СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к радиоастрономической аппаратуре и может использоваться на радиотелескопах, проводящих исследования методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), например, на радиотелескопах РТ-13, входящих в РСДБ-комплекс «Квазар-М» или на радиотелескопах РТ-32 РСДБ-комплекса «Квазар-КВО».
r,
s
r
s
r
s
На радиотелескопах, которые в составе РСДБ-сетей проводят наиболее точные координатно-временные измерения, используются многоканальные системы преобразования и регистрации широкополосных сигналов, которые содержат приемник радиосигналов с очень широкой полосой частот Внесколько перестраиваемых по частоте преобразователей частот с полосами пропускания B<<B, цифровые каналы преобразования сигналов с полосами B и формирователи потоков для передачи их в центр корреляционной обработки. В настоящее время на большинстве зарубежных и отечественных радиотелескопов, в том числе на радиотелескопах РТ-32 РСДБ-комплекса «Квазар-КВО», сигналы сверхвысоких частот (СВЧ) принимаются в полосе В=0,9 ГГц, внутри которой с помощью видеоконверторов выделяются сигналы с полосами частот B≤16 МГц, преобразуются к видеочастотам (≤16 МГц), оцифровываются, квантуются по амплитуде, форматируются и передаются далее в центр корреляционной обработки. См., например, С.А. Гренков, Н.Е. Кольцов, Е.В. Носов, Л.В. Федотов «Цифровая радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов», Приборы и техника эксперимента, 2010, №5, с. 60-66.
При создании радиотелескопов для перспективных РСДБ-комплексов имеют место три тенденции:
s
1. Увеличение полосы пропускания каналов B до 512 МГц или даже до 1024 МГц, что позволяет существенно повысить чувствительность радиоинтерферометра и перейти от радиотелескопов с антеннами большого диаметра к радиотелескопам с быстроповоротными антеннами малого диаметра (13 м и менее).
r
2. Расширение полосы приема В до нескольких ГГц (вплоть до 10 и более ГГц) с целью повышения точности определения интерферометрических задержек сигналов и, соответственно точности проводимых РСДБ-измерений.
3. Микроминиатюризация аппаратуры преобразования и форматирования сигналов, размещение ее непосредственно на антенне рядом с широкополосным приемным устройством, а также передача получаемых на выходе системы цифровых потоков данных по волоконно-оптическим линиям непосредственно с антенны, что повышает надежность, помехозащищенность и стабильность параметров системы преобразования и регистрации сигналов.
r
s
Примером такой перспективной системы может служить приемно-регистрирующая система радиотелескопа РТ-13 (см. Л.В. Федотов, Н.Е. Кольцов, Е.В. Носов, С.А. Гренков «Цифровая система преобразования сигналов для астрономических радиоинтерферометров с небольшими антеннами», Приборы и техника эксперимента, 2011, №6, с. 21-26, а также патент РФ на полезную модель 122810 «Система преобразования и регистрации сигналов для радиоастрономического интерферометра», кл. H03D 7/00, опубл. 10.12.2012). Эта система принимает сигналы в полосе В, шириной 12-13 ГГц, в которой с помощью перестраиваемых СВЧ преобразователей частот выделяются участки спектра сигнала и преобразуются к базовой полосе B=512 МГц. Сигналы с такими полосами частот цифровым способом преобразуются, форматируются и передаются по волоконно-оптическим линиям (ВОЛП).
s
r
s
Smax
Dmax
s
Smax
Dmax
D
D
s
s
D
s
D
s
Ширина полосы частот регистрируемого сигнала B и общая ширина полосы частот В, в которой выделяются сигналы с полосой B, ограничены параметрами используемых в каналах системы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а именно максимально допустимой частотой сигнала на входе АЦП ƒ и максимальной допустимой тактовой частотой дискретизации сигнала в АЦП ƒ, которая определяет предельное значение ширины полосы частот регистрируемого сигнала B. Для лучших современных АЦП ƒ достигает 5 ГГц, а ƒ≈3 ГГц (например АЦП типа EV10AS152A фирмы e2v). В современных системах преобразования и регистрации широкополосных сигналов обычно используются тактовые частоты ƒ=1024 МГц или ƒ=2048 МГц, что обеспечивает регистрацию цифровых сигналов с полосами B до 512 МГц или до 1024 МГц соответственно, так как B≤0,5 ƒ. Если необходимо регистрировать сравнительно узкополосные сигналы, например видеосигналы с полосой частот B, применяются более низкие тактовые частоты (например, ƒ=32 МГц при В=16 МГц).
