CN105466549B - 一种射电天文接收机噪声源的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种射电天文接收机噪声源的控制系统，该系统由地面单元和天线单元组成，位于观测室中的部分称之为地面单元，位于射电望远镜的高频仓中的部分称之为天线单元。地面单元其主要作用是将各个终端的噪声源控制信号进行统一转换‑选择‑转换，将其中一个终端的控制信号送入到天线单元。天线单元的作用是接收来自地面单元的差分信号，再经过转换‑选择‑转换，将此控制信号送给指定接收机的噪声源。本发明所述的系统采用的差分信号对噪声源中的微波开关进行控制，而非对噪声源电源直接进行控制，这样的好处在于噪声源一直处于上电状态，其噪声温度稳定性更好。

Description

一种射电天文接收机噪声源的控制系统

技术领域

本发明涉及一种射电天文接收机噪声源的控制系统。

背景技术

无线电电子学领域所说的噪声是指存在于器件、电路设备或通信信道中不带任何信息的不规则信号，通常称为电噪声，而产生噪声的源称其为噪声源。在射电天文观测中，一个射电源的流量强度有多大，必须有一个标准尺度来衡量，这个标准尺度一般采用噪声源，噪声源在作为观测用标准尺之前，自身也必须得到精确地测量，这一测量过程称为噪声源定标。定标的好坏直接影响到天文观测的结果，因此噪声源的定标非常重要。

本发明南山天文观测基地目前共有五个波段的接收机。由于我国在天文事业方面的技术还不是非常成熟，绝大部分接收机和终端都是由国外的天文研究机构研制。因为没有一个统一的规划，造成了不同终端和不同接收机对噪声源的控制方法不同，有的是差分信号控制，有的是电源控制，有的是晶体管-晶体管逻辑电平(TTL)信号控制。终端位于观测室，接收机在射电望远镜的高频仓内，它们之间距离约为100米。每一台接收机的噪声源控制线缆都是独立从高频仓铺设到观测室的，在一定程序上增加了线缆的数量。在每次观测之前需要专门的工程师去把相应的接收机的噪声源的控制线缆接到指定的终端上，在一定程度上增加了观测准备时间降低了观测效率，也增加了操作和维护难度。

中国发明专利201410587909.1《一种直接检波式辐射计自动测试设备》公开了对噪声源电源进行控制，而本发明采用的差分信号对噪声源中的微波开关进行控制，而非对噪声源电源直接进行控制，这样的好处在于噪声源一直处于上电状态，其噪声温度稳定性更好。

中国发明专利201410834232.7《基于Volterra滤波器的非线性窄带主动噪声控制方法》公开了基于Volterra滤波器的非线性窄带主动噪声控制方法，该方法中提到对噪声的消除，并会有残余噪声，而且没有说明噪声强度、频率是多少，本发明旨在对校准过的，具有固定频率和噪声温度(强度)的噪声源进行信号的通断控制，本发明中的噪声源对于不同波段的接收机其频率不同，噪声温度也是不同的，比如新疆天文台南山观测基地C波段的制冷接收机的噪声源频率只在4GHz-6GHz，噪声温度为1.7K，此噪声源关断时，衰减达到80dB以上。

发明内容

本发明目的在于，提供一种射电天文接收机噪声源的控制系统，该系统由地面单元和天线单元组成，位于观测室中的部分称之为地面单元，位于射电望远镜的高频仓中的部分称之为天线单元。地面单元其主要作用是将各个终端的噪声源控制信号进行统一转换-选择-转换，将其中一个终端的控制信号送入到天线单元。天线单元的作用是接收来自地面单元的差分信号，再经过转换-选择-转换，将此控制信号送给指定接收机的噪声源。本发明所述的系统采用的差分信号对噪声源中的微波开关进行控制，而非对噪声源电源直接进行控制，这样的好处在于噪声源一直处于上电状态，其噪声温度稳定性更好。

