FPGA為科學(xué)家探索宇宙大爆炸提供幫助

一個(gè)南極多學(xué)科科學(xué)家小組窺到了宇宙大爆炸的余暉。該小組宣布BICEP2試驗(yàn)在宇宙微波背景輻射（CMB）的B模偏振中找到了引力波的第一個(gè)證據(jù)。

目前科學(xué)家們?cè)趯ふ伊硪粋€(gè)印跡：CMB微波光子微弱偏振螺旋中記錄的引力波證據(jù)。找到這些螺旋有望證實(shí)大爆炸理論的暴脹觀點(diǎn) – 其認(rèn)為在宇宙出生1皮秒之前曾經(jīng)以比光速快得多的速度膨脹。理論上，這種超光速（比光速更快）宇宙暴脹會(huì)產(chǎn)生引力波，其會(huì)在大爆炸所產(chǎn)生的光子的偏振中打上烙印。

該小組搜索引力波所依靠的專用相機(jī)采用過渡邊界傳感器（TES）輻射熱測(cè)量計(jì)測(cè)量E模（無旋）和B模（無梯度）微波輻射。該相機(jī)是圍繞麥吉爾大學(xué)基于賽靈思Virtex-4 FPGA的第二代DFMUX開發(fā)板開發(fā)。

其他地方的天體物理學(xué)家在其自己的試驗(yàn)中采用相同的賽靈思開發(fā)板，而其他的研究人員則在試用基于Kintex-7器件的最新升級(jí)版相機(jī)。Kintex版本也是加拿大科學(xué)家將用于調(diào)查暗能量的大型望遠(yuǎn)鏡的組成部分。

大爆炸的回響

CMB微波光子中的偏振變化稱為B模信號(hào)，該信號(hào)極其微弱。整體CMB黑體溫度為2.73K，而B模信號(hào)大致僅有1K的千萬分之一。

強(qiáng)度大得多的原始“E?！逼裥盘?hào)的引力透鏡效應(yīng)以小角尺度產(chǎn)生B模信號(hào)，同時(shí)CMB與大爆炸暴脹過程中產(chǎn)生的引力波背景輻射相互作用會(huì)以大角尺度產(chǎn)生B模信號(hào)。

安裝在一個(gè)國際科學(xué)小組操作的10米南極望遠(yuǎn)鏡（SPT）上的SPT偏振計(jì)（SBTpol）相機(jī)于2013年首次探測(cè)到CMB引力透鏡效應(yīng)造成的B模偏振（圖1）。SPT與BICEP2（很快將升級(jí)為BICEP3）及凱克陣列CMB試驗(yàn)儀器一同位于阿蒙森-斯科特南極站。

CMB是伴隨大爆炸的巨大能量爆發(fā)留下的最后回響。1964年阿諾?彭齊亞斯與羅伯特?威爾遜在新澤西州Holmdel貝爾電話實(shí)驗(yàn)室中利用低溫接收器探究無線電噪聲來源時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)了它。CMB是兩位科學(xué)家從其試驗(yàn)數(shù)據(jù)中無法消除的一個(gè)噪聲源。CMB輻射的發(fā)現(xiàn)證明了宇宙大爆炸理論，使彭齊亞斯和威爾遜獲得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

根據(jù)二十世紀(jì)六十年代早期試驗(yàn)儀器的分辨率，CMB無論白天還是黑夜始終呈現(xiàn)各向同性。這種特征為CMB是大爆炸余暉的理論提供了支持。敏感度更高的測(cè)量（主要是宇宙背景探測(cè)者（COBE）衛(wèi)星進(jìn)行的測(cè)量）把整個(gè)天空的CMB映射到超高分辨率，然后顯示出CMB存在很小的變化（各向異性），其進(jìn)一步加強(qiáng)了CMB是大爆炸印記的理論。此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)使喬治?斯穆特和約翰?馬瑟贏得了2006年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

氦冷卻偏振傳感器

二十世紀(jì)四十年代發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體電熱平衡性及其測(cè)量入射電磁能量的功能，但是TES探測(cè)器直到二十世紀(jì)九十年代才得到廣泛應(yīng)用。它們目前廣泛應(yīng)用于CMB試驗(yàn)儀器。SPTpol相機(jī)的氦冷卻超導(dǎo)焦平面微波傳感器是一個(gè)由1536個(gè)配對(duì)成768個(gè)偏振感應(yīng)像素的天線耦合TES輻射熱測(cè)量計(jì)組成的陣列；180個(gè)像素對(duì)90GHz微波輻射敏感，而588個(gè)像素對(duì)150GHz輻射敏感。

