ЦИФРОВОЕ УСТРОЙСТВО ВЫДЕЛЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ ИЗ ШИРОКОПОЛОСНОГО

Полезная модель относится к радиоастрономическим системам и предназначена для использования в системах преобразования и форматирования сигналов для комплексов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ). Модель может применяться также в радиотехнической аппаратуре различного назначения (например, в технике связи) и в измерительной аппаратуре.
В большинстве действующих комплексов РСДБ из широкополосного шумового сигнала, принятого антенной, видеоконверторами выделяются узкополосные сигналы видеочастот, которые затем преобразуются в цифровую форму, форматируются и регистрируются (записываются) с целью последующей корреляционной обработки. Из широкополосного шумового сигнала промежуточной частоты (ПЧ), например, 0,1…1 ГГц или 1…2 ГГц, перестраиваемыми видеоконверторами выделяются и преобразуются в цифровую форму узкополосные сигналы видеочастот с полосами до 32 МГц. К лучшим образцам таких РСДБ систем преобразования сигналов (СПС) относятся система, используемая на радиотелескопах РТ-32 комплекса «Квазар-КВО» (см. статью: Гренков С.А. и др. / Цифровая радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов. // Приборы и техника эксперимента, 2011, №5, С. 60-66), а также применяемая на зарубежных радиотелескопах система Mark IV DAS (см. 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). В этих системах сигналы видеочастот выделяются из широкополосного сигнала ПЧ видеоконверторами на аналоговых элементах, следствием чего являются высокая стоимость изготовления и большие габариты аппаратуры, большой технологический разброс параметров видеоконверторов, влияющий на искажения выделяемых сигналов и чувствительность радиоинтерферометра.
В настоящее время получают распространение РСДБ системы, в которых широкополосный шумовой сигнал ПЧ сначала преобразуется в высокоскоростной цифровой сигнал, а затем из него цифровыми видеоконверторами выделяются узкополосные сигналы, подлежащие регистрации в общепринятом формате. РСДБ системы с преобразованием широкополосного сигнала ПЧ в высокоскоростной цифровой сигнал представлены, например, в патентах на полезные модели: RU 175721 U1, МПК H03D 7/00, Система преобразования и форматирования сигналов для радиоинтерферометра (опубл. 15.12.2017. Бюл. №35); RU 166692 U1, МПК H03D 7/00, G01R 31/28, G01R 23/16, Н04В 17/21. Приемно-регистрирующий канал радиотелескопа (Опубл. 10.12.2016. Бюл. №34); RU 122810 U1, МПК H03D 7/00, Система преобразования и регистрации сигналов для радиоастрономического интерферометра (Опубл. 31.10.2011. Бюл. №34); RU 176177 U1, МПК H03D 7/00, Система преобразования и регистрации широкополосных сигналов для радиоастрономического интерферометра (Опубл. 11.01.2018. Бюл. №2). Цифровые способы выделения относительно узкополосных сигналов видеочастот из широкополосного цифрового сигнала применяются и в экспериментальных образцах зарубежных систем, например, DDBC (см. Tuccari G. DBBC3. A Full Digital Implimentation of the VLBI2010 Backend / International VLBI Service for Geodesy and Astrometry 2012 General Meeting Proceedings / ed. by Behrend D., Baver K.D. NASA/CP-2012-217504, 2012, P. 76-80).
Наиболее близким к заявляемому устройству прототипом является устройство выделения узкополосных цифровых сигналов из широкополосных шумовых сигналов, которое входит составной частью в систему преобразования и форматирования сигналов для радиоинтерферометра, представленную в патенте на полезную модель RU 175721 U1, МПК H03D 7/00 (Опубл. 15.12.2017, Бюл. №35). Эта система включает в себя n устройств цифрового преобразования широкополосных сигналов и М цифровых видеоконверторов, выделяющих узкополосные сигналы на заданных частотах. Каждое широкополосное устройство преобразования содержит последовательно соединенные входной аналого-цифровой преобразователь (АЦП), m-канальный распределитель цифровых выборок сигнала (демультиплексор) и m-канальный комплексный полифазный фильтр, соединенный выходами с коммутатором полосовых сигналов, к выходам которого подключаются цифровые видеоконверторы. Этими видеоконверторами затем выделяются на заданных частотах узкополосные сигналы видеочастот для последующего их форматирования по принятым в международной практике РСДБ правилам, например, по формату VDIF (Whitney A., Kettenis М., Phillips Ch., Sekido М. VLBI Data Interchandge Format (VDIF)/IVS 2010 General Miting Proceedings - Australia, Hobart, 2010. P. 192-196.).
