СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ФОРМАТИРОВАНИЯ СИГНАЛОВ ДЛЯ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРА

Полезная модель относится к радиоастрономическим системам преобразования сигналов (СПС), применяемым на радиотелескопах, которые работают в составе комплексов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ).
На современных радиотелескопах, проводящих регулярные РСДБ-наблюдения, широко используются многоканальные СПС, которые выделяют до 16 шумовых сигналов с полосами частот ΔF (обычно 16 или 8 МГц). Выделенные полосы распределены в полосе пропускания радиоастрономического приемного устройства (РПУ), достигающей по ширине 0,9 ГГц. К таким СПС относится, например, система Р1002М, используемая на радиотелескопах РТ-32 РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» (см. статью: Гренков С.А., Кольцов Н.Е., Носов Е.В., Федотов Л.В. Цифровая радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов // Приборы и техника эксперимента. М.: Наука, 2010. №5. С. 60-66). На зарубежных радиотелескопах также применяются подобные СПС, например, система VLBA4, разработанная в США (см. статью: Napier P. J., Bagri D. S. et al. The Very Long Baseline Array // Proceedings of the IEEE, 1994. Vol.82. No 5. P. 658-671), или японская система K-4 (см. статью: Hitoshi Kiuchi, Jun Amagai, Shinichi Наша and Michito Imae. K-4 VLBI Data-Acquisition System // Publications of the Astronomical Society of Japan (PASJ), GB, Oxford Academic, 1997. Vol.49, Issue 6. P. 699-708). С помощью таких систем обычно регистрируются сигналы в двух диапазонах волн: 8 сигналов в диапазоне X и 6…8 сигналов в диапазоне S. Шумовые сигналы промежуточных частот (ПЧ) с полосами частот шириной 0,9 ГГц по коаксиальным линиям с магистральными усилителями передаются от РПУ, установленных на антенне, к СПС, которые из-за больших габаритов устанавливаются в стационарных помещениях обсерватории. В СПС из широкой полосы ПЧ с помощью нескольких видеоконверторов выделяются сигналы с относительно узкими полосами ΔF≤16 МГц, которые преобразуются в цифровую форму, а затем форматируются по принятым в международной практике стандартам и передаются в центр корреляционной обработки данных. СПС с узкополосными каналами используются на радиотелескопах с антеннами достаточно большого диаметра (32 и более метров), чтобы обеспечить чувствительность радиоинтерферометра, необходимую для регистрации весьма слабых шумовых радиосигналов космического происхождения.
В последнее время в РСДБ-сетях стали применять малогабаритные радиотелескопы, например, РТ-13 (см. статью: Ипатов А.В. Радиоинтерферометр нового поколения для фундаментальных и прикладных исследований // Успехи физических наук. М.: Наука, 2013. Том 183, №7. С. 769-777). Чтобы обеспечить необходимую чувствительность радиоинтерферометра на таких радиотелескопах оцифровываются и форматируются шумовые сигналы ПЧ с широкими полосами частот В, например 5=512 МГц (см. статью: Кольцов Н.Е., Маршалов Д.А., Носов Е.В., Федотов Л.В. Цифровая система преобразования широкополосных сигналов для астрономических радиоинтерферометров // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. СПб.: СПбГЭТУ, 2014. Вып.1. С. 34-40. А также - описание патента РФ на полезную модель №122810, МПК H03D 7/00). За счет расширения полосы регистрируемого сигнала полностью компенсируются потери чувствительности радиоинтерферометра при переходе от больших антенн к небольшим антеннам. Цифровые широкополосные системы преобразования сигналов компактны и могут размещаться на антенне рядом с РПУ, вследствие чего исключаются коаксиальные линии передачи сигналов от РПУ к СПС и потери чувствительности, связанные с искажениями шумовых сигналов и фазовой нестабильностью линий передачи. Кроме того, снижаются эксплуатационные расходы, и повышается надежность аппаратуры.