150GHz CMB傳感器模塊由位于科羅拉多州博爾德市的國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）制造的波紋喇叭天線耦合TES輻射熱測(cè)量計(jì)組成。每個(gè)150GHz TES輻射熱測(cè)量計(jì)模塊均包含一個(gè)探測(cè)器陣列以及84個(gè)在數(shù)百mK溫度下運(yùn)行的雙偏振像素。入射微波能量沿共面波導(dǎo)傳輸?shù)轿н^渡裝置，其為一個(gè)有損金制彎曲電阻（lossy gold meander）（一種加熱電阻器）饋送信號(hào)。進(jìn)入彎曲電阻的入射微波能量起到加熱作用。彎曲電阻受熱會(huì)連接到由鋁錳合金制成的TES傳感器。這些TES器件在其超導(dǎo)相變中間運(yùn)行，因此對(duì)接收到的光強(qiáng)度的微小變化極其敏感。

90GHz CMB傳感器由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的單獨(dú)封裝雙偏振偏振計(jì)組成。每個(gè)90GHz像素都通過機(jī)械波狀喇叭天線（machined contoured feedhorn）（其把CMB輻射傳輸?shù)诫娮枋絇dAu吸收棒）與望遠(yuǎn)鏡連接。電阻式吸收棒受熱后連接到鉬/金雙層TES（參見圖2）。

圖1 – 位于阿蒙森-斯科特南極站的南極望遠(yuǎn)鏡

圖2 – 南極望遠(yuǎn)鏡的微波焦平面陣列。內(nèi)部的7個(gè)六邊形模塊是150GHz陣列，外部環(huán)形是90GHz陣列。每個(gè)像素都有自己的獨(dú)立喇叭天線，其可以把光耦合到各個(gè)相似的2個(gè)TES輻射熱測(cè)量計(jì)。

南極望遠(yuǎn)鏡相機(jī)的氦冷卻超導(dǎo)焦平面微波傳感器是一個(gè)由1536個(gè)配對(duì)成768個(gè)偏振感應(yīng)像素的天線耦合TES輻射熱測(cè)量計(jì)組成的陣列。

對(duì)于150GHz和90GHz傳感器，微波能量吸收造成的熱變化會(huì)造成各個(gè)TES的電阻出現(xiàn)幾個(gè)Hz級(jí)的緩慢變化。電阻的變化可以調(diào)節(jié)流經(jīng)1536個(gè)TES輻射熱測(cè)量計(jì)每個(gè)中的載波電流。這些電流然后由低溫超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）進(jìn)行放大。把1536個(gè)測(cè)量數(shù)值從焦平面?zhèn)鞲衅骱蚐QUID陣列的超低溫環(huán)境傳輸?shù)侥蠘O相對(duì)溫暖的環(huán)境需要采用賽靈思Virtex-4 FPGA開發(fā)創(chuàng)新型數(shù)字頻分多路復(fù)用（DFMUX）解決方案。

SQUID具有高帶寬，因此在此應(yīng)用中可以輕松利用頻分多路復(fù)用方案。這種多路復(fù)用方案允許共享SQUID，而且能夠盡可能降低負(fù)責(zé)冷卻焦平面?zhèn)鞲衅麝嚵械牡蜏睾銣仄髦胁季€數(shù)量，同時(shí)又不降低各個(gè)輻射熱測(cè)量計(jì)的噪聲性能。DFMUX是由位于蒙特利爾的麥吉爾大學(xué)開發(fā)，其是負(fù)責(zé)操作南極望遠(yuǎn)鏡的機(jī)構(gòu)之一。其他機(jī)構(gòu)還包括芝加哥大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、凱斯西儲(chǔ)大學(xué)、哈佛/史密森天體物理觀測(cè)臺(tái)、科羅拉多大學(xué)波爾得分校、加州大學(xué)戴維斯分校、德國慕尼黑路德維希-馬克西米利安大學(xué)、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）。

了解傳感器數(shù)據(jù)

SPTpol相機(jī)采用基于賽靈思Virtex-4 FPGA的第二代McGill DFMUX。FPGA能夠采用直接數(shù)字綜合（DDS）方法以數(shù)字方式綜合由12載頻組成的載波梳。載波梳通過單條線路進(jìn)入焦平面低溫恒溫器并驅(qū)動(dòng)一組（12個(gè)）TES輻射熱測(cè)量計(jì)。單獨(dú)的模擬LC濾波器能把這12個(gè)TES輻射熱測(cè)量計(jì)中每個(gè)測(cè)量計(jì)微調(diào)到窄頻帶。每個(gè)輻射熱測(cè)量計(jì)都會(huì)響應(yīng)時(shí)變?nèi)肷銫MB輻射，其電阻在0.1Hz~20Hz頻率范圍波動(dòng)。TES輻射熱測(cè)量計(jì)的不同電阻可以調(diào)節(jié)流經(jīng)其中的載波電流。12個(gè)TES輻射熱測(cè)量計(jì)電流然后加在一起形成一個(gè)經(jīng)過調(diào)制的“天空信號(hào)”。