本发明所述的一种射电天文接收机噪声源的控制系统，该控制系统是由地面单元和天线单元两部分组成；其中地面单元是由信号接收器、第一数据选择器、第一差分信号驱动器、第一处理器、第一存储器、第一控制及指示和第一收发器组成；天线单元是由第二处理器、第二存储器、第二数据选择器、第二差分信号驱动器、差分信号接收器、第二控制及指示和第二收发器组成；在地面单元(1)中第一处理器(6)分别与信号接收器(4)、第一数据选择器(3)、第一差分信号驱动器(2)、第一存储器(9)、第一控制及指示(8)和第一收发器(7)连接，终端(5)与信号接收器(4)连接，信号接收器(4)与数据选择器(3)和差分信号驱动器(2)串接；天线单元(11)中的第二处理器(16)分别与差分信号接收器(12)、第二数据选择器(13)、第二差分信号驱动器(14)、第二收发器(17)、第二控制及指示(18)和第二存储器(19)连接，噪声源(15)与第二差分信号驱动器(14)、第二数据选择器(13)和差分信号接收器(12)串接，地面单元(1)中的第一差分信号驱动器(2)与天线单元(11)中的差分信号接收器(12)连接，地面单元(1)中的第一收发器(7)与天线单元(11)中的第二收发器(17)连接，并在第一收发器(7)与第二收发器(17)之间连接其他设备(10)，地面单元(1)中接收各类终端(5)的控制信号，将控制信号通过信号接收器(4)进行转换，传送给天线单元(11)；天线单元(11)接收到来自地面单元(1)中的信号，将信号进行转换传送到目的接收机噪声源(15)，对噪声源(15)进行控制；

地面单元(1)中，在第一处理器(6)的控制下，信号接收器(4)接收来自终端(5)的信号，第一处理器(6)根据数据内容进行解析，由信号接收器(4)或第一处理器(6)产生一个TTL信号连接到第一数据选择器(3)上，然后再控制第一数据选择器(3)，再将通过第一数据选择器(3)的信号连接到第一差分信号驱动器(2)上，第一差分信号驱动器(2)转换成差分信号传送给天线单元(11)，信号接收器(4)为若干个不同类型的接收器，用以接收不同的信号。

天线单元(11)中差分信号接收器(12)接收来自地面单元(1)中的信号，并转换成为TTL信号，输入到第二数据选择器(13)上，第二处理器(16)根据控制字选择，使TTL信号进入到第二差分信号驱动器(14)中，转换成差分信号传输到噪声源(15)上，天线单元(11)中的第二收发器(17)、第二数据选择器(13)、第二存储器(19)分别与地面单元(1)中的第一收发器(7)、第一数据选择器(3)、第一存储器(9)具有相同的功能和组织结构，第二差分信号驱动器(14)为若干个，用以驱动不同的多个噪声源。

地面单元(1)从接收信号，将信号进行转换-选择-转换，到天线单元(11)将信号接收，进行信号转换-选择-转换，这个过程信号延迟小于12微秒。

天线单元(11)和地面单元(1)各自有一个唯一的设备标识符ID，用于设备之间的区分及状态数据返回的目的地；每帧数据由ID和控制字组成，允许系统以外的具有区别于系统设备ID的设备接入本系统，接收到数据后，判断数据来自什么设备，并执行相应控制字的操作，再反馈状态到发送数据的设备，报告状态。

天线单元(11)和地面单元(1)在接收到数据后，会将控制字进行存储，当设备在第一次启动时会读取存储器中的控制字，并执行该控制字的操作。

地面单元(1)在第一次启动时会向天线单元(11)索取其状态信息，天线单元(11)就会将状态字反馈给地面单元(1)，在地面单元(1)上进行状态显示；天线单元(11)在第一次启动时会向地面单元(1)发送状态信息，用于地面单元(1)上进行状态显示。

