ПРИЕМНО-РЕГИСТРИРУЮЩИЙ КАНАЛ РАДИОТЕЛЕСКОПА

Полезная модель относится к радиоастрономической технике и может использоваться на радиотелескопах, участвующих в наблюдениях методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Наибольший эффект дает использование ее на радиотелескопах нового поколения (например, РТ-13), которые имеют небольшие (до 13 м) антенны и размещаемые непосредственно на антенне каналы цифрового преобразования шумовых сигналов с широкими (например, 512 МГц) полосами пропускания (см. например, Ипатов А.В. Радиоинтерферометр нового поколения для фундаментальных и прикладных исследований. Успехи физических наук, 2013. Том 183. №7. С. 769-777).
1
1
AB
A
B
A
B
А
B
В РСДБ данные наблюдений, полученные двумя радиотелескопами, отстоящими на большом расстоянии (базе) между ними, поступают в РСДБ-коррелятор, где вычисляется геометрическая групповая задержка сигнала на базе радиоинтерферометра τ, которая является исходным параметром при последующих координатно-временных и эфемеридных вычислениях. По взаимной корреляции потоков данных, поступивших с радиотелескопов, определяется так называемая формальная задержка τ. Чтобы перейти от формальной задержки τ к искомой геометрической групповой задержке сигнала τ, необходимо учесть ряд дополнительных технических параметров, важнейшим из которых является разность Δθ=θ-θ групповых задержек принимаемых шумовых сигналов θ и θ в приемных каналах радиотелескопов, обозначенных подстрочными индексами  и . Поэтому измерение этих задержек с достаточно высокой точностью имеет большое значение для координатно-временных и эфемеридных исследований методами РСДБ.
i
В многоканальных интерферометрах, которые регистрируют шумовые сигналы в нескольких частотных каналах, распределенных в более широкой полосе приема, для синтеза полосы частот при корреляционной обработке необходимо выравнивать задержки сигналов θ в приемных каналах радиотелескопа, работающих в данной полосе приема (см. например, Томпсон А.Р., Моран Д.М., Свенсон Д.У. Интерферометрия и синтез в радиоастрономии / Перевод с англ. под ред. Л.И. Матвеенко. - 2-е изд. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. С. 331-333. David В. Shaffer. RRI: Effects on Bandwidth Synthesis. // IVS 2000 General Meeting Proceedings, 2000. P. 402-406.). Подстрочным индексом i здесь обозначен порядковый номер канала.
На радиотелескопах действующих комплексов РСДБ (например, Квазар-КВО) используются узкополосные (до 32 МГц) каналы с видеоконверторами, в которых принимаемые шумовые сигналы преобразуются в цифровые последовательности данных на видеочастотах. На таких радиотелескопах (например, РТ-32) приемно-регистрирующий тракт охватывает радиоастрономическое приемное устройство (РПУ), установленное в подзеркальной кабине антенны, и систему передачи сигналов промежуточной частоты (ПЧ=100-1000 МГц) с длинными (более 250 м) коаксиальными кабелями, проходящими через антенные кабельные петли, а также систему преобразования сигналов (СПС) с форматером данных и устройство регистрации, которые установлены в стационарном помещении. В этом случае задержка сигнала в приемно-регистрирующем тракте в основном определяется сравнительно большой и меняющейся при поворотах антенны задержкой в линиях передачи сигналов ПЧ. Поэтому при радиоинтерферометрических наблюдениях измеряют электрические длины кабелей на радиотелескопах, по которым судят о задержках сигнала, а задержки в РПУ, в распределителях сигналов ПЧ и в каналах СПС, которые меньше по крайней мере на порядок, не учитывают (Вытнов А.В., Иванов Д.В., Карпичев А.С. Система контроля фазовой стабильности в радиоинтерферометрических экспериментах. // Приборы и техника эксперимента, 2013. №2. С. 54-57).
В радиотелескопах нового поколения (например, РТ-13) нет нужды измерять электрические длины кабелей между антенной и аппаратурой в стационарном помещении, так как преобразование и форматирование принимаемых сигналов выполняет СПС в антенной кабине, откуда уже в цифровом виде данные наблюдений передаются к устройствам буферизации, установленным в стационарном помещении. Вместе с тем, из-за использования широкополосных каналов к новым РСДБ-комплексам предъявляются значительно более высокие требования по точности определения геометрических групповых задержек сигналов. Все это привело к необходимости измерять групповые задержки сигналов θ в приемно-регистрирующих каналах радиотелескопа непосредственно на антенне.
