СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ ДЛЯ РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к радиоастрономии и предназначено для использования на радиотелескопах, работающих в составе комплексов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Комплексы РСДБ, например, «Квазар-КВО», обеспечивают наиболее точные координатно-временные и эфемеридные измерения и широко используются при фундаментальных научных исследованиях в интересах астрометрии, геодезии, эфемеридной астрономии и других фундаментальных наук, а также в решении многих прикладных проблем - координатно-временного обеспечения страны, поддержания глобальной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС, дальней космической навигации, предсказания землетрясений и астероидной опасности и др. (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).
Важнейшей частью оборудования РСДБ-радиотелескопа являются радиоинтерферометрические системы преобразования сигналов (СПС), которые выделяют сигналы в заданных участках диапазона частот, преобразуют их к видеочастотам (до 16 или до 32 МГц), фильтруют и преобразуют в цифровые потоки импульсов, которые записываются и затем передаются со всех радиотелескопов РСДБ-сети в центр корреляционной обработки (ЦКО) данных РСДБ-наблюдений. В настоящее время на радиотелескопах высокоточных РСДБ-сетей применяются многоканальные СПС, которые содержат от 8 до 16 видеоконверторов (каналов СПС). В таких СПС принимаемые от космических источников широкополосные шумовые сигналы распределяются по видеоконверторам вместе с собственными шумами приемной системы радиотелескопа. В видеоконверторе шумовой сигнал переносится в полосу видеочастот (обычно 8, 16 или 32 МГц), причем фазовым методом разделяются сигналы верхней и нижней боковых частот. Далее шумовые сигналы фильтруются и квантуются по амплитуде (преобразуются в бинарные импульсные потоки, соответствующие заданным пороговым уровням квантования). Полученные квантованные сигналы записываются (например, на жесткие магнитные диски) и передаются в ЦКО.
К наиболее современным СПС относятся 8- и 14-канальные системы VLBI 4 и Mark IV DAS, 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), а также СПС российского производства PI ООО (см., А.В.Ипатов, Н.Е.Кольцов, Л.В.Федотов Радиоинтерферометрический терминал обсерватории «Бадары» // Приборы и техника эксперимента. 2009. №1.) 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).
-26
2
th
th
У всех этих СПС полоса частот регистрируемых сигналов ограничена полосой пропускания устройств фазового разделения сигналов боковых полос и фильтров видеоконвертора. Поэтому такие СПС применяются в основном на радиотелескопах с антеннами достаточно большого диаметра (как правило, от 22 м до 70 м), что позволяет при ограниченном времени приема и регистрации сигнала получать корреляционные отклики требуемого качества от весьма удаленных от Земли опорных космических источников (спектральные плотности потока мощности принимаемого радиосигнала около (0,5-1)-10 Вт/м·Гц). В перспективных РСДБ-сетях, на радиотелескопах с быстороповоротными антеннами малого диаметра (6-13 м) СПС с видеоконверторами не обеспечивают необходимую чувствительность радиоинтерферометров. Здесь необходимы СПС, регистрирующие сигналы с широкими (сотни МГц) полосами спектра (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 близкой по назначению и технической сущности системой (прототипом) является СПС Р1002М, которая, в отличие от других систем, содержит видеоконверторы с цифровым преобразованием сигналов (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).
