ШИРОКОПОЛОСНЫЙ РАДИОМЕТР С СЕЛЕКЦИЕЙ РАДИОПОМЕХ

s
ш
Полезная модель относится к радиоастрономическим системам и может использоваться, например, для приема и регистрации весьма слабых (много ниже уровня собственных шумов радиотелескопа) радиосигналов космических источников широкополосного радиоизлучения. С помощью таких систем - радиометров - измеряются средние значения шумовой температуры T широкополосного радиосигнала космического источника излучения в полосе пропускания приемного устройства Δf. При достаточно широкой полосе Δf (сотни мегагерц) радиометры регистрируют широкополосные радиосигналы, температура которых примерно на 40 дБ меньше температуры T собственных шумов радиотелескопа (см., например статью Финкельштейна A.M., Ипатова А.В., Смоленцева С.Г. Радиоинтерферометрическая сеть «Квазар» - научные задачи, техника и будущее. // М.: Земля и Вселенная №4, 2004, с.12-27.).
s
Почти все известные радиоастрономические радиометры строятся по традиционной схеме, в которой есть широкополосный приемно-усилительный тракт с квадратичным детектором на выходе и узкополосный измерительный тракт с выходным устройством регистрации (см., например, книгу Есепкиной Н.А., Королькова Д.В., Парийского Ю.Н. «Радиотелескопы и радиометры» М. 1973, патент Лебедева В.С., Орлова И.Я., Кошечкина В.А. «Модуляционный радиометр» (заявка №4916584/09 от 30.01.1991), патент Шестернева Д.М., Филатова А.В. «Нулевой радиометр» (заявка №2003101276/09 от 17.01.2003), патент Суслова А. Н. «Модуляционный радиометр с использованием прямого преобразования частоты» (заявка №2008126303/22 от 27.06.2008), статья Ипатова А.В., Кольцова Н.Е., Крохалева А.В. «Радиометрическая система радиотелескопа РТФ-32». Приборы и техника эксперимента, №4, М.: Наука, 2005, с.66-75). Недостаток таких радиометров - низкая защищенность от узкополосных радиопомех, создаваемых системами радиосвязи и радиотехническими средствами различного назначения. Принятые антенной радиопомехи в аддитивной смеси с исследуемым широкополосным сигналом и собственным шумом радиотелескопа детектируется квадратичным амплитудным детектором, изменяя тем самым выходное напряжение радиометра и искажая результаты измерения шумовой температуры T исследуемого сигнала.
Наиболее близким по назначению и технической сущности является радиометрическая система без амплитудного квадратичного детектора, которая описана в заявке на изобретение №2008108318/09(008999) от 03.03.2008 «Радиометрический способ регистрации слабого широкополосного радиоизлучения».
н
Эта система (прототип) содержит широкополосный усилительный канал диапазона сверхвысоких частот (СВЧ), видеоконвертор, аналого-цифровой преобразователь напряжения (АЦП) с генератором тактовой частоты считывания выборок сигнала, вычислитель спектров на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) и компьютер, регистрирующий результаты наблюдений. К входу широкополосного усилительного канала могут подключаться модулируемые генераторы шума (ГШ), используемые при работе радиометра в модуляционном режиме или при калибровке коэффициента передачи радиометра, которая проводится известными в радиоастрономии способами. В отличие от радиометров с квадратичными детекторами, данное устройство может работать эффективно при воздействии узкополосных радиопомех, так как здесь шумовая температура широкополосного сигнала определяется по измеренному и накопленному на некотором интервале времени t спектру, из которого исключаются компоненты на частотах радиопомех.
Недостаток известного устройства (прототипа) - ограниченная частотная полоса приема и, соответственно, ограниченная чувствительность радиометра, которая определяется полосой пропускания видеоконвертора и максимальной тактовой частотой для вычислителя спектра на ПЛИС. В известном устройстве максимальная полоса приема при использовании двух каналов равна 64 МГц. Хотя современные АЦП позволяют преобразовать в цифровую форму сигналы с тактовой частотой до 5 ГГц (например, EV8AQ160 фирмы e2v) и даже если снять ограничения в видеоконверторе по полосе, известно, что для наиболее совершенных ПЛИС (например, XC5VSX35 фирмы Xilinx) максимальная тактовая частота составляет 550 МГц, что ограничивает возможность регистрировать и обрабатывать сигналы полосой не более 275 МГц.
Для радиометрических измерений наиболее слабых радиосигналов космического происхождения необходимы более широкие полосы приемного канала, например, 500, 900, или даже 2000 МГц.