本发明所述的一种射电天文接收机噪声源的控制系统，该控制系统在地面单元中有各个终端的显示功能，即当前工作的是哪一个终端，有各个波段噪声源的显示功能，噪声源工作状态显示，本地控制功能，远程控制功能，噪声源控制信号输入端口，数据总线端口等。地面单元有连接不同终端的控制信号的各类信号输入端口，控制信号由不同类型的信号接收器接收，同过一系列的转换，使其转换为TTL信号，再由数据选择器，选择一个终端的控制信号通过地面单元，以差分信号的形式传送给天线单元。天线单元有各个接收机噪声源的工段状态显示，本地控制及远程控制功能，控制信号接收端口，数据总线端口和控制信号输出端口。天线单元将接收到来自地面单元的信号转换成TTL信号，再将此信号送入到数据选择器中，通过本地控制或者远程控制，使TTL信号通过数据选择器到达指定的差分信号驱动器上转换为差分信号，再将此信号送到噪声源中。

在终端产生控制噪声源的信号时，可以从地面单元观察到噪声源的开/关状态，并且有当前是哪个波段的噪声源处于工作的状态指示。

可以运用地面单元上的各类控制操作对其进行本地控制，切换任意一个终端信号通过、切换任意一个波段的噪声源接收控制信号。

当地面单元从关机到开机第一次启动时，地面单元会加载存储在存储器中的控制命令，使可以恢复之前的一次工作状态(终端选择状态)，会请求天线单元的状态数据，如果天线单元在线，则会请求到当前哪个波段的噪声源处于被选中的状态，并显示在地面单元的指示器上。

天线单元的作用是接收来自地面单元的差分信号，再经过转换-选择-转换，将此控制信号送给指定接收机的噪声源。天线单元有各个接收机噪声源的工段状态显示，本地控制及远程控制功能，控制信号接收端口，数据总线端口和控制信号输出端口。天线单元将接收到来自地面单元的信号转换成TTL信号，再将此信号送入到数据选择器中，通过本地控制或者远程控制，使TTL信号通过数据选择器到达指定的差分信号驱动器上转换为差分信号，再将此信号送到噪声源中。

在操作天线单元本地控制噪声源时，天线单元还会将本次操作的噪声源指示状态发送给地面单元，以实现同步指示。

当天线单元从关机到开关第一次启动时，天线单元也会加载存储器中的控制命令，使之恢复之前的一次工作状态(噪声源选择状态)，会将读取的控制命令转换成噪声源指示状态命令发送到地面单元，并显示在地面单元的指示器上。

可以在数据总线上接入其它设备，如计算机，能够通过计算机对地面单元和天线单元进行远程控制，在远程控制情况下，地面单元和天线单元将会被锁定，失去本地控制能力，直到远程控制设备发送解锁命令。远程控制设备既可以对地面单元和天线单元进行控制，也可以查询两个单元的工作状态等。

本发明中的其它设备(10)为计算机，其它设备(10)也可以是能够兼容本发明系统，能够与本系统进行数据交换的电子设备及软件。

通过此噪声源控制系统，地面单元将所有的天文观测终端的控制信号进行转换-选择-转换，通过远程控制或者是本地控制，使得一个观测终端的控制信号通过地面单元，以差分信号形式传输到天线单元中；天线单元将接收到的差分信号进行转换-选择-转换，由远程控制或者是本地控制，使转换后的信号进入要被控制的噪声源的通道，再转换成差分信号，传输到指定的噪声源中。在没有天文观测终端的情况下也能通过地面单元和天线单元的本地控制功能对指定的一个噪声源进行控制。当天文观测需要噪声时，通过本发明系统打开噪声源，使噪声信号进入接收机中，当天文观测不需要时则关闭噪声源，而非上述专利方法能有效抑制受非线性扭曲的窄带噪声。转换-选择-转换及传输时间一般要求很短，视具体天文观测求所定，目前所要求的天文观测，如脉冲星观测，控制信号传输延迟不大于10毫秒，所以噪声源控制系统在转换及传输控制信号所有时间不能大于10毫秒。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明地面单元运行流程图；

图3为本发明天线单元运行流程图。

具体实施方式

本发明结合附图进行详细描述，但应该了解，本发明提供可在各种具体上下文中的适用的发明性概念。所论述的具体实施例仅仅说明用以实施和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。

