РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛОВ

Система относится к радиоастрономической технике, точнее - к средствам радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), и может использоваться в радиоинтерферометрических терминалах, записывающих (регистрирующих) шумовые сигналы космических источников радиоизлучения. В таких терминалах принятые шумовые сигналы, поступающие с приемно-усилительной системы радиотелескопа, обычно преобразуются в импульсные последовательности (клиппируются), а затем записываются на магнитные носители информации (ленты, диски) для последующего воспроизведения и обработки на специализированных РСДБ корреляторах (см. например Р.Томпсон, Дж.Моран, Дж.Свенсон. Интерферометрия и синтез в радиоастрономии. М.Физматлит. 2003, с.281, 318-322).
Существующие системы регистрации радиоинтерферометрических сигналов обычно содержат форматер входных клиппированных сигналов, записывающее устройство, стандарт частоты и времени (например, водородный мазер), соединенные с ним генератор меандра тактовой частоты считывания входных сигналов и формирователь импульсов меток времени (см. например В.В.Дронов. Сравнительный анализ современных систем регистрации РСДБ-данных на жестких дисках. М. 2003, http://ellphi.lebedev.ru/4/13Dronov.pdf, или R.Wietfeldt, W.VanStraten, D.Del Rizzo, N.Bartel, W.Cannon, A.Novikov. The S2 baseband processing system for phase-coherent pulsar applications. Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 1998, 131, p.549-554. http://aanda.ustrasbg.fr:2002/articles/aas/full/1998/15/h0578.html, или N.Kawaguchi. New VLBI Technologies for Radio Astronomy and Precission Geodesy. Proceedings of the international workshop for reference frame establishment and technical development in space geodesy. iRiS'93. Tokyo, Japan, 1993, p.41-48). Форматер считывает входные сигналы синхронно с импульсами меандра тактовой частоты и направляет их на записывающее устройство для регистрации.
Поскольку в дальнейшем записанные на разных радиотелескопах сигналы подвергаются совместной корреляционной обработке, моменты считывания входных сигналов форматером должны быть «привязаны» к шкале единого всемирного астрономического времени с предельно высокой точностью. Поэтому меандр тактовой частоты считывания входных сигналов стабилизируется и синхронизируется высокостабильной опорной частотой мазера, а фронты импульсов меток времени совмещаются с фронтами меандра. Это гарантирует высокую точность «привязки» к
-15
6
шкале времени (порядка 10). Период следования импульсов меток времени должен быть равен строго определенному числу N периодов тактовой частоты (например, N=32·10 при тактовой частоте 32 МГц) и не отклоняется от номинала 1 с. При этом начальное смещение импульсов меток времени на некоторую постоянную величину, возникающее при совмещении фронтов, не имеет значения, так как все задержки и фазовые сдвиги сигналов в каналах приема, усиления и клиппирования измеряются с высокой точностью и учитываются при дальнейшей обработке записанных сигналов. Однако совершенно не допустимы случайные изменения положения импульсов меток времени, в результате которых интервал времени (период) между одноименными фронтами этих импульсов может отклониться от номинала, равного 1 с. При таких отклонениях записанные сигналы не могут обрабатываться совместно с сигналами, записанными на других радиотелескопах, и отбраковываются.
Наиболее близким к полезной модели аналогом является записывающий терминал S2-RT (см. S2-RT User's Manual. Version 3/2 (162), August 1998. The Centre for Research in Earth and Spase Technology. http://www2.nict.jp/ka/radioastro/RandD/S2/intro.pdf). Он содержит последовательно соединенные форматер входных сигналов и записывающее устройство. Причем форматер представляет собой электронный узел, построенный на цифровых интегральных схемах, а записывающее устройство содержит 8 цифровых видеомагнитофонов, объединенных по входным сигналам и управлению. Для записи сигналов терминалом S2-RT к первому синхронизирующему входу форматера подключают генератор меандра тактовой частоты считывания входных сигналов, а на второй синхронизирующий вход форматера подают импульсы меток времени с периодом следования 1 с (так называемый сигнал 1 PPS - one pulse per second). Генератор меандра тактовой частоты синхронизируется высокостабильной опорной частотой, получаемой от стандарта частоты на водородном мазере (см. Н.А.Демидов, В.А.Логачев, B.C.Горев, В.Г.Воронцов, С.А.Козлов. Водородные стандарты частоты и времени: современное состояние и перспективы развития. Труды ИПА РАН. Вып.13. СПб. «Наука». 2005, с.61-69). Импульсы меток времени формируют с помощью известной схемы синхронизации фронтов импульсов, на которую подают меандр тактовой частоты и импульсы от первичного датчика времени (см. С.Д.Климов, B.C.Христиановский. Формирователь тактовых частот с синхронизатором меток секунд для терминала S2-RT. Труды ИПА РАН. Вып.5. Радиоастрометрия и эфемеридная астрономия. СПб. 2000, с.129-133). Генератор меандра тактовой частоты и первичный датчик времени могут входить в состав стандарта частоты (см. Н.А.Демидов, В.А.Логачев, B.C.Горев, В.Г.Воронцов, С.А.Козлов. Водородные стандарты частоты и времени: современное состояние и перспективы
развития. Труды ИПА РАН. Вып.13. СПб. «Наука». 2005, с.61-69), а могут быть выполнены в виде отдельных устройств. В последние годы в современных радиоастрономических системах в качестве первичного датчика всемирного времени все чаще используются стандартные приемники глобальной навигационной системы GPS -ГЛОНАС, которые обычно территориально разнесены со стандартом частоты и непосредственно не связаны с ним.