D
Наиболее близким к заявляемой модели устройством (прототипом) является полезная модель «Система преобразования и регистрации сигналов для радиоастрономического интерферометра», описание которой дано в патенте № 122810, МПК H03D 7/00. Эта система содержит n каналов цифрового преобразования шумовых сигналов с полосой частот В=512 МГц. Каждый канал содержит входной аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с m-канальным демультиплексором, обеспечивающим последующую цифровую обработку параллельно m выборок сигнала, и ряд цифровых компараторов, соединенных с вычислителем среднеквадратического значения (СКЗ) выборок. Компараторы вместе с вычислителем СКЗ образуют квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала. АЦП и демультиплексоры во всех каналах тактируются генератором сигналов частоты дискретизации ƒ - 1024 МГц при В=512 МГц. Выходы цифровых компараторов соединены с форматером данных. Полученные данные привязаны к шкале времени с помощью датчика импульсов секунд. Скорость потока данных, получаемых системой преобразования широкополосных сигналов, очень большая (у данного прототипа 2 Гбит в секунду в каждом из 8 каналов). Поэтому для обработки данных, получаемых от радиотелескопов с такими системами, необходимы специализированные высокоскоростные программные РСДБ-корреляторы, так как эти данные не могут обрабатывать корреляторы узкополосных сигналов, используемые в действующих РСДБ-сетях, где радиотелескопы оснащены традиционными СПС. По этой причине затруднена интеграция перспективных радиотелескопов, оснащенных цифровыми широкополосными системами, в существующие РСДБ-сети, активно работающие по отечественным и международным программам наблюдений.
Цель заявляемой полезной модели состоит в устранении этого недостатка путем выделения из цифрового широкополосного сигнала N узкополосных (ΔF≤16 МГц) сигналов и представлении выделенных сигналов в форме, принятой для действующих РСДБ-сетей с традиционными СПС, что позволит подключать к этим сетям новые радиотелескопы с цифровыми широкополосными системами преобразования сигналов. Дополнительная цель состоит в миниатюризации системы и обеспечении возможности размещения ее на антенне (рядом с РПУ), чтобы исключить громоздкие и недостаточно надежные коаксиальные линии передачи аналоговых широкополосных сигналов ПЧ от РПУ на антенне к аппаратуре в стационарном помещении.
Для достижения первой цели в систему, содержащую n аналого-цифровых преобразователей широкополосных сигналов с m-канальными демультиплексорами (распределителями) цифровых выборок на выходах, N квантователей амплитуд цифровых выборок, соединенных выходами с форматером данных, который синхронизирующим входом соединен с датчиком импульсов секунд, а также генератор импульсов дискретизации сигналов, соединенный с тактирующими входами всех аналого-цифровых преобразователей и демультиплексоров, а также с m-кратным делителем частоты, введены n m-канальных полифазных фильтров, равнодоступный коммутатор, N цифровых видеоконверторов и дополнительный делитель частоты. Входы полифазных фильтров соединены с выходами соответствующих демультиплексоров цифровых выборок, а выходы полифазных фильтров - с равнодоступным коммутатором, к выходам которого подключены N цифровых видеоконверторов. Выход каждого из видеоконверторов соединен со входом одного из квантователей амплитуд цифровых выборок. Выход упомянутого m-кратного делителя частоты соединен с тактирующими входами всех полифазных фильтров и цифровых видеоконверторов, а через дополнительный делитель частоты соединен с тактирующими входами всех квантователей амплитуд цифровых выборок.
Каждый цифровой видеоконвертор содержит два перемножителя сигналов, которые первыми входами соединены с входом видеоконвертора, вторыми входами соединены с синтезатором квадратурных гетеродинных сигналов, а выходами - с фазовым селектором сигналов, содержащим косинусный и синусный фазосдвигающие фильтры, соединенные с сумматором и вычитателем кодов, выходы которых через частотопонижающие фильтры нижних частот соединены с выходным переключателем.