另一個(gè)稱為“調(diào)零器”梳的DDS頻率梳驅(qū)動(dòng)位于SQUID放大器輸入的求和節(jié)點(diǎn)。調(diào)零器梳的相位與幅度經(jīng)過設(shè)置可以借助相消干擾抵消載波梳，從而只留下輻射熱測(cè)量計(jì)探測(cè)到的信號(hào)以及少量殘余載波功率。一個(gè)SQUID負(fù)責(zé)放大此信號(hào)，把它轉(zhuǎn)換成電壓，然后送回室溫電子器件由FPGA進(jìn)行濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換和解調(diào)處理。圖3為系統(tǒng)方框圖。

圖3 – 用于測(cè)量CMB輻射、基于DFMUX的TES輻射熱測(cè)量計(jì)系統(tǒng)方框圖。

ADC的數(shù)字輸出直接進(jìn)入Virtex-4 FPGA進(jìn)行解調(diào)。解調(diào)方案與用于GSM移動(dòng)電話的數(shù)字上變頻/下變頻（DUC/DDC）算法相似，不過存在一些例外。首先，各個(gè)TES輻射熱測(cè)量計(jì)信道的帶寬非常窄 – 僅有數(shù)十個(gè)Hz級(jí)。其次，載波梳是由Virtex-4 FPGA 生成的綜合正弦載波構(gòu)成。載波調(diào)制是在低溫恒溫器中的TES輻射熱測(cè)量計(jì)之內(nèi)進(jìn)行。

一個(gè)Virtex-4 FPGA可以處理SPTpol相機(jī)的一組（12個(gè)）輻射熱測(cè)量計(jì)多路復(fù)用中的4個(gè)測(cè)量計(jì)。DFMUX設(shè)計(jì)采用Virtex-4 FPGA的片上邏輯、存儲(chǔ)器和DSP功能實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率綜合、解調(diào)（下變頻、濾波和抽?。?、時(shí)戳與緩沖。由于是采用一個(gè)FPGA同時(shí)生成載頻梳和調(diào)零器頻率梳以及解調(diào)天空信號(hào)，因此所有信號(hào)全部同步運(yùn)行。梳生成與解調(diào)不可能出現(xiàn)相互偏移，因?yàn)樗鼈儊碜訤PGA中的相同主時(shí)鐘。所以，時(shí)鐘抖動(dòng)并非嚴(yán)重噪聲源，通過測(cè)量可以證明。

充分發(fā)揮功能的FPGA

FPGA中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)主要模塊：數(shù)字多頻綜合器（DMFS）和數(shù)字多頻解調(diào)器（DMFD）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩個(gè)相同的DMFS模塊進(jìn)行頻率綜合。一個(gè)模塊生成載頻梳，另一個(gè)生成調(diào)零信號(hào)。頻率綜合器以20MHz頻率運(yùn)行，采用16位運(yùn)行速率為25Msps的DAC。綜合器是基于采用賽靈思DDS編譯器創(chuàng)建的11位2補(bǔ)碼直接數(shù)字綜合器。每信道頻率分辨率為0.006Hz。

天空信號(hào)的解調(diào)從數(shù)字下變頻開始。收到的信號(hào)與基準(zhǔn)波形混合在一起生成單獨(dú)基帶信號(hào)?；鶞?zhǔn)波形的頻率與相位相互獨(dú)立。調(diào)制后的天空信號(hào)已經(jīng)以25Msps的采樣率進(jìn)行了14位分辨率采樣，不過目標(biāo)帶寬遠(yuǎn)低于此采樣速率的尼奎斯特帶寬。因此，調(diào)制后的基帶信號(hào)流經(jīng)采用FPGA中的加法器與累加器構(gòu)成的級(jí)聯(lián)積分器梳（CIC）抽取濾波器。第一級(jí)CIC濾波器以28位精度、按128系數(shù)抽取基帶信號(hào)。此濾波器的輸出然后被截取到17位。

DFMUX把8個(gè)輻射熱測(cè)量計(jì)信道（25Msps）時(shí)域多路復(fù)用到以200MHz運(yùn)行的CIC1。CIC1濾波器內(nèi)部具有28位數(shù)據(jù)寬度和24位輸出。在完成CIC1濾波之后，所有輻射熱測(cè)量計(jì)信道都多路復(fù)用在一起，并饋送單個(gè)CIC2，CIC2有6個(gè)可變抽取率（16、32、64、128、256 和512）。CIC2之后是一個(gè)152抽頭FIR濾波器。

