ШИРОКОПОЛОСНЫЙ КАНАЛ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ ДЛЯ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к радиоастрономии и предназначена для использования на радиотелескопах, работающих в составе комплексов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), которые обеспечивают наиболее точные угловые, координатно-временные и эфемеридные измерения и широко используются при фундаментальных научных исследованиях и в решении прикладных проблем народного хозяйства, например, координатно-временного обеспечения страны, поддержания глобальной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, дальней космической навигации, предсказания землетрясений и астероидной опасности (см. A.M.Финкельштейн, А.В.Ипатов и С.Г.Смоленцев Радиоинтерферометрическая сеть «Квазар» - научные задачи, техника и будущее // «Земля и Вселенная» №4. 2004. С.12-25; A.M.Финкельштейн и др. Радиоинтерферометрическая сеть «Квазар-КВО» - базовая система координатно-временного обеспечения // Труды ИПА РАН. Вып.13. СПб: «Наука». 2005. С.104-138).
Радиоинтерферометрические системы преобразования сигналов (СПС) подключаются к антенне радиотелескопа и обеспечивают усиление и выделение (фильтрацию) сигналов в заданных полосах частот Δf, преобразование выделенных сигналов в потоки цифровых данных, которые записываются и затем передаются со всех радиотелескопов РСДБ-сети в центр корреляционной обработки данных. В настоящее время для высокоточных РСДБ-измерений применяются радиотелескопы с большими антеннами (например, с 32-метровыми антеннами в комплексе «Квазар-КВО»), что позволяет вести цифровые преобразования сигналов на видеочастотах при полосах Δf≤32 МГц. Такой полосы вполне достаточно для высокой чувствительности радиоинтерферометра на больших антеннах. К наиболее совершенным СПС этого класса относятся многоканальные системы VLBI 4, изготовленные в США (см. Petrachenko W.T. VLBI Data Acquisition and Comparison // Proc. of 2000 General Meeting of International VLBI Service for Geodesy and Astrometry. Germany. 2000. P. 76-89), и СПС российского производства P1000 и Р1002М (см. А.В.Ипатов, Н.Е.Кольцов, Л.В.Федотов Радиоинтерферометрический терминал обсерватории «Бадары» // Приборы и техника эксперимента. 2009. №1. С.52-57) и Р1002М (см. 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).
th
th
В связи с увеличением объема научных исследований и прикладных задач, решаемых методами РСДБ, в развитых странах за рубежом и в России ведутся разработки радиоинтерферометров нового поколения с быстроповоротными антеннами малого диаметра (до 13 м), а для компенсации потерь чувствительности (из-за уменьшения эффективной площади антенн) будут применяться СПС с широкополосными (Δf≈0,5-1 ГГц) каналами цифрового преобразования сигналов. В отличие от действующих радиоинтерферометров на больших антеннах, где данные наблюдений поступают на РСДБ-коррелятор в формате VSI-H, а сопровождающая служебная информация о радиотелескопе, условиях наблюдений, каналов системы и о метеорологических данных передаются отдельным файлом (log-file), в новых радиоинтерферометрах на небольших антеннах должен формироваться поток данных в формате VDIF (VLBI Date Interchange Format), в заголовок которого должна быть включена вся служебная информация (см., например, Alan R. Whitney. Wide-Bandwidth Digital Backend System for VLBI // Proc. of the 18 European VLBI for Geodesy and Astrometry Working Meeting. 12-13 April 2007. Vienna. P.39-44; G. Tuccari, S. Buttaccio, G. Nicotra. DBBC-A Flexible Environment for VLBI and Space Research: Digital Receiver and Back-end System // Proc. of the 18 European VLBI for Geodesy and Astrometry Working Meeting. 12-13 April 2007. Vienna. P. 45-49).
Наиболее близким по назначению и технической сущности устройством (прототипом) является канал системы преобразования сигналов, представленный в патенте на полезную модель №122810 от 31.10.2011 «Система преобразования и регистрации сигналов для радиоастрономического интерферометра».
Канал преобразования сигналов в известной СПС (прототип) содержит тракт усиления и фильтрации поступающих из антенны сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), соединенный управляющими входами с генератором сигналов тактовых частот (ГСТЧ) и с датчиком импульсов секунд, m-канальный демультиплексор, измеритель среднеквадратического отклонения (СКО) выборок сигнала, m-канальный цифровой квантователь сигналов, соединенный с вычислителем СКО, устройство формирования и передачи последовательности квантованных сигналов (данные наблюдений) в устройство буферизации данных для передачи их далее на коррелятор радиоинтерферометра. Канал системы управляется центральным компьютером радиотелескопа через встроенный в канал контроллер управления.