Система Р1002М подключается к выходам промежуточных частот (ПЧ) радиоастрономических приемников и содержит 16 видеоконверторов, преобразующих сигналы ПЧ к видеочастотам (до 32 МГц). Каждый видеоконвертор выполнен по схеме, предложенной в описании патента на полезную модель №80616. Видеоконвертор содержит входной усилитель, аналоговый квадратурный смеситель, к выходам которого подключены два аналого-цифровых преобразователя (АЦП), управляемых генератором сигнала тактовой частоты (ГСТЧ), и цифровой преобразователь сигналов (ЦПС) на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). На выходах квадратурного смесителя сигналы, сдвинутые по фазе один относительно другого на 90°. В ЦПС цифровые выборки этих сигналов сдвигаются по фазе еще на 90°, в результате чего цифровым способом разделяются сигналы верхней и нижней боковых полос.Сигналы каждой боковой полосы в ПЛИС фильтруются и преобразуются в две импульсные последовательности в соответствии с правилами 2-битного квантования сигналов при РСДБ. Для этого ПЛИС вычисляет среднеквадратические значения (СКЗ) цифровых выборок сигнала, поступающих с АЦП. В соответствии с принятым в практике РСДБ форматом потока данных VSI-H информационные импульсные последовательности со всех видеоконверторов в сопровождении меандра тактовой частоты регистрации (обычно 32 МГц или 64 МГц) и импульсов 1PPS (one pulse per second), отмечающих начала очередных секунд текущего времени, поступают в формирователь кода устройства буферизации данных (например. Mark 5B или Mark 5B+), которое записывает сигналы на магнитные носители и передает их в центр корреляционной обработки данных.
Основным недостатком этой системы является ограничение чувствительности радиоинтерферометра из-за сравнительно узких полос спектров регистрируемых сигналов (обычно 16 МГц и менее и реже 32 МГц). При таких полосах пропускания видеоконверторов чувствительность радиоинтерферометра достаточно высокая только при больших антеннах радиотелескопов, а для перспективных РСДБ-комплексов, создаваемых на малогабаритных (6-12 м) антеннах, такие СПС непригодны.
Кроме того, на цифровую фильтрацию и преобразование выборок сигнала в ПЛИС затрачивается определенное время. Поэтому выборки квантованных последовательностей, поступающие в формирователь кода данных регистрирующего устройства, задерживаются на это время относительно моментов считывания выборок в АЦП. Соответственно момент ввода импульсов 1PPS, формирующих шкалу времени, в формирователь кода данных отстают на это же время. Чтобы учесть эту задержку времени при корреляционной обработке сигналов, приходится либо сдвигать, либо расширять окно поиска корреляционного отклика.
Основной целью изобретения является расширение полосы частот преобразуемого в канале сигнала и повышение чувствительности радиоинтерферометра. Дополнительными целями является исключение сдвига импульсных последовательностей квантованного сигнала относительно регистрируемой шкалы времени. Еще одна цель состоит в обеспечении возможности взаимной коррелируемости регистрируемых разными радиотелескопами сигналов при несовпадении направлений спектров сигналов.
Основная цель достигается тем, что в системе, содержащей п каналов преобразования сигналов, в каждый из которых входят входной усилитель с полосовым фильтром, аналого-цифровой преобразователь, соединенный с генератором сигнала тактовой частоты считывания, и первый цифровой компаратор выборок сигнала, соединенный с вычислителем среднеквадратического значения выборок сигнала, а также датчик импульсов секунд текущего времени и формирователь выходного кода данных, соединенный с выходным устройством буферизации данных, в каждый канал преобразования сигналов введены w-канальный демультиплексор, соответствующие входы которого соединены с упомянутыми аналого-цифровым преобразователем, вычислителем среднеквадратического значения выборок сигнала и генератором сигнала тактовой частоты считывания, а выходы соединены с цифровыми компараторами выборок сигнала, (m-1) дополнительных цифровых компараторов выборок сигнала, соединенных с вычислителем среднеквадратического значения выборок и с формирователем выходного кода данных, и делитель частоты, включенный между генератором сигнала тактовой частоты считывания и тактирующими входами всех цифровых компараторов выборок.
За счет введения w-канального демультиплексора и увеличения числа параллельно работающих компараторов в т раз, повышена скорость считывания выборок шумового сигнала в АЦП и во столько же раз расширена полоса пропускания входного фильтра, ограничивающего ширину спектра сигнала. Расширение спектров регистрируемых сигналов в т раз повышает чувствительность радиоинтерферометра вУт раз при одном и том же времени приема и накопления сигнала или в л/т раз сокращает необходимое время приема сигнала (при заданной чувствительности).