и
и
и
Для решения задачи выравнивания задержек сигналов в параллельных каналах РПУ, работающего в многоканальном интерферометре с синтезом полосы частот, на вход РПУ обычно вводят пикосекундные импульсы с относительно низкой частотой следования F (например, F=1 МГц), которые в приемном тракте возбуждают ряд когерентных гармонических пилот-сигналов с разносом частот, равным F. Здесь когерентность понимается в том смысле, что в моменты появления пикосекундных импульсов начальные фазы всех гармонических пилот-сигналов будут одинаковыми, например нулевыми. Эти пилот-сигналы вместе с принимаемым шумовым сигналом преобразуются в цифровую последовательность данных, а затем при корреляционной обработке данных выделяется один из них на низкой частоте и сравнивается по фазе с опорным сигналом такой же частоты. Затем выравнивают полученные для всех каналов радиотелескопа фазы пилот-сигналов и проводят синтез полосы частот. Этот способ выравнивания фаз применяется на радиоинтерферометрах с узкополосными каналами, где шумовой сигнал в полосе ПЧ, шириной до 900 МГц, распределяется по каналам (видеоконверторам) непосредственно на входе СПС, т.е. после общего для всех каналов тракта РПУ и кабелей системы передачи ПЧ (см. например Hitoshi Kiuchi and Tetsuro Kondo. The Wavefront Clock Technique Applied to Current VLBI Systems. Publications of the Astronomical Society of Japan. Oxford University Press, 1996. No 48. P. 137-146.).
Для радиотелескопов с широкополосными (512 МГц и более) каналами такой способ измерения задержек сигнала в каналах неэффективен, так как шумовой сигнал разветвляется на сверхвысоких частотах (СВЧ), а приемные каналы весьма сложные (с двойным преобразованием частоты и с системой коммутации каналов). В этом случае практически невозможно установить однозначно и с высокой точностью связь фаз пилот-сигналов, измеренных на низкой выходной частоте (около 1 МГц), с групповой задержкой принимаемого сигнала на СВЧ (до 34 ГГц на радиотелескопах РТ-13), поскольку не известны задержки сигналов в РПУ и в распределителях ПЧ, а также начальные фазы СВЧ гетеродинных сигналов. Поэтому в данном случае удобнее выравнивать не фазы выходных сигналов низкой частоты, а задержки сигналов СВЧ, используя результаты измерения групповых задержек θ сигналов в приемно-регистрирующих каналах радиотелескопа.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели можно считать канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра, описанный в патенте РФ на полезную модель №156823. Он содержит последовательно соединенные генератор пикосекундных импульсов (ГПСИ), приемно-усилительный канал, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой преобразователь выборок сигнала и формирователь данных, который обычно соединен с подключенным к компьютеру устройством управления. Кроме того, канал включает в себя генератор сигнала тактовой частоты (ГСТЧ), соединенный с АЦП и генератором меандра частоты преобразования выборок. Генератор меандра соединен с преобразователем выборок сигнала, формирователем данных и формирователем импульсов секунд, выход которого тоже соединен с формирователем данных. В таком канале входной шумовой сигнал вместе с пикосекундными импульсами проходит через приемно-усилительный канал и преобразуется в АЦП в цифровые выборки. Эти выборки подвергаются необходимым преобразованиям в цифровом преобразователе для получения данных, которые формируются в заданном формате и поступают на выход канала для дальнейшей передачи на коррелятор. Синхронизация преобразования сигналов в канале осуществляется с помощью сигнала тактовой частоты, из которого формируются меандр частоты преобразования и метки времени - импульсы секунд. При этом отсутствует измерение задержки пикосекундных импульсов в канале от входа до формирователя данных, а выравнивание задержек в разных каналах производится на низкой частоте при корреляционной обработке данных.
Целью полезной модели является обеспечение возможности измерения групповой задержки сигнала непосредственно в приемно-регистрирующем канале радиотелескопа от входа РПУ до выходного формирователя данных.
Эта цель достигается тем, что в канал, содержащий последовательно соединенные ГПСИ, приемно-усилительный канал, АЦП, цифровой преобразователь выборок сигнала и формирователь данных, а также содержащий ГСТЧ, генератор меандра частоты преобразования сигналов, формирователь импульсов секунд и устройство управления, причем тактовые входы АЦП и генератора меандра объединены и подключены к выходу ГСТЧ, тактовые входы цифрового преобразователя выборок, формирователя данных и формирователя импульсов секунд объединены и подключены к выходу генератора меандра, к синхронизирующему входу формирователя данных подключен выход формирователя импульсов секунд, а к управляющему входу формирователя данных - устройство управления, введены последовательно соединенные формирователь пакетов выборок сигнала, сумматор пакетов выборок, подключенный синхронизирующим входом к упомянутому выходу формирователя импульсов секунд, дискретный преобразователь Фурье и линеаризатор фазового спектра, выход которого соединен с упомянутым устройством управления. Вход формирователя пакетов выборок подключен к тому же сигнальному выходу АЦП, что и цифровой преобразователь выборок. Упомянутый выход генератора меандра дополнительно соединен с тактовыми входами формирователя пакетов выборок и сумматора пакетов, а также со входом делителя частоты, выход которого через коаксиальный кабель нормированной длины соединен с управляющим входом упомянутого ГПСИ.