сч
сч
сч
Шумовой сигнал, состоящий из принимаемого сигнала космического источника излучения и собственных шумов радиотелескопа, АЦП преобразует в последовательность цифровых выборок с тактовой частотой F. Эта последовательность распределяется по т каналам квантования, каждый из которых с тактовой частотой F/m формирует 2-битные коды в результате сравнения амплитуд выборок сигнала с предварительно вычисленным значением СКО. Полученные в каналах квантователя коды в виде 2m-битных слов переписываются с тактовой частотой F/m в формирователь последовательного потока данных. Через трансивер сформированный поток данных передается в устройство буферизации данных для последующей отправки по магистральной линии связи (например, волоконно-оптической) в центр корреляционной обработки данных.
Известный канал СПС (прототип) обрабатывает сигналы с широкими (например, 512 МГц) полосами частот и может использоваться в радиоинтерферометрах с небольшими антеннами. Однако известная СПС не обеспечивает полной (без участия человека-оператора) автоматизации процессов РСДБ-наблюдений и корреляционную обработку данных в формате VDIF. Этот недостаток связан в первую очередь с тем, что выходной поток данных, поступающих с каналов известной системы, содержат только сформатированные данные результатов наблюдений, а необходимая сопутствующая служебная информация (данные о радиотелескопе, параметрах и условиях наблюдений, метеорологических условиях и др.) накапливается в управляющем компьютере радиотелескопа и передается отдельно (log-file) подобно тому, как работают действующие радиоинтерферометры в формате VSI-H (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).
mах
max
max
max
Кроме того, в течение сеанса РСДБ-наблюдений из-за перестройки антенны с одного космического источника излучения на другой и изменения ее ориентации относительно поверхности Земли могут значительно (до 2-3 раз) изменяться собственные шумы радиотелескопа. При этом нарушается оптимальный режим работы АЦП и, как следствие, может быть недопустимо большим снижение чувствительности из-за ограничения входных сигналов (при переполнении АЦП) или из-за роста шумов квантования при неполном использовании рабочего диапазона входных напряжений АЦП. Чтобы избежать таких потерь чувствительности радиотелескопа, оператору приходится отслеживать уровни сигналов и корректировать режимы работы канала в процессе сеанса наблюдений, поддерживая СКО σ входного шумового сигнала примерно равным ΔU/6, где ΔU - допустимый полный размах напряжения на входе АЦП (от -Uдо +U).
В течение сеанса РСДБ-наблюдений из-за изменений теплового режима работы АЦП и нестабильностей опорных напряжений возможно смещение нулевого уровня цифровых выборок сигнала, считанных АЦП. Это приводит к ошибкам вычисления СКО σ и, соответственно, к смещению порогов двухбитного цифрового квантования сигналов, что также является одной из причин снижения чувствительности радиоинтерферометра. Поэтому оператору приходится периодически контролировать качество работы канала (например, методом подсчета на компьютере числа пересечений квантуемым сигналом пороговых уровней -σ, 0 и +σ) и допускать повышенные аппаратурные потери чувствительности.
Другой недостаток известного канала СПС состоит в том, что точная привязка данных наблюдений к единой шкале времени радиотелескопа достигается только при использовании таких АЦП, которые имеют встроенное устройство блокирования и запуска от внешних импульсов секунд. Микросхему АЦП со встроенным устройством блокирования и запуска нетрудно подобрать для канала СПС, работающего на частотах ниже 1 ГГц, но на частотах выше 1 ГГц таких АЦП очень мало и они не всегда соответствуют другим требованиям - наличию встроенных демультиплексоров и делителей тактовой частоты, разрядности, диапазону входных напряжений. Большинство микросхем АЦП, работающих в диапазоне частот от 1 ГГц до 2-2,5 ГГц, который соответствует диапазону выходных промежуточных частот разрабатываемых приемных устройств для перспективных радиоинтерферометров, не имеют блокирующего входа.
Целью заявляемой полезной модели является обеспечение возможности полной автоматизации процесса РСДБ-наблюдений.
Дополнительной целью является обеспечение привязки сформатированных данных наблюдений к единой шкале времени радиотелескопа при отсутствии у АЦП встроенных устройств блокирования и запуска.