Другая цель (устранение сдвига выходных информационных последовательностей относительно шкалы времени, задаваемой импульсами секунд) достигается тем, что датчик импульсов секунд соединен с блокирующими входами АЦП во всех каналах СПС. При этом первая выборка входного сигнала, которую считывает АЦП при появлении переднего фронта импульса секунд (сигнала 1PPS) направляется на 1-й выход w-канального демультиплексора и, соответственно, поступает на 1-й цифровой компаратор. Вторая выборка сигнала направляется во 2-й компаратор и так далее до w-ой выборки сигнала включительно, после чего цикл распределения выборок повторяется. Таким образом, по порядковому номеру выборки сигнала (и, соответственно, по номеру цифрового компаратора) однозначно определяются положения моментов считывания выборок сигнала на шкале времени, определяемой первичным датчиком импульсов секунд. Это сохраняется при формировании выходного кода данных, в котором очередность символов не нарушается, например, при использовании формата VDIF, рекомендуемого для РСДБ-сетей (см., A.Whitney, M.Kettenis, С.Phillips, M.Sekido. VLBI Data Interchange Format (VDIF) // IVS 2010 General Meeting Proceeding, p.192-196. Hobart. Australia. February 7-13. 2010).
Еще одна цель - обеспечение возможности взаимной корреляции сигналов, принятых разными радиотелескопами интерферометра, при несовпадении направлений их спектров, достигается тем, что на входах цифровых компараторов с нечетными порядковыми номерами установлены переключаемые цифровые инверторы (ЦИ).
При отключенных инверторах спектр импульсной последовательности на выходе канала соответствует спектру входного шумового сигнала, а при включенных инверторах в последовательности выборок сигнала, снятых с АЦП, меняются знаки выборок с нечетными порядковыми номерами. Это равносильно умножению цифровой последовательности на функцию (-Г), где i - порядковый номер. При этом, как известно из теории цифрового преобразования сигналов, спектр выходной импульсной последовательности становится инвертированным (обратным по отношению к спектру входного сигнала). Это позволяет на всех радиотелескопах РСДБ-сети, использующих входные приемные каналы с разными способами преобразования частот, установить одинаковое направление спектров регистрируемых сигналов, что необходимо для получения корреляционного отклика на сигнал.
На рисунке показана блок-схема заявленной полезной модели, где
обозначено:
1
n
1,…, 1 - каналы преобразования сигналов (всего п каналов);
2 - формирователь выходного кода данных;
3 - устройство буферизации и передачи данных;
4 - датчик импульсов секунд текущего времени;
5 - генератор сигнала тактовой частоты (ГСТЧ) считывания выборок сигнала;
6 - входной усилитель с полосовым фильтром;
7 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
8 - демультиплексор w-канальный;
9 - делитель частоты;
10 - вычислитель среднеквадратического значения (СКЗ) выборок сигнала;
i
m
11,… 11 - цифровые компараторы выборок сигнала (с порядковыми номерами с 1 по т);
12 - переключаемый цифровой инвертор (всего m/2. инверторов в канале с нечетными номерами).
Каждый канал 1 содержит последовательно соединенные входной усилитель с полосовым фильтром 6, АЦП 7, демультиплексор 8 и вычислитель СКЗ 10. Цифровые компараторы 11 с четными порядковыми номерами подключены к выходам демультиплексора 8 непосредственно, а с нечетными номерами - через переключаемый инвертор 12. Вторые входы цифровых компараторов 11 подключены к выходу вычислителя СКЗ 10, а управляющие (тактирующие) входы - к выходу делителя частоты 9, который соединен с ГСТЧ 5. К ГСТЧ 5 подключены также тактирующие входы АЦП 7 и демультиплексора 8. Триггерный управляющий вход АЦП 7 соединен с датчиком импульсов секунд 4. Выходы всех цифровых компараторов 11 соединены с формирователем выходного кода данных 2, выход которого соединен с буферным устройством 3. Выход устройства буферизации данных 3 является выходом заявленной полезной модели и предназначен для подключения к магистральной высокоскоростной линии передачи данных (например, к волоконно-оптической линии по интерфейсу 10G Ethernet).
