die Leistungsgrenze wird in diesen Bereichen stetig nach oben geschoben. Mit dem präsentierten Projekt wurde ein neuer Meilenstein punkto Funktionalität und Verarbeitungsgeschwindigkeit gesetzt. So ist das realisierte Spektrometer 1- oder 2-kanalig konfigurierbar, in der 2-kanaligen Version können beispielsweise die Summen- und Differenzspektren gerechnet werden, oder das Kreuzleistungs-Spektrum. Anstelle der "normalen" Fast Fourier Transform (FFT) wurde eine digitale Filterbank implementiert. Im Vortrag werden aktuelle und künftige Anwendungen im Bereich der Radioastronomie vorgestellt. Es sind Anlagen und Projekte, die weltweit in Betrieb sind oder in Planung stehen. Messresultate zeigen die enorme Leistungsfähigkeit, aber auch die Grenzen der digitalen Spektralanalyse. Bruno Stuber, Hochschule für Technik FHNW und Christian Monstein, ETH Zürich

1. Spectral Analysis at the Limit –
Applications in Radio Astronomy
Bruno Stuber Christian Monstein

2. Content
1. Objectives and Technical Challenges
2. Applications in Radio Astronomy
3. Summary and Conclusion
17. March 2015 2
Spectral Analysis at the Limit –
Applications in Radio Astronomy
Digital Filterbank: 1-/2-Channel Mode using FPGAs
Bruno Stuber FHNW, Institute for Automation
Christian Monstein ETH Zurich, Institute for Astronomy

3. 17. March 2015 3
FPGAFPGA
FPGA
Spectrometer
Unit
(Filterbank)
HOST
PC
RX
Signals
FPGA
Signal Spectra:
 Bandwidth 
 Frequency Resolution 
 «seamless» processing
System Overview:


4. Project
CTI
Contribution
Total [kFr]
CTI
FHNW
Project Partners FHNW
Filterbank 2014 457 360
Industrial Partner
ETH Zurich IA
Uni Bern IAP
IA
IME
FFT 2 2008
CoSpan
(50++) 50 Uni Bern IAP
IA
IME
FFT 1 2005
ARGOS
292 240
Industrial Partner
ETH Zurich IA
Uni Bern IAP
IA
IME
17. March 2015 4
The Line of Projects:

5. 17. March 2015 5
1 Processing Unit:
Field Programmable Gate Array
(FPGA)
Xilinx Virtex 6 (XC6VSX315T)
■ 393’600 Flip Flops
■ 1’344 Multipliers
■ 704 Block RAM each 36 kbit
- SRAM based FPGA
- 40 nm CMOS Process
- 12 Layer Cu Metal
- 1 V Core Voltage
 Internal Clockrate: 200 MHz
The Signal Processing
Units:

6. 17. March 2015 6
A
D
Filter-
Bank
(Polyphase
Filters)
Output
Pro-
cessing
Accumu-
lation 1
x(t)
fs
(3.2 GS/s )
32k
FFT
DDR3
RAM
Control-
Inter-
face
Data-
Inter-
face
Window
ROM
FPGA
Data
Control
Accumu-
lation 2
X
Single Channel Mode:
A
D
Filter-
bank
Accu
3&4
x(t)
32k
FFT
DDR3
RAM
Control-
Inter-
face
Corr.
ROM
Data-
Inter-
face
Window
ROM
FPGA
Data
Control
y(t)
Filter-
bank Output
Pro-
cessing
Accu
1&2
32k
FFT
X
Y
A
D
fs
(1.6 GS/s )
Dual Channel Mode:
Inside the FPGA: The «FFT» respectively the Filterbank Unit:
Mode-Switching
«on the fly»

7. 1 - Channel: (Input x  Spectrum X)
Pxx X (Re, Im) P2
xx
17. March 2015 7
2 - Channel: (Input x and y)
Pxx | Pyy X | Y P2
xx | P2
yy
PX+Y | PX-Y (X+Y) | (X-Y) P2
X+Y | P2
X-Y
PXY* Re2(PXY*) | Im2(PXY*)
Legend:
Pxx = |X|2 : Power Spectrum |X|2
P2
xx : Square → Kurtosis-Analysis
PX+Y | PX-Y : Sum and Difference of Spectra
PXY* : Cross-power Spectrum
Filterbank Output in 1-Channel- and 2-Channel-Mode:

8. 17. March 2015 8
Front Panel Spectrometer
Bandwidth:
1600 | 2x800 MHz
Spectrum:
16’384 Bins
Update-Rate:
every 10,2s | 20,4s
Multiplications/s :
87,2 Milliards