信道標(biāo)識(shí)符和時(shí)戳被添加到FIR濾波器的輸出，然后被發(fā)送到具有一個(gè)輪流緩沖列表的雙端口緩沖存儲(chǔ)器。SDRAM的大緩沖容量便于滿足基于FPGA的Micro- Blaze軟處理器的時(shí)延要求，后者運(yùn)行Linux并負(fù)責(zé)監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流。降低的時(shí)延允許激活處理器的MMU和顯著改善Linux OS運(yùn)行。

采用運(yùn)行在MicroBlaze 處理器上的兩臺(tái)Web服務(wù)器并通過HTTP接口連接以太網(wǎng)可以對(duì)DFMUX開發(fā)板進(jìn)行外部控制。控制DFMUX開發(fā)板只需一個(gè)Web瀏覽器。Python腳本環(huán)境提供對(duì)板級(jí)控制寄存器的直接存取，以完成更詳細(xì)的任務(wù)，如：儀器微調(diào)。

針對(duì)DFMUX的未來工作

SPTpol相機(jī)是多個(gè)探索CMB輻射的實(shí)驗(yàn)儀器之一。該相機(jī)所使用的相同DFMUX開發(fā)板也是EBEX氣球運(yùn)載“E與B試驗(yàn)儀器”以及在智利詹姆斯?艾克天文臺(tái)Huan Tran望遠(yuǎn)鏡安裝的北極熊CMB偏振試驗(yàn)儀器的組成部分?；谫愳`思Kintex-7 FPGA、稱為ICEboard的DFMUX開發(fā)板更高版本已經(jīng)開始部署到新的CMB試驗(yàn)裝置和加拿大氫強(qiáng)度映射實(shí)驗(yàn)（CHIME）的射電望遠(yuǎn)鏡。

CHIME是位于英屬哥倫比亞彭帶克頓附近偏僻山谷中的一臺(tái)新式射電望遠(yuǎn)鏡。此望遠(yuǎn)鏡由5個(gè)大型100?20米半柱體反射器（大小和形狀與半管式滑道相當(dāng)）組成，在各個(gè)半柱體的焦點(diǎn)位置安裝有無線電接收器陣列。這里無任何活動(dòng)部件（地球除外）。完工后CHIME將能夠隨著地球轉(zhuǎn)動(dòng)每天測(cè)量一半以上天空。

但是，CHIME并非用于研究CMB。其旨在尋找暗能量證據(jù) – 通過調(diào)查70~110億光年距離內(nèi)大規(guī)模3D天域中的21厘米（400~800MHz）射電輻射。CHIME將測(cè)量“重子聲學(xué)振蕩”（BAO），其是氫氣構(gòu)成的龐大天體中的周期性密度變化。BAO物質(zhì)聚集能夠?yàn)樘煳膶W(xué)家提供大約4.9億光年的“標(biāo)準(zhǔn)量尺”，可用于測(cè)量廣大的距離。BAO信號(hào)波動(dòng)有可能證明是暗能量作用跡象，至少存在一線希望。

CHIME實(shí)際上是一臺(tái)相位陣列射電望遠(yuǎn)鏡。它可以綜合圖像，方法是記錄固定天線陣列的電磁信號(hào)，然后采用2D關(guān)聯(lián)和干涉測(cè)量法根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)重建天空。CHIME需要采用160個(gè)互連的Kintex-7 FPGA處理以數(shù)Tbps的速度接收的BAO信號(hào)數(shù)據(jù)。

超光速

宇宙暴脹理論認(rèn)為宇宙在大爆炸10-35 秒后經(jīng)歷了一次劇烈膨脹 – 超過光速的物理膨脹。如果認(rèn)為光速是速度極限 – 而我們大多數(shù)都是如此認(rèn)為，則很難接受這一觀點(diǎn)。大爆炸理論有一部分認(rèn)為暴脹除了CMB之外還留下一個(gè)宇宙引力波背景輻射（CGB），而且CGB在CMB中打上偏振印記。BECEP2試驗(yàn)結(jié)果首次證實(shí)此理論。

來自SPTpol相機(jī)、EBEX、北極熊、凱克陣列和BICEP3試驗(yàn)的其他結(jié)果有望加強(qiáng)上述發(fā)現(xiàn)。對(duì)其而言，CHIME在開始暗能量搜索之后會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展我們的宇宙知識(shí)探索范圍。

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