D
1
D
1
Полоса частот каждого из n поступающих на вход системы широкополосных сигналов, считываемых АЦП с тактовой частотой ƒ=2В, разделяется полифазным фильтром на m поддиапазонов шириной В=В/m с одновременным снижением в m раз тактовой частоты ƒ следования выборок входного сигнала u(i), где i - порядковый номер выборки. Равнодоступным коммутатором сигнал любого из m поддиапазонов любого из n каналов подключается на вход любого из N цифровых видеоконверторов. Цифровым видеоконвертером, который может перестраиваться в полосе частот В, выделяется сигнал с относительно узкой полосой ΔF (например, ΔF=16 МГц или 8 МГц). После 2-битового квантования выделенных узкополосных сигналов они объединяются и форматируются по принятым в практике РСДБ стандартам, например, в формате VDIF (см. статью Whitney Alan, Kettenis Mark et al. VLBI Data Interchange Format (VDIF) // IVS 2010 General Meeting Proceedings. - Australia, Hobart, 2010. - P. 192-196). Полученные в результате форматирования данные преобразуются в цифровой поток, который передается для дальнейшей корреляционной обработки данных.
Вторая цель заявляемой модели достигается тем, что в рассматриваемой системе все m-канальные полифазные фильтры, равнодоступный коммутатор, цифровые видеоконверторы, квантователи амплитуд цифровых выборок и форматер данных сформированы в одной программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Применение цифровых видеоконвероторов с цифровыми синтезаторами квадратурных гетеродинных сигналов, которые выполнены по схеме, предложенной в заявке на патент на полезную модель №2017115686 от 03.05.2017 г., позволило полностью исключить аналоговые элементы и разместить N (не менее 16) цифровых видеоконвертеров в одной ПЛИС вместе с другими цифровыми устройствами, включая n m-канальных полифазных фильтров (например, n=3 и m=8), равнодоступный коммутатор, N квантователей и форматер VDIF.
На рисунке 1 показана структурная схема заявляемой модели, а на рисунке 2 - структурная схема цифрового видеоконвертора. На рисунках обозначено:
D
1 - генератор импульсов частоты ƒ дискретизации сигналов;
1
2…2n - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
1
n
3…3 - m-канальные демультиплексоры цифровых выборок сигнала;
D
4 - делитель частоты ƒ в m раз;
5 - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);
1
n
6…6 - m-канальные полифазные фильтры (ПФФ);
7 - равнодоступный коммутатор (Км);
1
N
8-8 - цифровые видеоконверторы;
1
N
9…9 - квантователи амплитуд цифровых выборок сигналов;
10 - форматер данных VDIF;
11 - дополнительный делитель частоты;
12 - датчик импульсов секунд;
1
2
13 и 13 - перемножители сигналов;
14 - синтезатор квадратурных гетеродинных сигналов;
15 - фазовый селектор сигналов;
16 - косинусный фазосдвигающий фильтр (Cos-фильтр);
17 - синусный фазосдвигающий фильтр (Sin-фильтр);
18 - сумматор кодов;
19 - вычитатель кодов;
1
2
20 и 20 - выходные частотопонижающие фильтры нижних частот;
21 - переключатель.
Вход каждого АЦП 2 является одним из входов заявляемой модели. АЦП через демультиплексор 3 соединен с одним из ППФ 6. Выходы всех ППФ 6 соединены с коммутатором 7. К выходам коммутатора 7 подключаются входы цифровых видеоконверторов 8, причем посредством коммутатора 7 к одному из выходов ППФ 6 могут быть подключены несколько видеоконверторов.
1
2
1
2
1
2
В цифровом видеоконверторе 8 вход соединен с двумя перемножителями (13 и 13). Второй вход одного из перемножителей 13 соединен с косинусным выходом синтезатора гетеродинных сигналов 14, а второй вход другого перемножителя 13 - с синусным выходом синтезатора 14. Выход перемножителя 13 соединен с синфазным входом (I) фазового селектора сигналов 15, а выход перемножителя 13 - с квадратурным входом (Q) фазового селектора 15. Синфазный вход селектора 15 соединен с первыми входами сумматора 18 и вычитателя 19 через косинусный фазосдвигающий фильтр 16. Квадратурный вход селектора 15 соединен со вторыми входами сумматора 18 и вычитателя 19 через синусный фазосдвигающий фильтр 17. Выходы сумматора 18 и вычитателя 19 через частотопонижающие фильтры нижних частот 20 соединены с входами переключателя 21, выход которого является выходом цифрового видеоконвертора.