实施例

本发明所述的一种射电天文接收机噪声源的控制系统，该控制系统是由地面单元和天线单元两部分组成；其中地面单元是由信号接收器、第一数据选择器、第一差分信号驱动器、第一处理器、第一存储器、第一控制及指示和第一收发器组成；天线单元是由第二处理器、第二存储器、第二数据选择器、第二差分信号驱动器、差分信号接收器、第二控制及指示和第二收发器组成；在地面单元1中第一处理器6分别与信号接收器4、第一数据选择器3、第一差分信号驱动器2、第一存储器9、第一控制及指示8和第一收发器7连接，终端5与信号接收器4连接，信号接收器4与数据选择器3和差分信号驱动器2串接；天线单元11中的第二处理器16分别与差分信号接收器12、第二数据选择器13、第二差分信号驱动器14、第二收发器17、第二控制及指示18和第二存储器19连接，噪声源15与第二差分信号驱动器14、第二数据选择器13和差分信号接收器12串接，地面单元中1的第一差分信号驱动器2与天线单元11中的差分信号接收器12连接，地面单元中1的第一收发器7与天线单元11中的第二收发器17连接，并在第一收发器7与第二收发器17之间连接其他设备10计算机，地面单元1接收各类终端5的控制信号，将控制信号通过信号接收器4进行转换，传送给天线单元11；天线单元11接收到来自地面单元1的信号，将信号进行转换传送到目的接收机噪声源15，对噪声源15进行控制；

地面单元1中，在第一处理器6的控制下，信号接收器4接收来自终端5的信号，第一处理器6会根据数据内容进行解析，由信号接收器4或第一处理器6产生一个TTL信号连接到第一数据选择器3上，然后再控制第一数据选择器3，再将通过第一数据选择器3的信号连接到第一差分信号驱动器2上，第一差分信号驱动器2转换成差分信号传送给天线单元11；

天线单元11中差分信号接收器12接收来自地面单元1的信号，并转换成为TTL信号，输入到第二数据选择器13上，第二处理器16根据控制字选择，使TTL信号进入到第二差分信号驱动器14中，转换成差分信号传输到噪声源15上，天线单元11中的第二收发器17、第二数据选择器13、第二存储器19分别与地面单元1中的第一收发器7、第一数据选择器3、第一存储器9具有相同的功能和组织结构，第二差分信号驱动器14为若干个，用以驱动不同的多个噪声源；

地面单元1从接收信号，将信号进行转换-选择-转换，到天线单元11将信号接收，进行信号转换-选择-转换，这个过程信号延迟小于12微秒；

天线单元11和地面单元1各自有一个唯一的设备标识符ID，用于设备之间的区分及状态数据返回的目的地；每帧数据由ID和控制字组成，允许系统以外的具有区别于系统设备ID的设备接入本系统，接收到数据后，判断数据来自什么设备，并执行相应控制字的操作，再反馈状态到发送数据的设备，报告状态；

天线单元11和地面单元1在接收到数据后，会将控制字进行存储，当设备在第一次启动时会读取存储器中的控制字，并执行该控制字的操作；

地面单元1在第一次启动时会向天线单元11索取其状态信息，天线单元11就会将状态字反馈给地面单元1，在地面单元1上进行状态显示；天线单元11在第一次启动时会向地面单元1发送状态信息，用于地面单元1上进行状态显示；

图1，该系统具有相互通信的地面单元1和天线单元11，同时可以接入一个或者是多个能地面单元1和天线单元11进行控制和状态采集的设备。将地面单元1的设备标识符设为0X41，天线单元11的设备标识符设为0X42，其它设备10的标识符设为0X01；

