Digital autocorrelation spectrometer for the FIRST-HIFI instrument
Spectromètre-autocorrélateur numérique spatialisable pour l'instrument FIRST-HIFI
Résumé
This work is devoted to the spatialisation of the digital autocorrelation spectrometry technics for astronomy. One application is HIFI, the heterodyne instrument of the ESA space telescope FIRST (Herschel). To be launched in 2007, FIRST will be the premier submillimetre observatory in space. Important developments were needed in terms of weights, size and power consumption. A spectrometer architecture has been optimised using high integration digital ASICs. This architecture is divided in three main parts: i) an analogical sub-system splits the input spectral band (4-8GHz) into 8 sub-bands of 250MHz each. ii) Each sub-band is sampled and digitised in a 550MHz clocked BiCMOS ASIC. iii) digital correlation modules, clocked at 550MHz too, compute 1024 correlation coefficients over 28 bits. They can be connected in series or in parallel to optimise the spectral resolution or the bandwidth. A correlation module is made of a gallium arsenide ASIC designed in « full custom » with the Vitesse Hgaas4 0.5µm process and of a CMOS ASIC developed with the AMS 0.6m standard cell library. The first one computes at high frequency the correlation products, the other sums the results at a lower frequency and allows the data acquisition. A prototype spectrometer (4x180MHz) has been integrated and tested in the laboratory and on a telescope. From the test results some key features have been emphasised such as the band shape or the readout format. Then, we have designed and optimised a correlator for the FIRST-HIFI instrument. A demonstration model is at present time under development and will be tested by the end of 1999.
Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un programme de R&T dont l'objectif est de spatialiser les techniques de spectrométrie par autocorrélation numérique, notamment pour HIFI, l'instrument hétérodyne de la mission spatiale FIRST (Herschel) de l'ESA. Lancé en 2007, FIRST sera le premier observatoire submillimétrique dans l'espace. Les contraintes spatiales en terme de poids, d'encombrement, de consommation, imposaient des développements majeurs. Une architecture optimisée de spectromètre a été conçue à partir d'ASICs numériques à haut degré d'intégration. Elle inclut 3 principaux éléments. 1) Un sous-système analogique sélectionne, dans la bande spectrale d'entrée (4-8GHz), 8 sous bandes de 250MHz. 2) Chacun des signaux analogiques est numérisé sur 2 bits / 3 niveaux par un ASIC en BiCMOS cadencé à 550MHz. 3) Des modules numériques de corrélation, également cadencés à 550MHz, calculent 1024 coefficients de corrélation sur 28 bits. Ils peuvent être utilisés en cascade ou en parallèle pour privilégier la résolution ou la largeur de bande. Un module de corrélation est constitué d'ASICs en Arséniure de Gallium développés en « full custom » en utilisant la technologie Vitesse Hgaas4 0,5µm et d'ASICs en CMOS développés à partir de la bibliothèque de cellules standards AMS 0,6µm. Les premiers calculent à haute fréquence les produits de corrélation, les seconds accumulent les résultats à fréquence plus faible et permettent l'acquisition des données. Un spectromètre prototype 4x180MHz a été intégré et testé. Les tests en laboratoire et sur télescope ont permis de valider l'architecture adoptée et d'identifier plusieurs paramètres critiques comme la forme de la bande spectrale ou le format d'acquisition des données. Nous avons alors élaboré et optimisé un corrélateur pour l'instrument FIRST-HIFI. Un modèle de démonstration (2x250MHz) du spectromètre, à base de corrélateurs de 1024 canaux est actuellement développé et sera testé fin 1999.