CN202794329U - 一种基于欠采样的射电天文宽带辐射计系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于欠采样的射电天文宽带辐射计系统，由前端抗干扰滤波器、宽输入ADC电路、数字信号处理器、数据处理计算机依序连接组成；其中数字信号处理器中由抑制干扰数字滤波器、数字检波模块、嵌入式处理器依序连接组成。本实用新型利用欠采样技术可以实现在低采样率条件下的宽带模拟信号采集，同时在后端的数字信号处理系统中可以对模数转换器（Analog to Digital Convertor，ADC）送来的信号进行滤波预处理以消除无线电干扰（Radio Frequency Interference，RFI），选择“干净”的无线电频段。最后，在数字信号处理系统中可以方便、高速的实现数字检波运算，在高速检波运算条件下可以实现多种积分时间以适合不同的观测需求。
Description
技术领域
本实用新型涉及基于欠采样的射电天文宽带辐射计系统，是射电天文观测装置新结构技术领域。
技术背景
射电天文辐射计的基本原理是：检测某一频带内信号总功率的变化，实现对目标射电源的流量监测。根据灵敏度与观测带宽之间的关系：
辐射计能检测到的最小射电流量Smin与积分时间t和输入信号带宽B成反比。拥有更宽的输入信号带宽和更长的积分时间，则辐射计检测微弱信号的能力将更强。
目前传统的射电天文辐射计时基于检波二极管的，检波二极管通过其载流子与输入信号功率之间的对应关系，输出的直流电压与输入信号的总功率呈线性关系，由此来确定输入宽带信号的总功率大小。
检波二极管的检波方式存在几点问题：1.载流子易受到自然因素的影响，其输出直流电压的不能准确反应输入功率信息，这是模拟器件的“通病”；2.这种检波方式是全通带内检波的，将整个输入信号进行平方检波运算，此时整个通带内的无线电干扰信号也被检测输出，在检测微弱信号的条件下，无法从强大的无线电干扰信号中区分射电源的流量变化。
通过ADC的宽输入带宽在较低的采样率条件下实现对ADC全输入带宽内信号的采样称之为欠采样，欠采样实现了在低采样率条件下对宽输入信号的采集，且全部保留了原始的时域信号，为后一步滤波、降噪处理提供了方便。
本实用新型就是基于ADC的欠采样原理，充分利用了ADC的宽输入带宽，达到射电天文辐射计所需的宽输入特点，另外在数字检波之前，在时域中处理干扰信号，减轻了无线电干扰对最后数据的影响，同时数字滤波器具有的某些模拟滤波器不具备的特性，可以尽量保留观测频段，提高效率。
本实用新型的检波模块采用的与模拟器件完全不同方式，采用程序计算方式不会受到外界影响，具有极高的稳定性和可靠性。
发明内容
一种基于欠采样技术的射电天文宽带辐射计系统主要解决无线电干扰以及自然条件对检波精度的影响，力求检波数据稳定同时又力求宽输入带宽之间的矛盾。
一种基于欠采样的射电天文宽带辐射计系统，本实用新型特征在于：由前端抗干扰滤波器、宽输入ADC电路、数字信号处理器、数据处理计算机依序连接组成；其中数字信号处理器中由抑制干扰数字滤波器、数字检波模块、嵌入式处理器依序连接组成。
本实用新型利用某些ADC的宽输入特性，对宽输入的射电天文信号进行采集，另一方面由于这些ADC的采样率较低产生的数字速率较低，有利于后端数字信号处理器进行信号处理；
在数字处理器中能够对无线电干扰信号进行进一步滤波处理，利用数字滤波器较之优良的性能：更陡峭的本实用新型过渡带宽度和更平坦的通带，能够很好的滤除无线电干扰，较多的保留有效信号；
本实用新型利用数字检波的方法获得输入信号的功率值，通过嵌入数字信号处理器的检波模块进行计算，由于计算公式不变，为此较之于检波二极管其稳定性更好，不受外界自然条件影响；
本实用新型利用高速记录在数据处理计算机中的原始功率信号，根据不同的观测需要的时间分辨率设置不同的积分时间，达到适合多种观测的目的。
奈奎斯特第二定理表明采样率小于奈奎斯特率也能完整采集和恢复信号：
fsample=2(fH-fL)(1+M/N)=2B(1+M/N) (1)
其中B=fH-fL为带通信号的带宽；N为不超过fH/(fH-fL)的最大正整数；M=[fH/(fH-fL)]-N。为此当采样率满足公式(1)时，可以用较低的速率采集较高频率的带通信号。进而在低速率条件下可以实现对宽带数据的完全采集和恢复，如图3所示。