Целью заявляемой полезной модели является расширение частотной полосы приема и, соответственно, повышение чувствительности и точности измерения энергетических параметров (шумовой температуры, мощности) широкополосного радиосигнала при воздействии узкополосных радиопомех.
Эта цель достигается тем, что в радиометр, содержащий широкополосный приемно-усилительный канал с аналого-цифровым преобразователем, который соединен с генератором тактовой частоты, вычислитель спектра на ПЛИС, устройство конфигурирования ПЛИС и контроллер интерфейса, соединенный с компьютером радиотелескопа и с устройством конфигурирования ПЛИС, введены (n-1) дополнительных вычислителей спектра на ПЛИС, n-канальный демультиплексор, n-канальный сумматор спектров, сигнальный процессор, соединенный с упомянутым контроллером интерфейса, и кольцевой n-элементный регистр сдвига, соединенный с упомянутыми генератором тактовой частоты, n-канальным демультиплексором и со всеми n вычислителями спектра, причем n-канальный сумматор спектров соединен с выходами n вычислителей спектра и с сигнальным процессором, выходы n-канального демультиплексора соединены со входами вычислителей спектра, а(n-1) дополнительных вычислителей спектра подключены к устройству конфигурирования ПЛИС.
т
сч
сч
т
сч
Введение n-канального демультиплексора, (n-1) дополнительных вычислителей спектра, n-канального сумматора и кольцевого n-элементного регистра сдвига позволило распределить обработку широкополосного сигнала по n каналам вычисления спектра, работающим с тактовой частотой f=f/n (где f - тактовая частота считывания выборок сигнала, которая для современных АЦП значительно больше максимальной частоты f, допустимой для ПЛИС). Это позволило регистрировать энергетические параметры широкополосного шумового сигнала в полосе до f/2, которая на современной элементной базе может достигать 5 ГГц. Каждый вычислитель спектра обрабатывает свою часть пакета выборок сигнала и накапливает реализации спектра в своей внутренней памяти (первичное усреднение). Спектры на выходах вычислителей спектров являются суммой наложений зон Найквиста спектра исследуемого широкополосного сигнала и спектров принятых радиопомех, полученных в моменты времени, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 2π/n радиан (от 0 до n-1). При достаточном накоплении спектры узкополосных радиопомех четко определяются в виде выбросов на гладком спектре широкополосного сигнала и могут исключаться из рассмотрения. По завершению цикла накопления усредненные спектры каждого вычислителя передаются в n-канальный сумматор, где происходит их вторичное покомпонентное усреднение, причем дисперсия спектральных компонентов уменьшится в  раз. Сигнальный процессор получает усредненный спектр от n-канального сумматора, из которого по амплитудному критерию исключает компоненты спектра на частотах радиопомех, а затем суммирует все оставшиеся компоненты спектра в накопительном регистре и передает полученную величину в устройство регистрации.
На рисунке 1 показана блок-схема заявляемой полезной модели. На рисунке 2 показана блок-схема модуляционного радиометра с шумовым пилот-сигналом на базе заявляемой полезной модели. На рисунке 3 показана блок-схема при работе заявляемой полезной модели в режиме модуляционного радиометра с коммутацией входа.
На этих рисунках обозначено:
1 - широкополосный приемно-усилительный канал (ШПК);
2 - Высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь напряжения (АЦП);
3 - n-канальный демультиплексор;
1
n
4-4 - высокоскоростные вычислители спектров на ПЛИС (всего n вычислителей);
5 - n-канальный сумматор спектров на ПЛИС;
6 - сигнальный процессор;
7 - контроллер интерфейса с компьютером;
8 - генератор тактовой частоты;
9 - кольцевой n-элементный регистр сдвига;
10 - устройство конфигурирования ПЛИС;
11 - модулятор коэффициента усиления;
12 - антенна;
13 - генератор шума;
14 - направленный ответвитель;
15 - переключатель.