地面单元1中第一处理器6连接的第一存储器9，第一存储器9是非易失性存储器，例如可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除只读存储器(EEPROM)、闪存等等；与第一处理器6连接的还有信号接收器4和第一数据选择器3，信号接收器4和第一数据选择器3又与终端5相串连接；终端5可以是一个或者是多个终端设备；信号接收器4可以是多种不同的类型，例如以太网接收、差分信号接收、TTL信号接收、串行数据接收等等，若某终端的控制信号为串行数据，则将此信号连接到地面单元1的串行数据接收端口上，第一处理器6会根据数据内容进行解析，由信号接收器4或第一处理器6产生一个TTL信号连接到第一数据选择器3上，第一数据选择器3可以是硬件芯片，也可以是硬件和软件的组合实施，最终将选择的信号连接到第一差分信号驱动器2上，产生一个差分信号传送给天线单元11；第一处理器6与第一控制及指示8连接，用于能终端和噪声源状态的控制和指示；第一处理器6与第一收发器7连接，第一收发器7可以是以太网芯片、局域网总线芯片、RS485/RS422总线芯片，甚至是无线传输芯片等等，用于和天线单元11以及其它设备10进行数据通信；

天线单元11中第二处理器16相连接的第二存储器19、第二控制及指示18、第二收发器17，差分信号接收器12接收来自地面单元1的信号，并转换成为TTL信号，输入到第二数据选择器13上，第二处理器16根据控制字选择，使TTL信号进入到第二差分信号驱动器14中，转换成差分信号传输到噪声源15上；天线单元11中的第二收发器17、第二数据选择器13、第二存储器19分别与地面单元中的第一收发器7、第一数据选择器3、第一存储器9具有相同的功能和组织结构，第二差分信号驱动器14可以是若干个，用以驱动不同的多个噪声源；

图2为地面单元1的运行流程，地面单元1从上电开始，进行内部程序初始化20，再读取存储器执行指令21，以及地面单元第一数据选择器3的状态、第一控制及指示8的状态，以及向天线单元11索取状态信息；

执行完存储器中的指令后程序进入等待接收数据22，直到有数据接收到，如果有数据了，判断数据来自何种设备，这里有本地输入数据，来自天线单元11的数据和其它设备10的数据；

若数据来自本地输入的数据，再进行设备是否解锁24，如果未解锁，程序回到等待接收数据22状态，如果设备解锁，程序执行本地控制26，切换终端或噪声源控制及状态指示28，完毕后程序回到等待接收数据22；

若数据是来自计算机或天线单元命令23，是计算机命令，第一字节为设备标识符0X01，第二字节则包含控制或解锁/锁定命令25，进一步再判断，若是解锁/锁定命令，则执行解锁/锁定设备27，若是控制命令，则存储指令到存储器29，并切换终端或噪声源控制及状态指示30；

若数据是来自天线单元11，第一字节应该0X42，第二字节为噪声源状态指示31信息；

所有执行完之后，程序最终回到等待接收数据22状态；

图3位天线单元11的运行流程，初始化33与地面单元1一样，进行内部程序初始化，读取存储器执行指令34，以及向地面单元1发送状态信息；

这些执行完之后，程序进入等待接收数据35，与地面单元1程序接收数据类似，也有本地输入数据，其它设备10数据，和来自地面单元1的数据；

若数据来自本地输入的数据，再进行设备是否解锁36，如果未解锁，程序回到等待接收数据35状态，如果设备解锁，程序执行本地控制37，噪声源控制及状态指示38，完毕后程序回到等待接收数据35；

若数据是来自计算机或地面单元命令40，是计算机命令，第一字节为设备标识符0X01，第二字节则包含控制或解锁/锁定命令41，进一步再判断，若是解锁/锁定命令，则执行解锁/锁定设备43。若是控制命令，则存储指令到存储器42，并进行噪声源控制及状态指示44，最终程序回到等待接收数据35状态。

尽管已详细描述本发明及其优点，但应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替代和更改。此外，本发明的范围不应该限于说明书中记载的内容。所属领域的一般技术人员将从本发明的披露内容中容易了解到，可根据本发明利用执行与本文本所述对应实施例大致相同的功能或实现与本文所述对应实施例大致相同的效果。

Claims (7)