с
д
с
т
д
c
д
п
т
В известном устройстве (прототипе) на вход АЦП поступает шумовой сигнал ПЧ с полосой В. АЦП преобразует этот широкополосный сигнал в цифровой сигнал с высокой тактовой частотой дискретизации F=2 В, а затем демультиплексором (распределителем выборок) тактовая частота понижается до значения F=F/m, при котором работают выполненные на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) основные функциональные узлы системы - полифазные фильтры и видеоконверторы. Полифазные фильтры разделяют полосу частот входного сигнала B=0,5 F на m полосовых сигналов с шириной спектра В=0,5 F. Из полученных полосовых сигналов видеоконверторами выделяются сигналы видеочастот с полосами ΔF≤32 МГц (чаще всего, ΔF=16 или 8 МГц. При этом сигналы на выходе видеконверторов формируются путем цифрового гетеродинирования вниз с последующим разделением верхней и нижней боковых полос фазовым методом.
т
с
т
п
т
г
т
т
п
При разделении боковых полос необходимо использовать фильтры с полосой пропускания ΔF. Нижняя граничная частота этой полосы всегда должна быть больше 0. Поэтому компоненты спектров выделенных сигналов вблизи нулевой частоты сильно искажены. Из-за особенностей реализации преобразования Гильберта, используемого для цифрового разделения верхней и нижней боковых полос сигнала фазовым методом, невозможно преобразовать без искажений к видеочастотам входные сигналы в узких полосах частот около нулевой частоты, тактовой частоты F и ее гармоник (см. например, Носов Е.В. «Видеоконвертор с цифровой обработкой сигналов на видеочастотахдля системы преобразования сигналов РСДБ-радиотелескопа. Труды ИПА РАН. - СПб.: Наука, 2010. Вып. 21. С. 99-105). Кроме того, могут теряться сигналы, спектр которых сосредоточен в участках полосы В, находящихся в середине между гармониками тактовой частоты F. Это связано с тем, что при преобразовании сигнала с частотами, близкими к верхней границе спектра полосового сигнала В=0,5 F, гетеродин видеоконвертора должен работать на частотах ƒ, близких к F, а при этом в течение периода гетеродинного сигнала в ПЛИС формируются только 2 отсчета его напряжения. Это ведет к неоправданным искажениям сигналов в процессе преобразования частоты и фазового разделения боковых полос в цифровом видеоконверторе. Чтобы избежать этих искажений, лучше увеличить число отсчетов гетеродинного сигнала за период хотя бы до 3. Это значит, что максимальную рабочую частоту гетеродина следует ограничить значением порядка F/3, хотя при этом ширина диапазона перестройки гетеродина сужается примерно до 0,7 В и могут появиться упомянутые недоступные для преобразования участки полосы частот входного сигнала.
Целью заявляемой полезной модели является обеспечение возможности выделения узкополосных сигналов на любых частотах в полосе частот входного широкополосного сигнала.
Эта цель достигается тем, что в цифровом устройстве выделения узкополосных сигналов, состоящем из последовательно соединенных АЦП входного широкополосного сигнала, m-канального распределителя цифровых выборок сигнала, m-канального полифазного фильтра и коммутатора полосовых сигналов, соединенного с несколькими цифровыми видеоконверторами, а также генератора импульсов дискретизации сигналов, соединенного с тактирующими входами АЦП и m-канального распределителя цифровых выборок, а также со входом m-кратного делителя частоты, выход которого соединен с тактирующими входами полифазного фильтра и цифровых видеоконверторов, к выходу m-канального распределителя цифровых выборок подключен m-канальный квадратурный смеситель, соединенный гетеродинными входами с синтезатором квадратурных сигналов, а своими выходами - с дополнительным m-канальным полифазным фильтром, выходы которого соединены с дополнительными входами коммутатора полосовых сигналов. При этом тактирующие входы синтезатора квадратурных сигналов и дополнительного полифазного фильтра соединены с выходом m-кратного делителя частоты, а частота настройки синтезатора квадратурных сигналов в четыре раза меньше тактовой частоты упомянутых полифазных фильтров и цифровых видеоконверторов.
п
c
С помощью m-канального квадратурного преобразователя частоты, образованного квадратурным смесителем и гетеродинным синтезатором частоты, полосовые сигналы, формируемые дополнительным m-канальным полифазным фильтром, смещаются по частоте на половину полосы (на 0,5 В) относительно полосовых сигналов, формируемых основным m-канальным полифазным фильтром. При этом узкополосные сигналы в участках спектра входного сигнала, которые теряются при преобразованиях в основном полифазном фильтре, можно выделять используя сигналы, смещенные по частоте с помощью дополнительно введенного комплексного полифазного фильтра. Таким образом, с помощью цифровых видеоконверторов обеспечивается выделение узкополосных сигналов на любых частотах в пределах полосы 0…B высокоскоростного цифрового сигнала, поступающего с АЦП.