r
s
D
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели системой (прототипом) является приемно-регистрирующая система радиотелескопа РТ-13, описание которой дано в статье: Л.В. Федотов, Н.Е. Кольцов, Д.А. Маршалов, Е.В. Носов «Система преобразования сигналов S/X диапазона волн для радиоинтерферометра оперативного мониторинга Всемирного времени», Приборы и техника эксперимента, 2014, №3, с. 101-108. Указанная приемно-регистрирующая система содержит облучающую систему антенны и малошумящий усилитель со сверхширокой полосой частот В для приема шумового СВЧ радиосигнала заданной поляризации волн в заданном диапазоне, делитель мощности широкополосного сигнала, несколько независимо перестраиваемых преобразователей частот с полосами пропускания B, каналы цифрового преобразования сигналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные АЦП, работающий с тактовой частотой ƒ=1024 МГц, цифровой 2-битный квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала, формирователь потока данных по стандарту VDIF, а затем 10G Ethernet с выходом на ВОЛП для передачи данных на сервер радиотелескопа и далее в центр корреляционной обработки. Достаточно подробное описание приемной системы радиотелескопа РТ-13 с преобразователями частот сигналов СВЧ дано в статье: Д.В. Иванов, В.В. Мардышкин, А.С.Лавров, А.А. Евстигнеев «Трехдиапазонная приемная система радиотелескопов с малыми антеннами», Труды Института прикладной астрономии РАН, 2013, вып. 27, с. 197-203. Подробное описание каналов цифрового преобразования сигналов имеется в патентах на полезные модели РФ: 130463 «Широкополосный канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра» кл. H03D 7/00, опубл. 20.07.2013, 156823 «Канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра» кл. H03D 7/00, опубл. 20.11.2015 и 166692 «Приемно-регистрирующий канал радиотелескопа» кл. H03D 7/00, G01R 31/28, G01R 23/16, Н04В 17/21, опубл. 10.12.2016.
D
В этой размещаемой на антенне радиотелескопа системе входной широкополосный СВЧ сигнал от облучателя антенны в заданном диапазоне длин волн усиливается малошумящим усилителем приемной системы и разветвляется с помощью многоканального делителя мощности между несколькими преобразователями частот. После переноса спектра сигнала в область промежуточных частот он поступает на вход соответствующего канала цифрового преобразования сигналов, где с помощью АЦП преобразуется в цифровой код. Коды выборок сигнала затем обрабатываются в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). В ней осуществляется цифровое 2-битное квантование амплитуд выборок и формирование выходного потока данных. При этом в ПЛИС параллельно обрабатываются m выборок сигнала, а процесс обработки также как и процесс дискретизации шумового сигнала в АЦП синхронизованы от одного и того же генератора импульсов тактовой частоты ƒ. Из этих же импульсов путем деления частоты формируются секундные импульсы меток времени. Передний фронт секундного импульса начальной метки соответствует моменту формирования начальной выборки сигнала в АЦП, так как указанные импульсы задерживаются для компенсации конечного времени обработки выборок в ПЛИС. По этому фронту первые m квантованных выборок считываются из выходного регистра m-разрядного квантователя в виде начального слова начального кадра потока данных в формате VDIF, а в заголовок кадра вводится код времени, соответствующий началу обработки сигналов в данном канале (см. Whitney Alan, Kettenis Mark, Phillips Chris, Sekido Mamoru. VLBI Data Interchange Format (VDIF). IVS 2010 General Meeting Proceeding. Australia, Hobart, 2010, p. 192-196). Через одну секунду при появлении следующего импульса метки времени процесс повторяется - формируются слова и кадры, в которые упакованы коды выборок, взятых в АЦП на следующем секундном интервале времени. Таким образом, в каждом канале системы формируется поток данных, который после преобразования в стандарте Ethernet направляется в ВОЛП. Единый для всех каналов генератор импульсов тактовой частоты и формирователь секундных импульсов меток времени синхронизируются от системы частотно-временной синхронизации радиотелескопа.
