СИСТЕМА АНАЛИЗА СПЕКТРОВ УЗКОПОЛОСНЫХ КОСМИЧЕСКИХ РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ

Изобретение относится к радиоастрономии и может быть использовано для приема, регистрации и анализа узкополосных радиосигналов космических источников, например, радиоизлучений в спектральных линиях газовых облаков в космосе.
Для анализа спектров узкополосных космических радиоизлучений применяют радиотелескопы, оснащенные высокочувствительными приемными устройствами (обычно с криогенным охлаждением входных усилителей) и анализаторы спектров принятых сигналов того или иного типа. С методами и аппаратурой анализа можно ознакомиться, например, в следующих работах: Рыжков Н.Ф. «Аппаратурные методы радиоспектроскопии межзвездной среды». Астрофизические исследования. Известия САО АН СССР, т.6., - Л., Наука, 1974; или Зинченко И.И.. «Техника миллиметровой и субмиллиметровой астрономии», http://www.astronet.ru/db/msg/1190067/index.html; или Госачинский И.В., Желенков С.Р. «Цифровой автокорреляционный анализатор спектра». Препринт №96. САО РАН, СПб. 1993; или Benz A.О., Grigis P.C., Hungerbuhler V., Meyer H., Monstein С., Stuber В., Zardet D. «A broadband FFT spectrometer for radio and millimeter astronomy», http://www.astro.phys.ethz.ch/papers/meyerh/FFT_spectrometer.pdf.
Принимаемые радиосигналы космических источников весьма слабые и обычно не видны на фоне более сильного собственного шума радиотелескопа. Поэтому для выделения сигналов и измерения их спектров приходится наблюдать источники и накапливать сигналы достаточно долго (десятки минут и более). Кроме того, необходимо с высокой точностью измерять параметры приемно-усилительного канала, чтобы пересчитать параметры спектра, измеренные на выходе канала, в спектр сигнала, наведенного источником излучения в антенне.
В радиоастрономических системах применялись различные анализаторы спектров, но для исследования узкополосных сигналов чаще всего использовались корреляторы в сочетании с радиометрическими устройствами измерения мощностей. По такому принципу построены, например, системы анализа спектров, представленные в публикациях: Рыжков Н.Ф. «Аппаратурные методы радиоспектроскопии межзвездной среды». Астрофизические исследования. Известия САО АН СССР, т.6., - Л., Наука, 1974; Госачинский И.В., Желенков С.Р. «Цифровой автокорреляционный анализатор спектра». Препринт №96. САО РАН, СПб. 1993. Необходимость применения дополнительных радиометрических каналов измерения мощностей сигналов, потери времени накопления сигнала, связанные с измерением мощностей, и дополнительные потери чувствительности из-за клиппирования шумовых
сигналов, подаваемых на коррелятор, значительно снижают эффективность анализаторов этого типа.
i
В последние годы корреляционные анализаторы стали вытесняться более совершенными цифровыми анализаторами спектров, основанными на быстром преобразовании Фурье (БПФ). Такие анализаторы широко применяются в измерительной технике (смотри, например, «PXI Product guide». Проспект фирмы «National Instruments», 2004). БПФ-спектрометр, анализирующий сигналы в полосе видеочастот F, вырабатывает спектр на дискретных частотах f, разнесенных на заданную величину w (разрешающая способность по частоте). Число дискретных частот в спектре N=F/w.
В радиоастрономии применение БПФ-спектрометров затруднено, так как необходимо не только проводить амплитудную калибровку спектров с высокой точностью, но и выделять сигналы из более сильных собственных шумов радиотелескопа. Вместе с тем решение этих задач при использовании БПФ-анализаторов спектра дает возможность получать высокую разрешающую способность по частоте, гибко менять исходные условия (задачи) анализа, а также исключать дополнительные каналы измерения мощностей и связанные с этими измерениями потери времени накопления сигнала. Примеры применения БПФ-спектрометров для исследования космических радиоизлучений можно найти, например, в заявке на изобретение №2006115184/28 (016507) «Способ измерения энергетического спектра узкополосного космического радиоизлучения», а также в статье «A broadband FFT spectrometer for radio and millimeter astronomy», Benz A.O., Grigis P.C., Hungerbuhler V., Meyer H., Monstein C., Stuber В., Zardet D., http://www.astro.phys.ethz.ch/papers/meyerh/FFT_spectrometer.pdf..