Правильная работа системы регистрации S2-RT возможна лишь в том случае, если меандр тактовой частоты и первичные импульсы времени формируются и синхронизируются непосредственно в стандарте частоты, который расположен вблизи (не далее нескольких метров) от форматера. При этом можно избежать искажений фронтов меандра тактовой частоты и меток времени, а синхронизатор фронтов импульсов, работающий в уровнях эмиттерно-связанной логики, обеспечивает совмещение фронтов с требуемой точностью (до 5 нc).
В реальных условиях на радиотелескопе стандарт частоты, как правило, располагается в специально оборудованном и изолированном подземном помещении для того, чтобы свести к минимуму влияние внешних факторов на стабильность опорной частоты (см. например описание радиотелескопа на http://www.ipa.ru/PAGE/DEPQBSERV/rus_svet.html). Импульсы секунд от первичного датчика времени поступают по коаксиальным кабелям значительной длины, что приводит к необходимости применения элементов повышенной мощности (например, усилителей импульсов на элементах транзисторно-транзисторной логики) и удлинению фронтов импульсов до 100 нс и более.
Поскольку длительность фронта импульса, приходящего от первичного датчика времени, в несколько раз больше периода тактовой частоты, момент срабатывания пороговых устройств в синхронизаторе фронтов, формирующем импульс метки времени (сигнал 1 PPS), становится недостаточно стабильным. Из-за изменений температуры, напряжений электропитания и других дестабилизирующих факторов импульс метки времени может совместиться не с тем периодом меандра тактовой частоты, который соответствует необходимому положению метки времени (периоду следования 1 с), а с предшествующим или с последующим периодом меандра. В результате интервал времени между импульсами меток времени укорачивается или удлиняется на один, а иногда и на два периода тактовой частоты. Это равносильно спонтанным сдвигам шкалы времени, возникающим в процессе наблюдений и регистрации сигналов. В таком случае часть записанной на радиотелескопе информации теряется.
Целью предлагаемой полезной модели является исключение спонтанных сдвигов шкалы времени.
Для этого в радиоинтерферометрическую систему регистрации сигналов (фиг.1), содержащую последовательно соединенные форматер входных сигналов (1), записывающее устройство (2), датчик опорной частоты (3), соединенный через генератор меандра тактовой частоты (4) с первым синхронизирующим входом форматера, синхронизатор фронтов импульсов (5), первый вход которого соединен с генератором меандра, а выход соединен со вторым синхронизирующим входом форматера, и первичный датчик времени (6), введены управляемый делитель частоты (7), включенный между выходом генератора меандра и вторым входом синхронизатора фронтов импульсов, и триггер (8) со схемой начального сброса (9), причем установочный вход триггера соединен с выходом первичного датчика времени, а выход - с управляющим входом делителя частоты.
На фиг.1 приведена схема предлагаемой системы регистрации, а на фиг.2 -временные диаграммы, поясняющие ее работу.
На фиг.1 обозначены:
1 - форматер входных сигналов,
2 - записывающее устройство,
3 - датчик опорной частоты,
4 - генератор меандра тактовой частоты,
5 - синхронизатор фронтов импульсов,
6 - первичный датчик времени,
7 - управляемый делитель частоты,
8 - триггер,
9 - схема начального сброса триггера,
10 - первый D-триггер синхронизатора фронтов,
11 - второй D-триггер синхронизатора фронтов,
12 - логический элемент «И»,
13, 14 - резисторы,
15 - конденсатор,
16 - логический элемент - инвертор.