Наличие в приемно-регистрирующей системе радиотелескопа нескольких преобразователей частот с перестраиваемыми гетеродинами ведет не только к существенному увеличению габаритов и массы аппаратуры, снижению ее надежности, но и к неидентичности групповых задержек и фазовых сдвигов сигналов в каналах системы от облучателя антенны до АЦП, неизбежным искажениям сигналов при преобразовании частоты. Это негативно влияет на точность результатов при корреляционной обработке данных.
Кроме того, в известной системе (прототипе) каждый канал цифрового преобразования сигналов содержит свой формирователь потока данных с форматером VDIF и отдельную волоконно-оптическую линию для передачи потока данных от размещенной на подвижной антенне системы преобразования сигналов к серверу радиотелескопа, установленному в отдельном наземном помещении, к которому подведены магистральные линии передачи данных в центр корреляционной обработки. При этом коэффициент использования ресурсов высокоскоростных ВОЛП 10G Ethernet очень низкий (по ним передаются данные с информационной скоростью 2048 Мбит/с). Для дальнейшей передачи данных между радиотелескопом и центром корреляционной обработки их приходится переформатировать и уплотнять информационные потоки, поступающие от разных каналов приемно-регистрирующей системы.
s
r
Целью заявляемой полезной модели является обеспечение идентичности каналов преобразования и регистрации сигналов по групповой задержке, а также уменьшение искажений сигналов, повышение надежности и сокращение массо-габаритных характеристик системы за счет исключения из нее преобразователей частот с перестраиваемыми гетеродинами СВЧ, которые выделяют сигналы с полосами B из сверхширокой полосы частот В. Кроме того, целью является повышение эффективности использования высокоскоростного потока данных 10G Ethernet за счет передачи данных от нескольких каналов цифрового преобразования сигналов на сервер радиотелескопа с помощью единственного формирователя потока данных и одной волоконно оптической линии.
D
D
D
r
s
Заявленная цель достигается тем, что в системе преобразования и регистрации широкополосных сигналов, содержащей последовательно соединенные приемник широкополосных сигналов, N-канальный делитель мощности и N каналов цифрового преобразования сигналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные АЦП, соединенный тактирующим входом с генератором импульсов частоты дискретизации ƒ, и квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала, а также формирователь потока данных, соединенный синхронизирующим входом с формирователем импульсов секунд текущего времени, вход синхронизации которого соединен с упомянутым генератором импульсов частоты дискретизации, каждый выход делителя мощности соединен с одним из упомянутых каналов цифрового преобразования сигналов через фильтр с полосой пропускания, не превышающей половину частоты дискретизации ƒ, причем полосы пропускания упомянутых фильтров установлены так, чтобы они находились внутри разных зон Найквиста, разделенных частотами, кратными значению 0,5 ƒ. При наличии в системе N одинаковых каналов цифрового преобразования сигналов обеспечивается перекрытие полосы частот B=N B только за счет фильтров со смещенными по частоте полосами пропускания и использования разных зон Найквиста аналого-цифрового преобразования полосовых сигналов. А введение в систему N-канального дешифратора, через который выходы всех квантователей амплитуд цифровых выборок сигнала каналов соединены с формирователем потока данных, позволяет уменьшить с N до 1 число формирователей потока данных и ВОЛП.