С помощью формирователя и сумматора пакетов выборок из смеси с шумовым сигналом выделяются пикосекундные импульсы. Путем цифрового Фурье-преобразования формируется фазовый спектр гармоник этих импульсов, который фактически представляет собой фазочастотную характеристику канала. В результате линеаризации определяется ее производная, по которой после масштабирования можно судить о групповой задержке сигнала в канале. Чтобы исключить неопределенность момента ввода пикосекундных импульсов на вход канала ГПСИ запускается меандром частоты преобразования сигналов через делитель частоты и коаксиальный кабель нормированной длины.
На рисунке показана блок-схема заявленной полезной модели, где обозначено:
1 - приемно-усилительный канал,
2 - аналого-цифровой преобразователь,
3 - цифровой преобразователь выборок сигнала,
4 - формирователь данных,
5 - генератор пикосекундных импульсов,
6 - генератор сигналов тактовой частоты,
7 - генератор меандра частоты преобразования,
8 - формирователь импульсов секунд,
9 - устройство управления,
10 - коаксиальный кабель с нормированной электрической длиной,
11 - делитель частоты,
12 - формирователь пакетов выборок сигнала,
13 - сумматор пакетов выборок,
14 - дискретный преобразователь Фурье,
15 - линеаризатор фазового спектра.
ГПСИ, приемно-усилительный канал, АЦП, цифровой преобразователь выборок и формирователь данных соединены последовательно. Выход ГСТЧ соединен с тактовыми входами АЦП и генератора меандра, выход которого соединен с тактовыми входами цифрового преобразователя выборок, формирователя данных, формирователя импульсов секунд, формирователя пакетов выборок и сумматора пакетов выборок, а также со входом делителя частоты. Выход делителя частоты соединен со входом запуска ГПСИ через коаксиальный кабель с нормированной электрической длиной. Выход формирователя импульсов секунд соединен со входами синхронизации формирователя данных и сумматора пакетов выборок. Между выходом АЦП и входом устройства управления включены последовательно соединенные формирователь пакетов выборок, сумматор пакетов, дискретный преобразователь Фурье и линеаризатор спектра.
и
i
и
i
i
d
и
d
и
d
и
i
Заявленное устройство работает следующим образом. Входной шумовой сигнал преобразуется в выходной поток данных также как и в прототипе. При введении на вход приемно-усилительного канала 1 пикосекундных импульсов с частотой следования F=1 МГц в нем возбуждаются когерентные гармонические пилот-сигналы Ucos(2πiFt), где i - порядковые номера гармоник, U - их амплитуды; t - время. Пилот-сигналы, вместе с поступающим на вход канала шумовым сигналом, в АЦП преобразуются в последовательность цифровых выборок u с частотой F. Они представляют собой выборки аддитивной смеси шумового сигнала и суммы N/2 пилот-сигналов, частоты которых iF попали в так называемую зону Найквиста, то есть в полосу частот, шириной F/2. Формирователь пакетов выборок 12 на каждом интервале времени 1/F, равном периоду следования пикосекундных импульсов 1 мкс, формирует пакет из N=F/F=1024 выборок u. В этом пакете вместе с шумовым сигналом содержится только один пикосекундный импульс в виде суммы N/2 пилот-сигналов:
6
0
0
d
Здесь θ* - величина задержки пикосекундного импульса относительно момента начала формирования очередного пакета из N выборок. При появлении на выходе формирователя 8 очередного импульса секунд 1PPS (one pulse per second) начинает работу сумматор пакетов 13. В нем суммирование начинается с того пакета, формирование которого по времени совпало с приходом импульса 1PPS, и в течение каждой секунды усредняются М=10 указанных пакетов выборок, то есть М периодов следования пикосекундных импульсов. При этом мощность шумового сигнала уменьшается в М раз, что позволяет выделить пикосекундный импульс в виде N=1024 отсчетов во временной области дискретной функции y(k-k), где k - номер отсчета, а k=θ*F. Дискретное преобразование Фурье этой функции позволяет получить ее комплексный спектр:
i
и
i
i
i
i
i
i
0
ф
ф
и