Наиболее близкой по назначению и технической сущности является система анализа узкополосных космических радиосигналов, описанная в заявке на изобретение №2006115184/28 (016507) «Способ измерения энергетического спектра узкополосного космического радиоизлучения».
Известная система содержит антенну, приемно-усилительный канал радиотелескопа, преобразующий принимаемый радиосигнал к видеочастотам, модулируемый генератор шума, подключенный ко входу приемно-усилительного канала через направленный ответвитель, и цифровой БПФ-спектрометр, в состав которого входят аналого-цифровой преобразователь напряжений (АЦП), размещенный на плате PXI-5620, а также компьютер и высокостабильный генератор опорной частоты, размещенные в кассете PXI-8186. К этой кассете подключается интерфейс оператора (монитор, клавиатура и мышь).
В известной системе АЦП считывает аналоговый шумовой сигнал на выходе приемного канала и формирует пакет цифровых выборок сигнала объемом 2N, необходимый для БПФ. Этот пакет далее передается в компьютер, где методом БПФ вычисляется спектр. Таким способом вычисляют поочередно спектры при
включенном и при выключенном генераторе шума, который модулируется напряжением меандра и необходим для амплитудной калибровки параметров приемно-измерительного канала и последующего пересчета спектров на выходе канала к спектрам сигнала в антенне. Спектры сигналов, полученные за время наблюдения источника, усредняются раздельно для разных полупериодов модуляции генератора шума (при введении шумовых импульсов калибровки и без них). По усредненным спектрам компьютер вычисляет спектр шумовых температур (или спектр мощности) сигнала, наведенного в антенне.
сч
выч
сч
выч
1
сч
1
выч
выч
2
выч
-5
-6
В известной системе операции считывания сигнала с помощью АЦП, передачи пакета выборок в компьютер и вычисления спектра методом БПФ выполняются последовательно, причем все вычислительные операции компьютером выполняются также последовательно. На время передачи пакета и вычислений спектра АЦП блокируется. Следовательно, на получение каждой реализации спектра затрачивается время t=t+t, где t - время считывания, необходимого для БПФ вычислений пакета выборок сигнала размером 2N; t - время, затрачиваемое на передачу пакета выборок в компьютер и на БПФ вычисления спектра. Поскольку частота f считывания сигнала устанавливается в 2 раза больше максимальной частоты F сигнала на входе АЦП, время считывания t=2N/f=N/F=1/w определяется заданным интервалом частотного разрешения w. Время вычислений t определяется известной эмпирической формулой t=h(2N)log(2N), где h - коэффициент с размерностью времени (см. например, Blahut R.E. «Fast algoritms for digital signal processing». Addison-Wesley Publishing Company, Inc, 1985). Для современных БПФ-спектрометров, например NI-5620, h≈10-10 сек. При анализе с достаточно хорошим частотным разрешением (N≥100) увеличивается время t, когда АЦП заблокирован и принимаемый сигнал не накапливается. Общее время t получения одной реализации спектра также становится больше. При этом в течение заданного времени T наблюдения сигнала число m=T/t усредняемых реализации спектра будет меньше. Соответственно медленнее убывает остаточный шум на выходе спектрометра и увеличивается выходное отношение сигнал/шум.
Таким образом, известная система, хотя и дает сокращение времени наблюдения источника по сравнению с применявшимися ранее системами, еще не достигает предельных возможностей в части повышения быстродействия системы и не в полной мере реализует потенциальные возможности уменьшения времени наблюдения Т и повышения чувствительности.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение быстродействия системы анализа спектров.