На рисунке показана структурная схема заявляемой полезной модели, где обозначено:
1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
2 - m-канальный распределитель выборок сигнала (демультиплексор);
3 - m-канальный комплексный полифазный фильтр (ПФФ);
4 - коммутатор полосовых сигналов;
1
N
5, …, 5 - цифровые видеоконверторы;
д
6 - генератор импульсов частоты F дискретизации сигналов;
д
7 - делитель частоты делитель частоты F в m раз;
8 - квадратурный смеситель;
9 - синтезатор квадратурных сигналов (гетеродин);
10 - дополнительный комплексный полифазный фильтр.
т
В заявляемом устройстве АЦП выполняется на отдельной микросхеме, а другие элементы схемы формируются в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Сформированный в ПЛИС m-канальный квадратурный смеситель 8 состоит из m пар умножителей, первые входы которых подключены параллельно к источнику сигнала (к выходу одного из каналов распределителя цифровых выборок 2), причем второй вход одного из каждой пары умножителей соединен с выходом синусного сигнала гетеродина 9, а второй вход другого умножителя - с выходом косинусного сигнала гетеродина 9. Квадратурный смеситель 8 и гетеродин 9 образуют квадратурный преобразователь частоты. Синтезатор квадратурных сигналов 9, настроенный на частоту F/4, также выполняется по одной из известных схем, например, по схеме прямого синтеза частот (см. описание полезной модели RU 181253 U1 Цифровой гетеродин на программируемой логической интегральной схеме).
1
N
Вход заявляемого устройства соединен с АЦП 1, выход которого соединен с m-канальным распределителем выборок сигнала 2. Каждый из m выходов распределителя выборок 2 соединен с одним из входов основного комплексного полифазного фильтра (ППФ) 3 и с соответствующим входом m-канального квадратурного смесителя 8. Каждая пара выходов квадратурного смесителя соединена с соответствующими входами дополнительного m-канального полифазного фильтра 10. Два гетеродинных входа всех каналов квадратурного смесителя подключены соответственно к выходам синусного (Sin) и косинусного (Cos) сигналов гетеродина 9. Каждый выход основного ПФФ 3 и дополнительного ППФ 10 соединен с соответствующим входом коммутатора полосовых сигналов 4. Каждый из N выходов коммутатора 4 соединен с одним из цифровых видеоконверторов (ЦБК) 5, …, 5. Выходы ЦБК являются выходами заявляемой полезной модели для выделенных узкополосных сигналов верхней и нижней боковых полос.
т
д
c
д
п
с
п
1
N
Полезная модель работает следующим образом. Входной широкополосный цифровой сигнал с тактовой частотой дискретизации FA распределителем цифровых выборок 2 разделяется на m потоков с тактовой частотой F=F/m, которые поступают в комплексный ППФ 3. С помощью него входной сигнал с полосой B=F/2 разделяется на m сигналов с полосой В=В/m, причем спектр каждого полученного полосового сигнала переносится к нулевой частоте (в область частот 0…В). В этой низкочастотной полосе работают ЦВК 5, …, 5, выделяющие N произвольно расставленных частотных каналов с полосой пропускания ΔF и разделением верхней и нижней боковых полос
т
т
п
т
п
т
1
N
Кроме того, каждый сформированный распределителем 2 поток выборок с тактовой частотой F поступает на m-канальный квадратурный смеситель 8, который работает на частоте F/4 и смещает спектр сигнала на величину В/2=F/4. Квадратурные сигналы с выходов смесителя поступают в дополнительный m-канальный комплексный ППФ 10. Он также разделяет входной широкополосный сигнал на m сигналов с полосой В, но полученные при этом полосовые сигналы будут сдвинуты на половину ширины спектра сигналов, формируемых ПФФ 3. Используя полосовые сигналы, получаемые с помощью квадратурного смесителя и ППФ 10, видеоконверторами 5 можно выделять узкополосные сигналы в тех участках полосы частот входного сигнала (около гармоник частоты F и в середине между ними), которые были недоступны при использовании только ПФФ 3. И наоборот, в недоступных при использовании ППФ 10 участках полосы частот входного сигнала можно работать, используя полосовые сигналы от ПФФ 3. Удобные для работы ЦВК 5, …, 5 полосовые сигналы выбираются с помощью коммутатора 4. Таким образом, обеспечивается выделение узкополосных сигналов из цифрового широкополосного сигнала на любых частотах (в пределах полосы спектра широкополосного сигнала).
Экспериментальный образец заявляемой полезной модели изготовлен на микросхеме АЦП ADC081500 фирмы Texas Instruments и ПЛИС ХС7К325Т фирмы Xilinx. Испытания образца подтвердили эффективность модели и выполнение заявленной цели.