1
n
1
n
синхр
1
n
Схема заявляемой полезной модели (Рисунок 1) содержит широкополосный приемно-усилительный канал 1, АЦП 2 (например, микросхема AT84AS008, работающая на тактовой частоте до 2.2 ГГц), демультиплексор 3 (например, AT84CS001, распределяющий цифровой поток по 4 каналам), n-вычислителей спектров на ПЛИС 4-4, n-канальный сумматор спектров 5 (например, на основе ПЛИС XC4VLX100), сигнальный процессор 6 (например, AD BF 600), контроллер интерфейса 7 (например, CY7C68013 при использовании USB 2.0 в качестве интерфейса между сигнальным процессором 6 и компьютером) и устройство регистрации (например, компьютер радиотелескопа), которые соединены последовательно. Генератор опорной частоты 8 соединен с АЦП 2 непосредственно и через кольцевой n-элементный регистр сдвига 9 соединен с демультиплексором 3 и всеми вычислителями спектра на ПЛИС 4-4. Синхронизирующие входы генератора 8 и гетеродинов приемно-усилительного канала 1 обычно подключаются к внешнему генератору высокостабильной опорной частоты f (например, к водородному стандарту частоты на радиотелескопе). Устройство конфигурирования ПЛИС 10 управляющими входами соединено с сигнальным процессором 6, а выходами - со всеми вычислителями спектра на ПЛИС 4-4 и с n-канальным сумматором спектров 5.
набл
ш
Заявляемая полезная модель может работать в любом из трех широко используемых в радиоастрономии режимах: без модуляции радиоприемного устройства (так называемом режиме компенсационного радиометра), когда сигнал накапливается непрерывно в течение времени наблюдения источника t, в модуляционном режиме с коммутацией входа и в модуляционном режиме с шумовым пилот-сигналом, в которых сведено к минимуму влияние нестабильности уровня шумов T и коэффициента усиления К в приемном канале, но сигнал принимается и накапливается лишь в течение половины времени наблюдения.
Для работы заявляемой полезной модели в режиме компенсационного радиометра она подключается непосредственно к антенне 12.
Для обеспечения работы в режиме модуляционного радиометра с шумовым пилот-сигналом (Рисунок 2) в приемно-усилительный канал 1 заявляемой полезной модели введен модулятор коэффициента усиления 11, а она сама подключается к выходу направленного ответвителя 14, к первому входу которого подключена антенна 12, а ко второму входу - выход управляемого генератор шума 13. Входы управления генератором шума 13 и модулятором 11 соединены с выходом модулирующего напряжения сигнального процессора 6.
При работе в модуляционном режиме с коммутацией входа (Рисунок 3) заявляемая полезная модель подключена к выходу переключателя 15, к первому входу которого подключена антенна 12, а ко второму - выход генератора шума 13. Выход модулирующего напряжения сигнального процессора 6 подключен к входу управления переключателя 15.
1
n
1
n
н
Работа заявляемой полезной модели в компенсационном режиме осуществляется следующим образом. При включении электропитания устройство конфигурирования ПЛИС 10 под управлением сигнального процессора 6 считывает со своей внутренней памяти коды, по которым устанавливает конфигурации ПЛИС вычислителей спектров 4-4 и n-канального сумматора спектров 5 по умолчанию. С компьютера через контроллер интерфейса 7 в сигнальный процессор 6 вводятся исходные данные для регистрации сигналов - код режима работы, в соответствии с которым загружаются конфигурации ПЛИС устройств 4-4 и 5 для обеспечения работы в компенсационном, модуляционном или модуляционном режимах с пилот-сигналом, и время приема и накопления сигнала t.
Система, подготовленная к работе указанным образом, вычисляет спектры и энергетические параметры сигнала циклически.