Каждый цифровой видеоконвертор 8 соединен с одним из квантователей амплитуд цифровых выборок 9. Выходы всех квантователей 9 соединены с форматером данных 10, синхронизирующий вход которого соединен с датчиком импульсов секунд 11. Генератор импульсов частоты дискретизации 1 соединен с тактирующими входами всех АЦП 2 и демультиплексоров 3, а также с m-кратным делителем частоты 4, выход которого соединен с тактирующими входами всех полифазных фильтров 6 и цифровых видеоконверторов 8 непосредственно, а через дополнительный делитель частоты 11 - с тактирующими входами квантователей амплитуд 9.
Выход форматера 10 является выходом системы, заявляемой как полезная модель. Полифазные фильтры 6, коммутатор 7, цифровые видеоконверторы 8, квантователи 9, форматер 10 и дополнительный делитель частоты 11 сформированы в ПЛИС 5.
D
D
1
1
1
1
Заявляемая система подключается к выходам каналов РПУ и работает следующим образом. Шумовой сигнал ПЧ, ограниченный по ширине полосы выходным фильтром соответствующего канала РПУ, поступает на АЦП 2, который управляется сигналом тактовой частоты ƒ, поступающим от генератора 1. Цифровые выборки сигнала распределяются m-канальным демультиплексором 3 так, что на соответствующие входы ПЛИС 5 поступают одновременно m выборок сигнала, которые распределяются по m каналам полифазного фильтра 6. Тактовая частота работы ПЛИС ƒ/m задается делителем частоты 4, который соединен с упомянутым генератором 1. Каждый m-канальный цифровой полифазный фильтр 6 разделяет сигнал с полосой частот В на m полосовых сигналов (поддиапазонов) шириной В=В/m, причем спектры всех полосовых сигналов переносятся в область низких частот 0…В с одновременным снижением в m раз тактовой частоты следования выборок сигналов. Полифазная фильтрация осуществляется известным способом, включающим перемножение кодов выборок сигнала с кодами весовой функции, формирующей амплитудно-частотную характеристику полосового сигнала на выходе фильтра, m-канальное комплексное преобразования Фурье и фазовое разделение комплексного сигнала на два действительных сигнала с полосой В. Методы реализации цифровых полифазных фильтров рассмотрены, например, в книге: Лайонс Ричард. Цифровая обработка сигналов. Пер. с англ. М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. - 656 с. Таким образом, от n m-канальных полифазных фильтров на коммутатор 7 поступают nm сигналов с полосой частот В. С помощью коммутатора 7 любой из этих сигналов может быть подан на вход любого из N цифровых видеоконверторов 8.
1
D
g
i
g
i
g
i
1
g
2
В видеоконверторе 8 входной цифровой сигнал с тактовой частотой ƒ=ƒ/m поступает на перемножители 13. Синтезатор 14 формирует гетеродинные сигналы Cos(2πƒt) и Sm(2πƒt), где ƒ - рабочая частота гетеродина, t=i/ƒ - дискретное текущее время. В результате преобразования частот с перемножителей 13 снимается пара сигналов, сдвинутых по фазе один относительно другого на 90°, причем каждый из этих сигналов содержит составляющие нижней и верхней (относительно частоты ƒ) боковых полос. Фильтрами 16 и 17, которые в паре образуют квадратурный фильтр, эти сигналы дополнительно смещаются по фазе один относительно другого на 90°, после чего сигналы суммируются или вычитаются. Фазосдвигающие фильтры 16 и 17 формируются путем перемножения весовой функции, формирующей амплитудно-частотную характеристику фильтра, на функцию косинуса (в одном фильтре) или синуса (в другом фильтре). В результате работы фазового селектора 15 на одном его выходе выделяется сигнал нижней боковой полосы, а на другом - сигнал верхней боковой полосы. Полосы пропускания ΔF выходных сигналов цифрового видеоконвертора (например, 16 МГц) формируются фильтрами 20, которые работают с понижением тактовой частоты в М раз (до значения ƒ=2ΔF). Необходимый для регистрации узкополосный сигнал одной из боковых полос выбирается переключателем 21.