На фиг.2 обозначено:
а - импульсы секунд, поступающие с первичного датчика времени (6) на установочный вход триггера (8);
б - сигнал на выходе триггера (8), запрещающий работу делителя частоты (7);
в - сигнал на выходе генератора меандра тактовой частоты (4);
г - сигнал на выходе делителя частоты (7);
д - сигнал на выходе 1-го D-триггера (10);
е - сигнал на выходе 2-го D-триггера (11);
ж - импульсы меток времени, поступающие с выхода синхронизатора фронтов импульсов (5) на форматер (1).
Синхронизатор фронтов импульсов (5) выполняется по известной схеме на двух D-триггерах (10 и 11) и логическом элементе «И» (12), причем соединенные вместе счетные входы триггеров представляют собой первый вход синхронизатора, а D-вход первого триггера (10) является вторым входом синхронизатора. Выходом синхронизатора является выход логического элемента «И» (12).
Схема (9) начального сброса триггера (8) представляет собой Т-образную RC-цепочку (два резистора 13, 14 и конденсатор 15) с инвертором (16) на выходе, через которую цепь питания (+U) соединена с входом сброса (R-входом) триггера (8).
Система (фиг.1) работает следующим образом.
При включении питания схема начального сброса (9) формирует на входе сброса (R-входе) триггера (8) короткий импульс начального сброса. Этот импульс формируется известным способом с помощью конденсатора (15), напряжение на котором в первый момент включения равно нулю (конденсатор разряжен), а затем достаточно быстро нарастает до величины, близкой к питающему напряжению (U), так как конденсатор заряжается. Выходной инвертор (16) лишь формирует задний фронт импульса начального сброса, поступающего на R-вход триггера (8).
Под действием импульса начального сброса триггер (8) сбрасывается в состояние «0» и на его инверсном выходе появляется положительный импульс (фиг.2б). Этот импульс удерживает все триггеры делителя частоты (7) в состоянии «0», то есть запрещает работу делителя частоты. Генератор меандра тактовой частоты (4) формирует импульсы меандра (фиг.2в), синхронизуемые полученной от датчика (3) опорной частотой. Однако эти импульсы не воспринимаются делителем частоты (7), так как его работа запрещена.
6
Первый после включения питания импульс секунд с первичного датчика времени (6) устанавливает триггер (8) в состояние «1», снимающее запрет на работу делителя частоты (7). Делитель (7) делит тактовую частоту в N раз, где N - число периодов меандра тактовой частоты, соответствующее интервалу времени 1 с (для тактовой частоты 32 МГц N=32·10). На выходе делителя частоты (7) формируется меандр с частотой 1 Гц (фиг.2 г).
Положительный импульс (логическая «1») этого меандра, поступая на D-вход первого триггера (10) синхронизатора фронтов импульсов (5), разрешает установку этого триггера в состояние «1» по счетному входу. Поэтому первым же фронтом положительного импульса меандра тактовой частоты первый D-триггер (10) устанавливается в состояние «1» и формирует передний фронт импульса метки времени (сигнала 1PPS, фиг.2ж). Логическая «1» на выходе первого D-триггера (10) разрешает установку второго D-триггера (11) в состояние «1». Поэтому передним фронтом следующего импульса меандра тактовой частоты второй D-триггер перебрасывается в состояние «1», на его инверсном выходе устанавливается «0», и с помощью логического элемента «И» (12) формируется задний фронт импульса метки времени (фиг.2ж). Таким образом, длительность импульса метки времени точно равна периоду меандра тактовой частоты, а фронты этого импульса и меандра совмещены. Сброс обоих триггеров (10 и 11) синхронизатора фронтов в исходное нулевое состояние осуществляется импульсами меандра тактовой частоты, когда на первый вход синхронизатора (вход «D» первого триггера) поступает отрицательный импульс (логический «0») с выхода делителя частоты.
0
0
Когда на первый вход синхронизатора (5) снова поступит положительный импульс с делителя частоты (7) описанный выше процесс повторяется и формируется второй импульс метки времени. Таким образом, за счет работы синхронизатора фронтов (5) длительность метки времени (1PPS) всегда равна периоду тактовой частоты (Т). Период следования импульсов меток времени определяется только делителем частоты (7), всегда точно равен NT=1 с и не зависит от длительности фронтов импульсов, поступающих с первичного датчика времени (6) при любой удаленности датчика времени от форматера (1).