то есть для частот F=iF, при - N/2≤i≤N/2-1, определяются N значений A амплитуд и N значений ψ фаз гармонических пилот-сигналов, прошедших через приемно-усилительный канал и АЦП. Поскольку все пилот-сигналы на входе приемно-усилительного канала имеют одинаковую фазу в момент ввода пикосекундного импульса, по кривой зависимости фаз ψ выделенных гармонических сигналов от соответствующих частот F можно судить о фазочастотной характеристике приемно-усилительного канала от входа РПУ до АЦП. Линеаризируя по методу наименьших средних квадратов зависимость ψ(F), получаем линейную функцию вида ψ(F)=ψ-bF, в которой коэффициент -b=dψ/dF дает оценку групповой задержки θ*=b/(2π). Эта оценка поступает на устройство управления 9 и по запросу передается в компьютер радиотелескопа. Задержка θ* вычисляется относительно моментов времени, соответствующих началу формирования каждого из пакетов выборок. Они могут быть смещены относительно моментов ввода в приемный канал пикосекундных импульсов на некоторое время θ, так как пикосекундные импульсы и импульсы меандра частоты преобразования формируются независимыми устройствами, хотя они на радиотелескопе обычно синхронизируются по частоте одним и тем же опорным сигналом с частотой 100 МГц. Указанное время θ является строго фиксированным и может быть заранее определено, так как ГПСИ через делитель частоты до F=1 МГц и коаксиальный кабель нормированной длины запускается теми же импульсами, что и формирователь пакетов выборок 12.
Искомая групповая задержка сигнала в приемно-регистрирующем канале от входа РПУ до формирователя данных вычисляется в компьютере радиотелескопа по формуле
ф
ц
θ=θ*+θ+θ,
ц
где θ - задержка сигнала в цифровом преобразователе 3, которая определяется заранее при реализации цифрового преобразователя выборок в виде конфигурации на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), является одинаковой и неизменной для всех каналов. В многоканальных радиоинтерферометрах, используя вычисленные во всех каналах значения задержек θ, можно выравнивать групповые задержки сигналов в каналах для обеспечения синтеза полосы частот.
Предлагаемое устройство может быть реализовано следующим образом. ГПСИ 5 входит в состав штатного оборудования радиотелескопа и обычно реализуется на диоде с накоплением заряда (ДНЗ) и стандартных электронных компонентах, как описано, например, в статье А.В. Вытнов, Д.В. Иванов, А.П. Миляев «Генератор пикосекундных импульсов системы фазовой калибровки РСДБ-комплекса «Квазар-КВО», Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2006. - Вып. 15. - С. 130-139. Приемно-усилительный канал 1 является частью обычной многоканальной приемной системы радиотелескопа, которая реализуется на интегрально-гибридных микросборках усилителей, преобразователей частот и гетеродинов, как описано, например, в статье Д.В. Иванов, В.В. Мардышкин, А.С. Лавров, А.А. Евстигнеев «Трехдиапазонная приемная система для радиотелескопов с малыми антеннами», Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2013. - Вып. 27. - С. 197-203.
ГСТЧ 6, генератор меандра 7 и АЦП 2 реализованы так же, как и в прототипе. ГСТЧ - на микросхемах автогенератора UMX-153-D16 фирмы Universal Microwave Corporation и фазовой автоподстройки частоты ADF4106BCP фирмы Analog Device. Генератор меандра - в виде делителя частоты Si 53311 фирмы Silicon Labs. АЦП - на микросхеме ADC81500 фирмы Texas Instruments. Цифровой преобразователь выборок 3, формирователь данных 4, формирователь импульсов секунд 8 и устройство управления 9 тоже не отличаются от описанных в прототипе и реализуются на ПЛИС XC6SLX100T Spartan-6 фирмы Xilinx.
Делитель частоты 11 реализован на микросхемах Si 53311 фирмы Silicon Labs. Коаксиальный кабель 10 реализован на кабеле нормированной длины EZ 250 TP M17 фирмы Huber + Suhner. Формирователь пакетов выборок 12, сумматор пакетов 13, дискретный преобразователь Фурье 14 и линеаризатор фазового спектра 15 реализованы в конфигурации дополнительной ПЛИС XC7K32T Kintex-7 фирмы Xilinx.
По заявленному устройству изготовлены и испытаны в лабораторных условиях и на радиоинтерферометре комплекса «Квазар-КВО» два опытных образца.