Основная цель достигается тем, что в широкополосный канал преобразования сигналов, содержащий последовательно соединенные входной приемно-усилительный тракт, аналого-цифровой преобразователь сигналов, распределитель цифровых выборок сигнала, m-канальный амплитудный квантователь выборок, формирователь кадров наблюдаемых данных и устройство формирования и передачи выходного потока данных с таймером, а также контроллер управления, соединенный с компьютером радиотелескопа, синхронизатор импульсов секунд, подключенный к первичному датчику времени радиотелескопа, вычислитель СКО выборок сигнала, соединенный с распределителем выборок, с m-канальным амплитудным квантователем и с контроллером управления, и генератор сигналов тактовых частот, соединенный с аналого-цифровым преобразователем и с распределителем выборок сигнала, введены формирователь служебной информации, соединенный с формирователем кадров наблюдаемых данных и с контроллером управления, счетчик импульсов переполнения, соединенный с распределителем выборок сигнала и с контроллером управления, и вычислитель среднего значения выборок, соединенный с распределителем выборок и со входом коррекции нуля аналого-цифрового преобразователя, причем контроллер управления соединен с элементом регулировки усиления приемно-усилительного тракта.
Такой канал исключает необходимость участия человека-оператора в процессе РСДБ-наблюдений и обеспечивает полную автоматизацию радиоинтерферометра. Служебная информация, поступающая из компьютера радиотелескопа через контроллер управления каналом, форматируется и вводится в качестве заголовка в формат данных стандарта VDIF, а затем вместе с данными наблюдений передается на РСДБ-коррелятор. При этом автоматически поддерживается оптимальный режим работы АЦП, при котором потери чувствительности радиоинтерферометра минимальны. Перед наблюдением каждого источника излучения подсчитывается относительное число (процент) переполнений кодов выборок сигнала и результат передается на управляющий компьютер. Если относительное число переполнений выходит за допустимые пределы (например 0,001-0,003), компьютер через контроллер управления каналом дает команду на подстройку элемента регулировки усиления (аттенюатор) в приемно-усилительном канале.
ср
Одновременно вычисляется среднее значение напряжения U выборок сигнала и, если результат отличается от 0 более допустимого значения, равного шагу коррекции для данного конкретного АЦП (например, 0,1 шага квантования сигналов в АЦП), формируется код подстройки нулевого уровня в АЦП. Указанные подстройки проводятся перед наблюдением каждого источника. После подстройки канал преобразует принимаемый от источника излучения сигнал в оптимальном режиме (с минимальными аппаратурными потерями чувствительности).
Дополнительная цель достигается тем, что между синхронизатором импульсов секунд и таймером формирователя кадров наблюдаемых данных, установлено устройство задержки импульсов. Синхронизатор импульсов секунд, запускаемый импульсами от первичного датчика времени (например, от приемника системы GPS/ГЛОНАСС) совмещает импульсы секунд по фронтам с меандром тактовой частоты, с которой работают квантователи сигналов и формирователь кадров данных наблюдений, т.е. формирует стабильные импульсы меток времени, называемые обычно сигналом 1PPS (One pulse per second). Каждый импульс 1PPS задерживается на время, равное времени, затрачиваемому на прохождение выборки сигнала от АЦП до выхода формирователя кадров данных, вследствие чего на такое же время смещается и шкала времени таймера в форматере данных наблюдений. В результате в начальный бит потока данных в формате VDIF попадает выборка сигнала, появившаяся в момент поступления импульса очередной секунды. Благодаря этому данные наблюдений в формате VDIF оказываются однозначно определенными на единой шкале времени радиотелескопа, что необходимо для правильного определения задержек принимаемого сигнала на базе радиоинтерферометра.
На рисунке показана блок-схема заявленной полезной модели, где обозначено:
1 - канал преобразования сигналов;
2 - входной приемно-усилительный тракт;
3 - элемент регулировки усиления (аттенюатор);
4 - аналого-цифровой преобразователь сигналов (АЦП);
5 - m-канальный распределитель цифровых выборок сигнала;
6 - m-канальный амплитудный квантователь цифровых выборок;
7 - формирователь кадров наблюдаемых данных;
8 - устройство формирования и передачи выходного потока данных;
9 - формирователь служебной информации;
10 - контроллер управления каналом;
11 - счетчик импульсов переполнения АЦП;
12 - вычислитель среднего значения выборок сигнала;
13 - синхронизатор импульсов секунд (сигналов 1PPS);
14 - устройство задержки импульсов секунд;
15 - таймер канала;
16 - генератор сигналов тактовых частот (ГСТЧ);
17 - первичный датчик шкалы времени радиотелескопа (например, приемник спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС);
18 - компьютер управления радиотелескопом;
19 - вычислитель среднеквадратического отклонения о выборок сигнала.