сч
max
max
н
н
1
n
max
т
max
н
1
n
т
сч
1
n
сч
1
n
1
x
x
s
1
x
1
x
s
АЦП 2, подключенный непосредственно к выходу широкополосного приемно-усилительного канала, считывает выборки сигнала с частотой f=2f, где f=(f+Δf) - верхняя граничная частота полосы пропускания широкополосного канала, f - нижняя граница полосы пропускания широкополосного канала. Цифровые выборки сигнала, взятые АЦП 2 с частотой считывания, распределяются циркулярно с помощью демультиплексора 3 по n вычислителям спектра 4-4, каждый из которых по прореженным в n раз пакетам выборок сигнала вычисляет реализации спектра в полосе f/n с тактовой частотой f=2/n и накапливает (усредняет) их на заданном интервале времени t. Вычислители спектра 4-4 работают по принципам, описанным в патенте РФ на полезную модель №64386 от 31.01.2007 бюллетень №18. (Гренков С.А., Ипатов А.В., Кольцов Н.Е. «Система анализа спектров узкополосных космических радиоизлучений»). АЦП 2 работает на частоте, которая в 2 раза превышает максимальную частоту сигнала на его входе, а n-вычислителей спектров, вычисляющих реализации спектра по методу быстрого преобразования Фурье (БПФ), работают на частоте f=f/n, где n - число каналов демультиплексора. На каждый из вычислителей спектра 4-4 подаются сигналы тактовой частоты f/n, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 2π/n, которые получают с помощью кольцевого сдвигового n-элементного регистра. С выхода каждого вычислителя спектра 4-4 n-канальный сумматор считывает усредненные реализации спектра, которые представляют собой сумму наложений зон Найквиста спектра исследуемого широкополосного сигнала и принятых радиопомех, полученных в моменты времени, сдвинутые относительно друг друга по фазе на 2π/n радиан. Далее и-канальный сумматор на ПЛИС 5 поэлементно суммирует (вторично усредняет) эти спектры, при этом дисперсия отсчетов спектра уменьшается в  раз (=2 при использовании AT84CS001 в качестве демультиплексора). В результате вторичного усреднения спектров узкополосные помехи можно выделить на фоне гладкого спектра собственных шумов приемной системы и исследуемого сигнала и исключить их из рассмотрения, что и делает сигнальный процессор 6 по амплитудному критерию. Исключение из рассмотрения компонентов спектра на частотах, занятых радиопомехами, и суммирование оставшихся компонентов дает суммарную мощность исследуемого сигнала и собственного шума радиотелескопа в полосе Δf=Δf-Δf, где Δf - суммарная полоса частот, занятых узкополосными помехами. Вычитая из полученной мощности мощность собственного шума радиотелескопа в той же полосе, получаем мощность или шумовую температуру T исследуемого сигнала в полосе Δf. При этом исключается влияние любых узкополосных радиопомех независимо от их длительности и вида модуляции. Результат вычислений через контроллер интерфейса 7 передается в устройство регистрации. Поскольку при вычислениях учитываются все цифровые пакеты выборок сигнала, полученных для полосы частот Δf широкополосного приемного канала, то для этой же полосы определяются и энергетические параметры шумового сигнала и, соответственно, повышаются чувствительность и точность радиометрических измерений энергетических параметров широкополосного радиоизлучения. Для узкополосных радиопомех Δf<<Δf, сужение полосы частот до Δf=Δf-Δf по сравнению с исходной полосой Δf невелико и почти не влияет на чувствительность радиометра. Переход от мощности к шумовым температурам осуществляется стандартными для радиоастрономии методами с помощью амплитудной калибровки приемно-усилительного канала. После калибровки можно вычислить мощности при настройке на сигнал и при отстройке от него, а затем по разности измеренных мощностей найти шумовую температуру T принимаемого широкополосного сигнала.
Сигнальный процессор 6 также выполняет функции декодирования команд, поступающих от компьютера через контроллер интерфейса 7, при обмене данными между компьютером и n-канальным сумматором спектров 5. С компьютера через контроллер интерфейса 7 в сигнальный процессор 6 вводятся исходные данные для регистрации данных - режим работы (компенсационный режим, модуляционный режим, модуляционный режим с шумовым пилот-сигналом), и время приема и накопления сигнала T.
1
n
с
1
n
1
n
н
Работа устройства в режиме модуляционного радиометра с шумовым пилот-сигналом (Рисунок 2) отличается тем, что ПЛИС вычислителей спектра конфигурируются и управляются таким образом, чтобы накопление спектров при включенном генераторе шума 13 и закрытом модуляторе 11, и при выключенном генераторе шума 12 и открытом модуляторе 11 накапливались в отдельных блоках памяти соответствующих накопителей вычислителей спектра 4-4. Аналого-цифровой преобразователь 2 и демультиплексор 3 работают так же, как и компенсационном режиме. Сигнальный процессор 6 в отличии от компенсационного режима здесь, кроме выполнения всех указанных выше функций, формирует напряжение модуляции - либо меандр, либо сигнал включен, либо сигнал выключен, причем фронты меандра синхронизированы с циклами вычисления спектра. Готовая к работе система вычисляет спектры циклически. Сигнальный процессор 6 подает на генератор шума 13 и модулятор 11 напряжение логического нуля (лог.0), при котором на АЦП 2 воздействует смесь принятого антенной сигнала и собственных шумов радиотелескопа с температурой T. Вычислители спектра 4-4 вычисляют и накапливают спектры при выключенном генераторе шума и сохраняют усредненный спектр в блоках памяти 1. Затем, по завершению полупериода модуляции, сигнальный процессор 6 меняет напряжение на выходе модуляции с лог.0 на лог.1. При этом включается генератор шума 13, а модулятор 11 закрывается и на вход АЦП 2 воздействует смесь шума генератора шума 13. Полученные реализации спектров накапливаются в блоках памяти 2 вычислителей спектров 4-4. Далее циклы изменения напряжения модуляции повторяются. После накопления реализации спектра за заданный интервал времени t осуществляется поэлементное вычитание спектров при включенном и выключенном генераторе шума с последующей их передачей на n-канальный сумматор спектров 5.