Структурная схема заявляемой полезной модели показана на фиг. 1, где обозначено:
1 - вход широкополосного сигнала, поступающего от антенны радиотелескопа,
r
2 - приемник со сверхширокой полосой пропускания В,
3 - N-канальный делитель мощности,
1
N
s
4…4 - фильтры с полосой пропускания шириной B,
1
N
5…5 - каналы цифрового преобразования сигналов,
6 - аналого-цифровой преобразователь,
7 - квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала,
8 - N-канальный дешифратор кодов выборок сигналов,
9 - формирователь потока данных,
10 - выход на волоконно-оптическую линию передачи данных,
D
11 - генератор импульсов частоты дискретизации ƒ,
12 - формирователь импульсов секунд текущего времени.
r
Приемник 2 широкополосного сигнала с полосой пропускания Всоединен по выходу с N-канальным делителем мощности 3, к каждому выходу которого подключены последовательно соединенные полосовой фильтр 4, АЦП 6 и квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала 7. АЦП и квантователь составляют канал цифрового преобразования сигналов 5. Система содержит N таких каналов. Тактирующие входы всех АЦП 6 соединены с генератором 11 импульсов частоты дискретизации сигналов. К выходу упомянутого генератора 11 также подключен формирователь импульсов секунд текущего времени 12 своим синхронизирующим входом. Выход формирователя 12 соединен с синхронизирующим входом формирователя потока данных 9. Выходы всех квантователей 7 через N-канальный дешифратор 8 соединены с информационным входом формирователя потока данных 9, к выходу 10 которого подключается ВОЛП.
r
r
r
s
r
D
1
N
D
1
N
s
D
r
Приемник 2 в диапазоне частот ниже 5 ГГц, где могут работать АЦП 6, включает в себя только облучатель антенны и малошумящий усилитель с полосой пропускания В. На более высоких частотах добавляется транспонатор спектра с полосой пропускания В, который переносит спектр принимаемого СВЧ сигнала в область частот ниже 5 ГГц. В любом случае сохраняется сверхширокая полоса частот принимаемого сигнала, определяемая сквозной полосой пропускания В приемника. Так на радиотелескопах РТ-32 сигнал в полосе приема 8,2-9,1 ГГц транспонируется в область 0,1-1 ГГц, где и разделяется на каналы преобразования и регистрации сигналов с полосами частот B≤16 МГц. Облучатели и малошумящие усилители радиотелескопа РТ-13 обеспечивают прием сигналов в полосе частот шириной В=2 ГГц (частоты от 7 до 9 ГГц). Этот сигнал удобно транспонировать в полосу 0,5-2,5 ГГц, где работают высокоскоростные АЦП. Для полного перекрытия этой полосы при ƒ=1024 МГц необходимо 4 канала преобразования сигналов. При этом полосы пропускания фильтров 4…4 должны быть смещены одна относительно другой на 0,5 ƒ=512 МГц, в результате чего в каналах 5…5 будут регистрироваться сигналы в смежных полосах частот шириной B=512 МГц, а АЦП 6 будут работать в разных зонах Найквиста (от 2-й до 5-й включительно). При ƒ=2048 МГц для перекрытия полосы частот В=2 ГГц достаточно двух каналов преобразования сигналов, работающих в 1-й и 2-й зонах Найквиста.
s
D
s
D
D
В каждом фильтре 4 при приеме сигналов сантиметрового диапазона длин волн, где относительно мало радиопомех, целесообразно устанавливать полосу пропускания равной ширине зоны Найквиста B=0,5 ƒ. В диапазонах дециметровых и метровых волн, где много радиопомех, полосу пропускания фильтров иногда приходится заузить (B<0,5ƒ). Например, в S-диапазоне полоса пропускания частот сужается до 300-350 МГц, хотя канал 5 мог бы при ƒ=1024 МГц обрабатывать сигнал с полосой до 512 МГц.