9. FILTERBANK instead of FFT:
17. March 2015 9
Filterbank-Spectrum:
Compute only every L-th
DFT Bin
 N Bins
t
DC
Filterbank Frame: LN Samples
Scalar Product
f
Bin: 0 4 8 … (LN-1)
Bin: kL
4 Periods
f = 1/(LTF)
LTF
8 Periods
t
Filterbank Window
I II III IV
-5 -4 -3 -2 -1 -0.5 0 0.5 1 2 3 4 5
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
Selectivity DFT/ FFT | Window: Kaiser 9
dB
-5 -4 -3 -2 -1 -0.5 0 0.5 1 2 3 4 5
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
Selectivity Filterbank | Window: Def FT_1
Bin
dB
Selectivity Curve per Channel/ Bin:
«Standard» FFT

10. 17. March 2015 10
Implementation: Technical Challenges
■ Architectur, Algorithms  Filterbank instead of FFT, Channel Modes, …
VHDL–Design  Scalable for different Target Hardwares ■
Timing: FPGA-Systemclock: 200 MHz !! ■
Matlab-Reference Bit-true VHDL SimulationVerification
IA: Bruno Stuber: Algorithms
Daniel Treyer: Matlab, Numerics
IME: Dino Zardet: Architectur, Verification
Michael Roth: VHDL Implementation
Stefan Brantschen: SW Interface
Optimal use of DSP-Slices on the FPGA ■
■ Fixed-Point Arithmetic  Word Widths, Rounding, …

11. 17. March 2015 11
…’’at the Limit’’ ???
The Signals:
• Dynamic of the Input Signal
• Signal deep below the Noise Level  Averaging, Measuring Differencies
• Short-term and Long-term Stability of the Equipment
The Technique:
• Speed: Spectra processing «seamless»: 3,2 GS/s  97’600 Spectra/s
• Functionality: New Level achieved  1-Channel, 2-Channel Mode, …
• FPGA: Complexity and Speed  Routing and Timing

12. 17. March 2015 12
Spectrometer M0703A applications
• Antenna power in Radio Astronomy
• Plan A: Gold mine in Uruguay
• Plan B: Russian spy telescope in Latvia
• Prototyping in Bleien AG
- Spectrum issue
- 1/f noise, Allan Time
- Solar bursts
- Sky map

13. 17. March 2015 13
Antenna power level in Radio Astronomy
Source Temperature Power
RFI due to FM, DVB-T, DAB-T -30.0 dBm
Solar radio burst 5000 Kelvin -114.7 dBm
Receiver noise 100 Kelvin -131.7 dBm
Cosmic microwave background 2.7 Kelvin -147.4 dBm
Baryonic oscillation, red shifted 21 cm line 5 µ Kelvin *) -205.7 dBm
Total dynamic range: 175.5 dB
*) requires at least 1 year on-source integration time

14. 17. March 2015 14
Gold mine Castrillon in Minas Corrales, Uruguay
BINGO - Baryon acoustic oscillations In Neutral Gas Observations

15. 17. March 2015 15
RT-32 in Ventspils, Latvia (HIMap)

16. 17. March 2015 16
Ex Soviet spy installation RT-32

17. 17. March 2015 17
Offset mount of 8 dual polarization horns

18. 17. March 2015 18
Bleien AG, Switzerland
Left: 5m parabolic dish, F/D=0.507
Right: 7m parabolic dish, F/D=0.34

19. 17. March 2015 19
Spectrum in Bleien

20. 17. March 2015 20
Stability: 1/f noise, Allan Time

21. 17. March 2015 21
High dynamic solar bursts

22. 17. March 2015 22
High dynamic solar bursts

23. 17. March 2015 23
High dynamic solar bursts

24. 17. March 2015 24
Transit Radio Galaxy Cygnus A

25. 17. March 2015 25
Transit Sagittarius A

26. 17. March 2015 26
Sky Map

27. 17. March 2015 27
Conclusions
Spectrometer is working …
+ Input dynamic range improved (8 Bit → 12 Bit)
+ Numerical artefacts reduced
+ Functionality and modes significantly enhanced
~ ADC input leveling not clear yet (rfi vs resolution)
~ Stability analog-input over time

28. 17. März 2015 28
Experts
Bruno Stuber
www.fhnw.ch/personen/bruno-stuber
University of Applied Sciences and Arts Northwestern Switzerland FHNW,
Institute for Automation
www.fhnw.ch/technik/ia/
Christian Monstein
www.astro.ethz.ch/people/person-detail.html?persid=86162
ETH Zurich, Institute for Astronomy
www.astro.ethz.ch/
Daniel Treyer FHNW, Institute for Automation
Dino Zardet, Michael Roth FHNW, Institute of Microelectronics
Axel Murk University of Bern, Institute of Applied Physics