Для достижения этой цели в систему анализа спектров узкополосных космических радиоизлучений, содержащую последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, приемно-усилительный канал и аналого-цифровой преобразователь напряжений, а также модулируемый генератор
шума, соединенный с направленным ответвителем, компьютер и генератор опорной частоты, введены последовательно соединенные основная и дополнительная программируемые логические интегральные схемы и контроллер интерфейса, соединенный с упомянутым компьютером, а также карта памяти, соединенная через системный контроллер с основной программируемой логической интегральной схемой, причем эта логическая схема соединена с упомянутым генератором опорной частоты, с модулирующим входом генератора шума и с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя напряжений.
сч
сч
Введение двух программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), системного контроллера с картой памяти и контроллера интерфейса позволило совместить во времени процесс считывания напряжения сигнала на выходе приемно-усилительного канала и процесс вычисления спектра его мощности, который выполняется основной ПЛИС. За время t, в течение которого АЦП считывает необходимый для БПФ пакет выборок сигнала, основная ПЛИС успевает вычислить спектр по предшествующему пакету и подготовиться к обработке считываемого в данный момент пакета. В результате обеспечивается непрерывный процесс работы АЦП, считывающего выборки сигнала. Повышение быстродействия системы достигается за счет того, что структура основной ПЛИС обеспечивает проведение операций БПФ вычислений по параллельным каналам. При этом удается максимально увеличить число реализации спектра, усредняемых на интервале наблюдения Т. Это число в данном случае равно m=1/t. При этом обеспечивается более высокая точность измерений параметров спектра на заданном интервале наблюдения или уменьшается время наблюдения при заданном уровне точности.
Системный контроллер и карта памяти обеспечивают формирование необходимой конфигурации (архитектуры) основной ПЛИС. Дополнительная ПЛИС в соответствии с исходным заданием на анализ, поступающим от компьютера через контроллер интерфейса, устанавливает в основной ПЛИС коэффициенты деления опорной частоты и тактовую частоту считывания сигнала. Основная ПЛИС, вычисляющая реализации спектра, суммирует их и подсчитывает число реализации. Кроме того, она синхронизирует работу генератора шума, вырабатывая меандр, фронты которого совпадают с моментами окончания циклов вычислений спектра.
Просуммированный на заданном интервале спектр и число m входящих в него реализации спектров через дополнительную ПЛИС и контроллер интерфейса передаются в компьютер, который усредняет спектр мощностей (путем деления просуммированного спектра на число m) и затем вычисляет искомый спектр сигнала в антенне. Спектры, полученные при включенном и отключенном генераторе шума, суммируются и усредняются раздельно.
На рисунке показана блок-схема предлагаемой полезной модели, где обозначено:
1 - антенна;
2 - направленный ответвитель;
3 - приемно-усилительный канал;
4 - модулируемый генератор шума;
5 - аналого-цифровой преобразователь напряжений (АЦП), например AD9218 (10 разрядов) или AD6640 (12 разрядов);
6 - основная программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), например XC4VLX25;
7 - дополнительная программируемая логическая интегральная схема, например XC3S400;
8 - USB2 контроллер интерфейса, например CY7C68013;
9 - компьютер;
10 - системный контроллер, например ХССАСЕ;
11 - системная карта памяти, например SysACECF;
12 - генератор опорной частоты.
синхр
Антенна 1, направленный ответвитель 2, приемно-усилительный канал 3, АЦП 5, основная ПЛИС 6, дополнительная ПЛИС 7, контроллер интерфейса 8 и компьютер 9 соединены последовательно. Управляющий вход АЦП 5 подключен к основной ПЛИС 6. Модулируемый генератор шума 4 подключен ко второму входу направленного ответвителя 2, а его модулирующий вход соединен с основной ПЛИС 6. Карта памяти 11 через системный контроллер 10 соединена с основной ПЛИС 6. Генератор опорной частоты 12 соединен с основной ПЛИС 6. Синхронизирующие входы генератора 12 и гетеродинов приемно-усилительного канала 3 подключены к внешнему генератору высокостабильной опорной частоты f (например, к водородному стандарту частоты).
n
s
При включении электропитания системный контроллер 10 считывает с карты памяти 11 коды, по которым устанавливает конфигурацию основной ПЛИС 6. С компьютера 9 через контроллер интерфейса 8 в дополнительную ПЛИС 7 вводятся исходные данные для анализа спектров - код установки полосы видеочастот F, в которой будут измеряться спектры, и время приема и накопления сигнала Т. В полосе F выделяется участок F, в котором заведомо нет исследуемого сигнала, и участок F, где есть или могут быть спектральные компоненты сигнала.