D
D
1
N
В каждом канале АЦП 6 и 2-битный квантователь 7 работают так же, как в известном прототипе. Шумовой сигнал, ограниченный по полосе фильтром 4, АЦП преобразует в цифровую последовательность с тактовой частотой ƒ. 2-битный квантователь 7 каждые m последовательных цифровых выборок сигнала преобразует в 2m-разрядный цифровой код в соответствии с уровнем сигнала выборки: u<-σ, -σ≤u<0, 0≤u<σ, и u≥σ, где σ - среднеквадратическое значение напряжения шумового сигнала u. Значение σ определяется по выборкам сигнала вычислителем, предусмотренным в структуре квантователя 7. 2m-разрядный код на выходе квантователя обновляется с периодом m/ƒ. Это происходит одновременно во всех N каналах 5…5 и на входе дешифратора 8 присутствует и обновляется с указанным периодом (2Nm)-разрядный код, соответствующий m последовательным выборкам сигнала во всех каналах.
D
D
D
Как и в прототипе процесс цифрового квантования также как и процесс дискретизации шумового сигнала в АЦП 6 синхронизованы от одного и того же генератора 11 импульсов тактовой частоты ƒ. Из этих же импульсов путем деления частоты в формирователе 12 формируются секундные импульсы меток времени. Если бы в системе был только один канал, то по переднему фронту секундного импульса очередной метки времени 2m-разрядный код с выхода квантователя этого канала должен был бы без всякой дешифрации последовательно считываться формирователем 9 в виде начального слова начального кадра потока данных, соответствующего данной метке времени. Скорость сформированного потока данных при этом была бы равна 2ƒ. В N-канальной системе (2Nm)-разрядный код преобразуется в дешифраторе 8 таким образом, что по переднему фронту секундного импульса очередной метки времени в виде начального слова считываются сначала первые выборки из всех N каналов, затем вторые выборки и так далее. Таким образом, на секундном интервале времени между двумя соседними метками в потоке данных, сформированном в формирователе 9, будет столько же слов и столько же выборок сигнала, что и в случае одноканальной системы, но считываются они со скоростью в N раз большей. Скорость сформированного потока данных при этом равна 2Nƒ.
D
При тактовой частоте, например, ƒ=1024 МГц для 4-канальной системы (N=4) скорость сформированного информационного потока составит 2⋅4⋅1024=8192 Мбит/с, что позволяет вместе с сопутствующей информацией в формате VDIF упаковать его в стандартный интерфейс 10G Ethernet и передавать по одной ВОЛП.
Предлагаемые технические решения проверены путем моделирования и подтверждены результатами макетирования в лабораторных условиях. При этом использован такой же, как в прототипе приемник широкополосных сигналов, включающий в себя облучатель, малошумящие усилители и транспонатор спектра СВЧ сигнала в диапазон промежуточных частот 0,5-2,5 ГГц. 4-канальный делитель мощности шумового сигнала этого диапазона частот реализован на основе микросхемы SRSC-4-63 фирмы Mini-Circuits. Каждый из полосовых фильтров реализован в виде последовательного соединения фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, в которых использованы микросхемы фирмы Mini-Circuits (RLP-900+, LFCN-1200, LFCN-1575, LFCN-2250, HFCN-1080, HFCN-1500+, HFCN-1910), дискретные радиоэлементы и согласующие аттенюаторы PAT той же фирмы. Так же, как и в прототипе, каналы цифрового преобразования сигналов реализованы на микросхемах АЦП ADC81500 фирмы Texas Instruments и ПЛИС XS6SLX100T фирмы Xilinx. В генераторе импульсов частоты дискретизации использованы микросхемы автогенератора UMX-153-D16 фирмы Universal Microwave, фазовой автоподстройки частоты ADF4106ВСР фирмы Analog Devices и ПЛИС XS6SLX150. Многоканальный дешифратор, формирователь импульсов секунд текущего времени и формирователь выходного потока данных реализованы на отдельной ПЛИС XS6SLX100T. В качестве электронно-оптического трансивера для передачи данных через интерфейс 10G Ethernet использован стандартный Х2 трансивер FTLX1442E2. Выполнено эскизное проектирование плат, которые позволят модернизировать известную систему (прототип) в соответствии с заявляемой полезной моделью.