Заявляемая система подключается к выходам каналов радиоастрономических приемных устройств (РПУ) и работает следующим образом. Принимаемые антенной высокочастотные шумовые сигналы в смеси с собственными шумами приемной системы преобразуются к рабочей полосе частот входных усилителей (например, к полосе 1-1,5 ГТц), определяемой полосовым фильтром 6 и поступают на АЦП 7, который считывает выборки сигнала с тактовой частотой Рсч, на которой работает ГСТЧ 5. С датчика импульсов 6, в качестве которого обычно используется приемник глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS, на триггерный вход АЦП 7 поступают импульсы, обозначающие начало очередной секунды текущего Всемирного времени (так называемый сигнал 1PPS). При появлении этого импульса (по его переднему фронту) первая считанная выборка сигнала адресуется на 1-й выход демультиплексора 8 и далее на 1 -и цифровой компаратор 111. Код поступившей выборки сигнала в компараторе сравнивается с кодом СКЗ выборок сигнала, который поступает с вычислителя 10. В результате формируется 2-битный код (00,01,10 или 11), где первый символ показывает знак выборки сигнала, а второй - превышение (или не превышение) модуля этой выборки по сравнению с СКЗ.
2
3
1
m
сч
1
n
Следующая (вторая по порядку) выборка сигнала подвергается такой же процедуре во втором цифровом компараторе 11, третья выборка - в третьем компараторе 11 и так далее, пока не закончится компарирование m-й выборки сигнала. В этот момент m 2-битных кодов параллельно переписываются в формирователь выходного кода данных 2, и цикл работы цифровых компараторов 11,…, 11, повторяется. 2m-битные информационные слова с каждого канала системы поступают в формирователь выходного кода 2 с частотой обновления данных F/m, которая задается делителем тактовой частоты 9. Если необходимо инвертировать спектр преобразуемого сигнала, то включаются инверторы 12. Все каналы СПС 1…1 работают одинаково и параллельно.
сч
сч
1
m
Формирователь выходного кода данных 2 преобразует n потоков информационных 2m-битных слов в последовательный выходной поток данных наблюдений в соответствии с рекомендуемым для РСДБ форматом VDIF. Скорость выходного потока данных ν=2nF. Например, при полосе пропускания входного фильтра 500 МГц можно принять F=1024 МГц. Тогда суммарная скорость потока данных, получаемых от 4-канальной СПС (n=4) составит 8,192 Гбит/с. Полученный поток данных записывается в устройство буферизации 3, откуда считывается и передается в центр корреляционной обработки по ВОЛС в квазиреальном времени. В Заявляемая система может быть выполнена на современной элементной базе. Входные полосовые усилители с фильтрами 6 и ГСТЧ 5 можно изготовить в виде интегрально-гибридных микросборок. АЦП, работающие на частотах до 2-3 ГГц, выпускаются серийно в виде микросхем (например, ADC081500). Цифровые компараторы 11,…, 11, вычислитель СКЗ 10, делитель частоты 9 и инверторы 12 могут быть сформированы на одной программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС), например, XC6SLX100T, Spartan-6 или ХС7К32Т, Kintex-7. Демультиплексоры выпускаются в виде микросхем или встраиваются в микросхемы АЦП (например, ADC081500). Демультиплексировать выборки сигнала можно ив ПЛИС. Варианты выполнения демультиплексора 8 могут быть различными в зависимости от числа каналов т и выбранных АЦП и ПЛИС.Формирователь выходного кода данных 2 также можно выполнить на ПЛИС, например, на ПЛИС ХС7К32Т, которая имеет встроенный трансивер для передачи потока данных в устройство буферизации 3. В качестве последнего можно использовать, например, регистрирующий терминал Mark 6, разработанный фирмой Conduant.
По заявляемой полезной модели разработаны электрические схемы и программное обеспечение для ПЛИС. Предлагаемые технические решения были проверены на 2-канальном макете СПС с полосами пропускания каналов 500 МГц. Потоки данных со скоростями 2,048 Гбит/с с каждого канала записывались в цифровое устройство буферизации и коррелировались компьютером, оснащенным интерфейсом JTAG.