1.一种射电天文接收机噪声源的控制系统，其特征在于该控制系统是由地面单元和天线单元两部分组成；其中地面单元是由信号接收器、第一数据选择器、第一差分信号驱动器、第一处理器、第一存储器、第一控制及指示和第一收发器组成；天线单元是由第二处理器、第二存储器、第二数据选择器、第二差分信号驱动器、差分信号接收器、第二控制及指示和第二收发器组成；在地面单元（1）中第一处理器(6)分别与信号接收器（4）、第一数据选择器（3）、第一差分信号驱动器（2）、第一存储器（9）、第一控制及指示（8）和第一收发器（7）连接，终端（5）与信号接收器（4）链接，信号接收器（4）与数据选择器（3）和差分信号驱动器（2）串接；天线单元（11）中的第二处理器（16）分别与差分信号接收器（12）、第二数据选择器（13）、第二差分信号驱动器（14）、第二收发器（17）、第二控制及指示（18）和第二存储器（19）连接，噪声源（15）与第二差分信号驱动器（14）、第二数据选择器（13）和差分信号接收器（12）串接，地面单元（1）中的第一差分信号驱动器（2）与天线单元（11）中的差分信号接收器（12）连接，地面单元（1）中的第一收发器（7）与天线单元（11）中的第二收发器（17）连接，并在第一收发器（7）与第二收发器（17）之间连接其他设备（10），地面单元（1）中接收各类终端（5）的控制信号，将控制信号通过信号接收器（4）进行转换，传送给天线单元（11）；天线单元（11）接收到来自地面单元（1）中的信号，将信号进行转换传送到目的接收机噪声源（15），对噪声源（15）进行控制。

2.根据权利要求1所述的射电天文接收机噪声源的控制系统，其特征在于地面单元（1）中，在第一处理器（6）的控制下，信号接收器（4）接收来自终端（5）的信号，第一处理器（6）根据数据内容进行解析，由信号接收器（4）或第一处理器（6）产生一个TTL信号连接到第一数据选择器（3）上，然后再控制第一数据选择器（3），再将通过第一数据选择器（3）的信号连接到第一差分信号驱动器（2）上，第一差分信号驱动器（2）转换成差分信号传送给天线单元（11），信号接收器（4）为若干个不同类型的接收器，用以接收不同的信号。

3.根据权利要求1所述的射电天文接收机噪声源的控制系统，其特征在于天线单元（11）中差分信号接收器（12）接收来自地面单元（1）的信号，并转换成为TTL信号，输入到第二数据选择器（13）上，第二处理器（16）根据控制字选择，使TTL信号进入到第二差分信号驱动器（14）中，转换成差分信号传输到噪声源（15）上，天线单元（11）中的第二收发器（17）、第二数据选择器（13）、第二存储器（19）分别与地面单元（1）中的第一收发器（7）、第一数据选择器（3）、第一存储器（9）具有相同的功能和组织结构，第二差分信号驱动器（14）为若干个，用以驱动不同的多个噪声源。

4.根据权利要求1所述的射电天文接收机噪声源的控制系统，其特征在于地面单元（1）从接收信号，将信号进行转换-选择-转换，到天线单元（11）将信号接收，进行信号转换-选择-转换，这个过程信号延迟小于12微秒。

5.根据权利要求1所述的射电天文接收机噪声源的控制系统，其特征在于天线单元（11）和地面单元（1）各自有一个唯一的设备标识符ID，用于设备之间的区分及状态数据返回的目的地；每帧数据由ID和控制字组成，允许系统以外的具有区别于系统设备ID的设备接入本系统，接收到数据后，判断数据来自什么设备，并执行相应控制字的操作，再反馈状态到发送数据的设备，报告状态。

6.根据权利要求1所述的射电天文接收机噪声源的控制系统，其特征在于天线单元（11）和地面单元（1）在接收到数据后，会将控制字进行存储，当设备在第一次启动时会读取存储器中的控制字，并执行该控制字的操作。

7.根据权利要求1所述的射电天文接收机噪声源的控制系统，其特征在于地面单元（1）在第一次启动时会向天线单元（11）索取其状态信息，天线单元（11）就会将状态字反馈给地面单元（1），在地面单元（1）上进行状态显示；天线单元（11）在第一次启动时会向地面单元（1）发送状态信息，用于地面单元（1）上进行状态显示。