0
1
1
0
По введенным исходным данным дополнительная ПЛИС 7 устанавливает в основной ПЛИС 6 коэффициенты деления опорной частоты f, поступающей от высокостабильного генератора 12, и определяет тактовую частоту f считывания выборок сигнала, которой управляется АЦП 5. Эта частота устанавливается в 2 раза выше максимальной частоты анализируемого сигнала, т.е. f=2F. При использовании АЦП AD9218, например, можно генератор 12 настроить на частоту f=64 МГц, что позволит анализировать сигналы в полосе до 32 МГц. Частота генератора 12 и частоты гетеродинов приемно-усилительного канала 3
-15
синхронизируются стандартом частоты (например, водородным), что сводит до минимума (до 10) нестабильность частот и обеспечивает возможность анализа спектров сигналов сверхвысоких частот с высокой разрешающей способностью.
По введенным в основную ПЛИС исходным данным определяется также величина w разноса дискретных частот, которая характеризует частотную разрешающую способность и жестко связана с заданной полосой анализа: w=F/N, где N - фиксированное число дискретных частот в полосе анализа. Число N задается конфигурацией основной ПЛИС и ограничено объемом встроенных в нее блоков памяти. Для ПЛИС XC4VLX25, например, можно установить N=2048 или меньше.
c
1
1
1
1
Система, подготовленная к работе указанным образом, вычисляет спектры циклически. С основной ПЛИС 6 на генератор шума 4 подается напряжение логического нуля (лог.0), которое выключает генератор 4. При этом на АЦП 5 воздействует смесь принятого антенной сигнала и собственных шумов радиотелескопа с температурой Т. АЦП 5 с частотой f снимает и передает в основную ПЛИС 6 цифровые выборки сигнала (для AD6640, например, - 12 разрядные). По пакету выборок сигнала, полученному от АЦП 5, основная ПЛИС 6 методом БПФ вычисляет реализацию спектра мощности s(f) и сохраняет ее в своем встроенном блоке памяти В. Последующие реализации спектров, вычисленные при выключенном генераторе шума, также записываются в блок В и суммируются с записанными ранее и хранящимися в нем спектрами. Одновременно фиксируется число m просуммированных реализации спектра.
сч
1
Конфигурация ПЛИС обеспечивает БПФ-вычисления спектров параллельно со считыванием сигнала без дополнительных потерь времени (так называемым конвейерным способом). Время t вычисления одной реализации спектра определяется только временем считывания 2N выборок сигнала и равно t=2N/f=1/w. Для хранения спектров в блоке памяти и при сложении используется формат числа с плавающей точкой.
к
2
2
По окончании вычисления реализации спектра на данном полупериоде модуляции меняется напряжение, подаваемое с основной ПЛИС 6 на генератор шума 4 (лог.0 меняется на лог.1). При этом включается генератор 12 и к смеси принимаемого сигнала и шумов радиотелескопа добавляется шум калибровки с небольшой измеренной предварительно температурой T. Теперь основная ПЛИС 6 вычисляет и суммирует спектры s(f) при включенном генераторе шума, сохраняя их во втором встроенном блоке памяти В. Число m просуммированных реализации спектра здесь такое же, как и при выключенном генераторе шума. По завершению этого полупериода модуляции завершается цикл работы ПЛИС.
1
2
1Σ
2Σ
Далее циклы вычисления и сложения реализации спектров s(f) и s(f) повторяются. Когда достигается заданное время накопления Т просуммированные спектры s(f), s(f) и число суммируемых реализации m
через контроллер интерфейса 8 передается в компьютер 9 с помощью дополнительной ПЛИС 7.