Синтезатор квадратурных гетеродинных сигналов 14 выполнен по схеме, описанной в заявке на патент на полезную модель №2017115686 от 03.05.2017 г.
0
0
0
0
0
Выделенные узкополосные сигналы цифровым квантователем амплитуд 9 квантуются по. уровням u(i)<u, u≤u(i)<0, 0≤u(i)<u и u{i)>u, где u - СКЗ выборок. В этой части заявленная полезная модель работает так же, как известная система (прототип). Двухбитные коды квантованных узкополосных сигналов поступают в форматер данных 10, где эти сигналы форматируются в международном стандарте VDIF, который широко используется в практике РСДБ (см. например, статью: Whitney Alan, Kettenis Mark et al. VLBI Data Interchange Format (VDIF) // IVS 2010 General Meeting Proceedings. - Australia, Hobart, 2010. - P. 192-196). Одновременно можно форматировать N (обычно до 16) узкополосных сигналов. В форматере осуществляется привязка данных к шкале времени, формируемой датчиком импульсов секунд 12. В качестве датчика импульсов секунд 12, также как и в прототипе, используется приемник глобальной навигационной системы ГЛОНАСС/GPS. Форматер данных 10 формирует кадры наблюдаемых данных с привязкой их к шкале времени известными способами, с которыми можно ознакомиться, например, в описании патента РФ на полезную модель №130463 «Широкополосный канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра» МПК7 Н03D 7/00.
2
2
В отличие от прототипа в заявляемой системе квантователи амплитуд выборок 9 и форматер 10 работают с пониженной тактовой частотой ƒ=2ΔF. Сигнал частоты ƒ снимается с дополнительного делителя частоты 11. С такой же частотой работают квантователи и форматеры данных в многоканальных СПС на большинстве современных радиотелескопов, что позволяет сопрягать оснащенные предлагаемой системой радиотелескопы с действующими РСДБ-сетями.
D
Экспериментальный образец системы для преобразования и форматирования трех (n=3) широкополосных (В=512 МГц) сигналов реализован следующим образом. Генератор 1 импульсов частоты дискретизации сигналов (ƒ=1024 МГц) выполнен на микросхемах автогенератора UMX-153-D16 фирмы Universal Microwave Corporation и фазовой автоподстройки частоты ADF4106 ВСР фирмы Analog Device. АЦП 2 так же, как и в прототипе, выполняются на микросхемах ADC081500 фирмы Texas Instruments, которые содержат встроенные демультиплексоры. Но демультиплексоры 3 могут выполняться и в виде отдельных микросхем. Делитель частоты 4 выполнен на микросхеме Si 53311 фирмы Silicon Labs. Датчик импульсов секунд 12 - стандартный приемник ГЛОНАСС/GPS. Экспериментальный образец содержит три широкополосных канала, в каждый из которых входит АЦП 2, демультиплексор 3 и полифазный фильтр 6. Это позволяет проводить наблюдения в типовом для PCДБ режиме - прием сигналов Х-диапазона волн в полосе до 1 ГГц (что требует двух широкополосных каналов) и сигналов S-диапазона, для которого достаточно одного широкополосного канала. Три 8-канальных полифазных фильтра 6, равнодоступный коммутатор 7, шестнадцать цифровых видеоконверторов 8, шестнадцать квантователей амплитуд цифровых выборок 9 и форматер данных VDIF реализованы в конфигурации ПЛИС ХС7К325Т фирмы Xilinx. Лабораторные испытания изготовленного макета предлагаемой системы подтвердили возможность выделения из широкополосного сигнала и форматирования до 16 сигналов с полосами частот ΔF=16 МГц или 8 МГц. Сигнал с полосой 8 МГц формируется из сигнала с полосой 16 МГц методом децимации (прореживания) выборок сигнала.