При работе в режиме модуляционного радиометра с коммутацией входа (Рисунок 3) отличие от работы по рассмотренной выше схеме (Рисунок 2) заключается в том, что сигнальный процессор 6 управляет переключателем 15 таким образом, чтобы на вход широкополосного канала 1 подключались попеременно выходы антенны 12 и генератора шума 13. При этом вычисленные реализации спектра, также как и при работе в режиме модуляционного радиометра с шумовым пилот-сигналом, накапливаются и усредняются раздельно для полупериодов модуляции, в течение которых принимается исследуемый сигнал (переключатель скоммутирован на выход антенны 12), и для полупериодов, во время которых поступающий от антенны сигнал замещен шумом эквивалента антенны (переключатель скоммутирован на выход генератора шума 13). Сравнение (вычитание) полученных после усреднения спектров дает энергетический спектр сигнала, принимаемого антенной радиотелескопа, который передается в сигнальный процессор 6 для исключения компонентов спектра помех.
сч
сч
сч
1
n
сч
При использовании в качестве АЦП 2 микросхемы AT84AS008, а в качестве демультиплексора 3 - AT84CS001, например, генератор 8 можно настроить на частоту f=2000 МГц, что позволяет регистрировать сигналы в полосе до 1000 МГц. Демультиплексор AT84CS001 содержит встроенный кольцевой и-элементный регистр сдвига. Поэтому n-канальный демультиплексор 3 и и-элементный регистр сдвига 9 могут быть выполнены на одной микросхеме (AT84CS001). Частота f и число дискретных частот N в спектре определяют величину разброса ν=f/2N дискретных частот в полосе анализа, где N - фиксированное число дискретных частот в одном канале вычислителей спектров 4-4. Число N задается конфигурациями ПЛИС и ограничено объемом встроенных в них блоков памяти и умножителей. Например, при использовании ПЛИС XC4VSX55, можно установить N=8192 или меньше. Конфигурации 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=1/ν. Регистрацию и запись сигналов может выполнять обычный компьютер.
По предложенной схеме в ЗАО "РЭЛТА" был изготовлен макет предлагаемой полезной модели, который был установлен на 32-метровом радиотелескопе в обсерватории "Бадары" и испытан сотрудниками Института прикладной астрономии РАН. Система испытывалась как в лабораторных условиях, так и при реальных наблюдениях космических источников радиоизлучения. В результате испытаний полностью подтверждена эффективность предлагаемого широкополосного радиометра с селекцией радиопомех, а именно достигнуто увеличение чувствительности и точности за счет расширения частотной полосы. Положительный эффект особенно заметен при анализе слабых источников в условиях воздействия радиопомех. Во время эксперимента время накопления спектра в макете широкополосного радиометра было выбрано равным 1 с, а число дискретных частот в спектре с полосой 500 МГц N=8192. При отношении «амплитуда помехи/шумы системы» = -5 дБ в случае отсутствия накопления помеха не просматривается (шумы приемной системы при калибровке мощности в единицах шумовой температуры составляли величину 67 К, а максимальная амплитуда помехи с полосой около 4,2 МГц - 20 К). При проведении радиометрических измерений полезного сигнала, амплитуда которого составляет 0,6 К, в условиях воздействии такой помехи обычным радиометром с амплитудным квадратичным детектором измеренная величина расходится с искомой на 0,168 К, то есть относительная погрешность измерений равна 28%, а это очень много. При накоплении в течении 1 с в макете широкополосного радиометра с селекцией помех спектр помехи четко просматривается на гладком спектре смеси шумов приемной системы и полезного сигнала. После исключения помехи разница между измеренным значением и искомым составила всего 0,001 К (или 0,16% в относительных величинах).
Преимущества спектрально-селективного радиометра очевидны. Можно селектировать и импульсные, и непрерывные радиопомехи. Поскольку операции исключения спектральных компонентов предшествует накопление и усреднение реализации спектра, выявляются и исключаются даже относительно слабые радиопомехи (под собственными шумами радиотелескопа).