Поступающие на вход системы регистрации клиппированные сигналы считываются форматером (1) синхронно с меандром тактовой частоты и регистрируются записывающим устройством (2) вместе с метками времени. Точность синхронизации в такой системе зависит только от быстродействия используемых цифровых микросхем и не зависит от искажений импульсов первичного датчика времени, а спонтанные сдвиги шкалы времени при регистрации сигналов исключены.
Форматер и записывающее устройство в предлагаемой системе регистрации радиоинтерферометрических сигналов можно реализовать так же как и в прототипе S2-RT, а можно использовать другие известные устройства, например форматер MarkIV Form и записывающее устройство Mark5 (http://www.haystаck.mit.edu/tech/vlbi/mark5/html). В качестве датчика времени можно использовать, например, стандартный GPS приемник ПС-161 В (http://www.rirt.ru/product/product.html). В качестве датчика опорной частоты
обычно используют водородный стандарт, например r1-80 (Н.А.Демидов, В.А.Логачев, B.C.Горев, В.Г.Воронцов, С.А.Козлов. Водородные стандарты частоты и времени: современное состояние и перспективы развития. Труды ИПА РАН. Вып.13. СПб. «Наука». 2005, с.61-69). Генератор меандра тактовой частоты реализуется по схеме автогенератора, охваченного кольцом фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), при этом в качестве опорного сигнала в схеме ФАПЧ используется сигнал с датчика опорной частоты, а коэффициент деления в кольце ФАПЧ подобран таким, чтобы частота автогенератора была в два раза больше тактовой частоты. Меандр на выходе генератора формируется путем деления частоты автогенератора пополам. Такая схема реализуется на транзисторах и интегральных микросхемах широко распространенной серии КР1554. Реализация такого генератора подробно описана в (С.Д.Климов, B.C.Христиановский. Формирователь тактовых частот с синхронизатором меток секунд для терминала S2-RT. Труды ИПА РАН. Вып.5. Радиоастрометрия и эфемеридная астрономия. СПб. 2000, рис.1 на с.130). Синхронизатор фронтов импульсов реализуется по известной схеме на двух D-триггерах (см. например М.Димитрова, В.Пунджев. 33 схемы на триггерах. Л.Энергоатомиздат.1990, с.43, или И.С.Потемкин. Функциональные узлы цифровой автоматики. М.Энергоатомиздат.1988, с.248). Схема и временные диаграммы работы такого синхронизатора подробно описаны в (С.Д.Климов, B.C.Христиановский. Формирователь тактовых частот с синхронизатором меток секунд для терминала S2-RT. Труды ИПА РАН. Вып.5. Радиоастрометрия и эфемеридная астрономия. СПб. 2000, рис.2 и 3 на с.132).
Делитель частоты строится на обычных цифровых интегральных микросхемах синхронных счетчиков-делителей (см. например И. Янсен. Курс цифровой электроники. Том 2. Проектирование устройств на цифровых ИС. М. Мир. 1987, с.86), причем синхронные счетчики используются для увеличения быстродействия делителя и, следовательно, точности синхронизации. В разработанной авторами системе делитель частоты был реализован на микросхемах КР1554ИЕ10. Для обеспечения максимального быстродействия триггера его можно реализовать по широко известной схеме R-S триггера на логических элементах (см. М.Димитрова, В.Пунджев. 33 схемы на триггерах. Л. Энергоатомиздат. 1990, с.20, рис.2.5). Авторами были использованы логические элементы микросхемы КР1554ЛАЗ. При этом начальный сброс такого триггера можно производить с помощью обычной RC-цепочки на двух резисторах и конденсаторе, которая формирует импульс сброса на R-входе триггера (см. например П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. Том 1. М. Мир. 1983, с.588 рис.8.77).
Разработанная авторами система регистрации радиоинтерферометрических сигналов была изготовлена в виде экспериментального образца, который был установлен и прошел испытания на радиотелескопах РТФ-32 в обсерваториях «Светлое» (Ленинградская обл.), «Зеленчукская» (Карачаево-Черкесия) и «Бадары» (Бурятия). В процессе испытаний проводились сеансы РСДБ наблюдений, а полученные данные обрабатывались в центре корреляционной обработки ИПА РАН. Испытания продемонстрировали, что при регистрации радиоастрономических сигналов с помощью разработанной системы непрерывно в течение 36 часов не наблюдалось ни одного спонтанного сдвига шкалы времени, в то время как при регистрации с помощью ранее применявшейся системы каждый час имели место 1-3 спонтанных сдвига шкалы времени.