Входной приемно-усилительный тракт 2, АЦП 4, распределитель выборок 5, амплитудный квантователь выборок 6, формирователь кадров наблюдаемых данных 7 и устройство формирования и передачи выходного потока данных 8 соединены последовательно. Вход тракта 2 является входом канала 1, а выход устройства 8 - выходом канала. К выходу распределителя выборок 5 подключены вычислитель СКО 19, соединенный также с m-канальным квантователем 6 и с контроллером управления 10, счетчик импульсов переполнения 11, соединенный выходом с контроллером 10, и вычислитель среднего значения выборок 12, соединенный выходом с АЦП 4 по входу коррекции нулевого уровня кодов выборок. Тактирующие входы АЦП 4 и распределителя выборок 5 подключены к выходу ГСТЧ 16. Другой выход ГСТЧ 16 соединен с тактирующим входом амплитудного квантователя 6 и с синхронизатором импульсов секунд 13, который другим входом соединен с первичным датчиком шкалы времени радиотелескопа 17. К выходу синхронизатора 13 подключено устройство задержки 14, выход которого соединен с таймером 15 формирователя кадров данных 7. С формирователем 7 соединен также формирователь служебной информации 9, соединенный с контроллером управления 10. Контроллер 10 соединен также с компьютером управления радиотелескопом 18 и с элементом регулировки усиления (аттенюатором) 3 в тракте 2.
Заявленное устройство работает следующим образом. АЦП 4, с тактовой частотой F, получаемой от ГСТЧ 16, преобразует усиленный входной шумовой сигнал в n-битные коды цифровых выборок сигнала, которые содержат 1 бит знака напряжения, n-2 бит амплитуды напряжения и 1 бит переполнения АЦП. Коды выборок сигнала через распределитель 5 поступают в вычислитель СКО 19 и в m-канальный амплитудный квантователь 6, который с тактовой частотой F/m, формирует 2m-битные слова, соответствующие 2-битному амплитудному квантованию напряжения сигнала по пороговым уровням U<-σ, -σ≤U<0, 0≤U<σ и σ≤U, где σ -вычисленное значение СКО. В этой части заявленное устройство работает так же как известное устройство (прототип). Полученные 2m-битные слова переписываются в формирователь кадров наблюдаемых данных 7, который работает в формате VDIF, рекомендуемом для перспективных радиоинтерферометров со сверхдлинными базами.
Формирователь 7 запускается встроенным в него таймером 15 при получении импульса метки времени (сигнала 1PPS), который формируется синхронизатором импульсов секунд 13 и задерживается устройством 14 на время, равное прохождению выборки сигнала от входа АЦП 4 до выхода формирователя 7.
Благодаря этому первые два бита начального слова начального кадра данных будут относиться к цифровой выборке, считанной АЦП 4 в момент появления импульса секунд 1PPS. Это обеспечивает жесткую и однозначную привязку данных к шкале времени радиотелескопа.
Параллельно в формирователе 9 формируется заголовок кадра данных, содержащий служебную информацию, поступающую из компьютера радиотелескопа 18 через контроллер 10. Сформированные служебные данные передаются в формирователь 7, где вводятся в заголовок кадра данных в формате VDIF. Сформированные кадры формата VDIF устройством 8 преобразуются в последовательный поток данных и передаются в устройство буферизации данных на радиотелескопе для последующей трансляции их в центр корреляционной обработки.
cp
Цифровые выборки сигнала распределителем 5 передаются также в вычислитель среднего значения U цифровых выборок сигнала и в счетчик 11 переполнений АЦП. Счетчик 11 подсчитывает долю (процент) переполнений в общей совокупности выборок за установленное время и передает результат в контроллер 10. Если доля переполнений выходит за установленные пределы (например 0.001-0,003), то контроллер 10 выдает код подстройки аттенюатора 3 в усилительном тракте 2, обеспечивая тем самым оптимальный уровень шумового сигнала на входе АЦП 4.
ср
cp
Вычислитель среднего значения U цифровых выборок 12 в случае отклонений U от нуля больше допустимого значения (например, больше 0,1 цены младшего разряда кода напряжения) вырабатывает команду для смещения нулевого уровня АЦП 4, исключая тем самым, ошибки в вычислении СКО σ и, соответственно, обеспечивая высокое качество амплитудного квантования сигналов в устройстве 6.
Все регулировки проводятся автоматически по заданной программе.
Устройство может быть реализовано на микросхемах АЦП (например, ADC081500 фирмы National Semiconductor), программируемых логических интегральных схемах (например, XC6SLX100T, Spartan-6 или ХС7К32Т, Kintex-7 Xilinx) и других микросхемах широкого применения. Входной усилительный тракт 2 и ГСТЧ 16 можно изготовить в виде интегрально-гибридных микросборок.
По заявленному устройству изготовлены и испытаны в лаборатории и на радиотелескопах РТ-32 два экспериментальных образца. Начата разработка опытных образцов.