1Σ
2Σ
n
1ш
2ш
i
s
i
1i
2i
si
к
2i
1i
2ш
1ш
2ш
1ш
Просуммированные в течение заданного времени накопления Т реализации спектра s(f) и s(f) компьютером 9 делятся на число реализации спектра m, в результате чего получаются усредненные спектры мощностей. Компьютер 9 из спектров после усреднения для полосы частот F, где нет сигнала, вычисляет средние мощности шумов в элементарном частотном канале шириной w при выключенном ГШ (Р) и при включенном ГШ (P). Для частот f в полосе F, где присутствует сигнал, вычисляются средние мощности шумов в элементарной полосе w около частоты f при отключенном ГШ (P) и при включенном ГШ (Р). По этим 4-м значениям мощностей вычисляются коэффициент усиления приемного канала, шумовая температура радиотелескопа, а затем компоненты спектра шумовых температур исследуемого сигнала, пересчитанные к антенне радиотелескопа: T=0,5T[(P+P)-(P+Р)]/(P-Р). Здесь все вычисления проводятся по тем же формулам, которые применяются в известной системе-прототипе. Наряду со спектром шумовых температур могут вычисляться спектр мощности сигнала в антенне или спектр потока электромагнитной энергии (в янских).
сч
сч
выч
выч
сч
выч
сч
По сравнению с известной системой существенно повышено быстродействие (уменьшено время получения одной реализации спектра), что дает возможность получить и усреднить большее число реализации спектра в течение заданного времени приема и накопления сигнала. В предлагаемой полезной модели каждая реализация спектра вычисляется за время t=t, а в известном устройстве-прототипе за время t=t+t, причем обычно t>t. Таким образом, предлагаемая полезная модель дает сокращение времени приема сигнала в М=(1+t/t) раз по сравнению с известным устройством-прототипом. Во столько же раз увеличивается число m реализации спектра, полученных за время приема и анализа сигнала Т. (или дополнительно уменьшается время Т при одинаковых m).
-6
выч
сч
Для спектрометра NI-5620, используемого в известном устройстве-прототипе h≈3·10 секунд, что при N=2048 дает t=135 мс. Например, при анализе спектра с разрешением w=200 Гц, когда t≈5 мс, выигрыш времени будет М≈28 раз. Если время приема сигнала Т зафиксировано, то в корень квадратный из М раз увеличиваются выходное отношение сигнал/шум, чувствительность системы и точность измерения энергетических параметров спектра. В данном примере эти параметры улучшаются в 5,3 раза.
сч
Предлагаемая полезная модель реализует предельно возможное (потенциальное) быстродействие системы анализа спектра космического излучения, так как считывание и накопление сигнала идет непрерывно (величина t достигла минимума, равного t).
По предложенной схеме в ЗАО "РЭЛТА" был изготовлен экспериментальный образец предлагаемой полезной модели, который был установлен на
32-метровом радиотелескопе в обсерватории "Светлое" и испытан сотрудниками Института прикладной астрономии РАН. Система испытывалась как в лабораторных условиях, так и при реальных наблюдениях космических источников узкополосного радиоизлучения (при наблюдениях радиоизлучений в спектральных линиях). Предлагаемая модель сравнивалась с изготовленным ранее известным устройством-прототипом на базе спектрометра NI-5620.
Полностью подтверждена эффективность предлагаемой системы анализа спектров и возможность сокращения времени наблюдения источника для получения одинаковых отношений сигнал/шум и, соответственно, одинаковой точности измерений амплитуд спектральных компонентов шумовой температуры сигнала. Положительный эффект особенно заметен при анализе слабых источников, когда требовалось большое время наблюдения (десятки минут - часы)
Обе системы анализа (и предлагаемая, и прототип) по эффективности анализа, быстродействию и удобству эксплуатации значительно превосходили применявшиеся ранее системы корреляционного типа, но при этом предлагаемая модель давала дополнительный (по сравнению с прототипом) выигрыш по быстродействию и сокращение времени наблюдения в 10-30 раз (в зависимости от заданных параметров анализа).