其具体实现方法如下：
1．在宽带宽内有强干扰存在的情况下输入信号很容易造成ADC的饱和。因此必须通过前端建立抗干扰滤波器的办法予以先期抑制。根据观测带内的强无线电干扰情况，设计滤波器的通带过渡带和阻带的抑制度；
2．采用宽输入带宽（Bw1，一般为几百MHz到几GHz）、低采样率ADC实现对整个频带内输入信号的采集，相当于使整个系统实现了一个带宽为BW1的检波二极管；
3．采集后数据送入数字信号处理器进行信号处理，由于弱的无线电干扰信号的变换仍能影响最终的数据质量，首先必须通过数字滤波器组选择“干净”的无线电频带，数字滤波器组的构建依据仍然是根据无线电干扰的分布情况，设置滤波器的通带、过渡带宽度以及阻带抑制度。由于数字滤波器较之于模拟滤波器在阻带抑制，过渡带速度控制上面有不可比拟的优势，为此在数字信号处理器中能选择出几乎“纯净”的观测频段，如图4所示。
4．对采集数据的平方检波采用公式:
P=|x|2
将输入信号先取绝对值，在进行平方运算，所得结果就是该信号的功率，由于采用的数学公式恒定，所以不会受到自然条件的影响；
5.通过嵌入式处理器系统将检波所得数据通过总线传入计算机中，由于在高速采样下进行的平方检波，在计算机中即可以保留原始数据也可以根据不同的观测需要进行多种积分运算。
其关键在于：
1.首先ADC具有一定的动态输入范围，这个最大输入动态范围决定了ADC的最大输入功率，为此必须调研射电天文台本地的无线电情况，根据ADC的最大输入功率先期滤除一些强无线电干扰，因为在模拟链路上增加过多的滤波器会造成整个接收机系统的噪声增加不利于微弱信号的检测。为此在选择和设计模拟滤波器时，应首先滤除最强的几个无线电干扰信号，一旦输入信号最大功率满足条件，即可不增加模拟滤波器，而由数字滤波器完成；
2.由于有些无线电干扰较为微弱在长时间积分条件下才能看到，这样的干扰仍能影响观测为此在进一步调查无线电干扰时需要长时间积分数据，为后端的数字滤波器的设计做好依据；
3.利用嵌入式系统方便的与计算机实现通信，利用总线协议将检波后数据尽可能快的传入计算机保存，由于利用更高时间分辨率（time resolution）原始数据可以实现更多的积分方式，
根据观测源的不同可以选择不同的积分时间，这样可以大大提高观测数量。
本实用新型的效果为，本实用新型具有高稳定性，宽输入范围以及灵活的时间分辨的特点。
1.通过前端抗干扰滤波器滤除了部分强无线电信号，这类信号在传统的射电天文辐射计中是影响观测数据的最主要因素；2.通过ADC的欠采样技术，可以减低最终采样的数据率，为后端的数字信号处理减轻压力，同时该处理是在时域上进行的，可以方便的对数据进行滤波、减噪等处理；3.通过计算机将尽可能多的原始功率数据进行存储，可以基于原始数据进行不同时间的积分运算，这样可以实现对不同射电源的观测，具有时间分辨率灵活的特点。
附图说明
图1为本实用新型连接结构示意图；
图2为数字信号处理系统连接结构示意图；
图3在低速率条件下对宽带数据的采集和恢复；
图4为观测频段图。
具体实施方式
见图1，图2，一种基于欠采样的射电天文宽带辐射计系统，其特征在于：由前端抗干扰滤波器、宽输入ADC电路、数字信号处理器、数据处理计算机依序连接组成；其中数字信号处理器中由抑制干扰数字滤波器、数字检波模块、嵌入式处理器依序连接组成。
本实用新型利用某些ADC的宽输入特性，对宽输入的射电天文信号进行采集，另一方面由于这些ADC的采样率较低产生的数字速率较低，有利于后端数字信号处理器进行信号处理；
在数字处理器中能够对无线电干扰信号进行进一步滤波处理，利用数字滤波器较之优良的性能：更陡峭的本实用新型过渡带宽度和更平坦的通带，能够很好的滤除无线电干扰，较多的保留有效信号；
本实用新型利用数字检波的方法获得输入信号的功率值，通过嵌入数字信号处理器的检波模块进行计算，由于计算公式不变，为此较之于检波二极管其稳定性更好，不受外界自然条件影响；
本实用新型利用高速记录在数据处理计算机中的原始功率信号，根据不同的观测需要的时间分辨率设置不同的积分时间，达到适合多种观测的目的。
利用抗干扰模拟滤波器滤除强无线电干扰，利用欠采样技术实现宽带宽采集、低速率处理，利用数字滤波器提取优良观测频段，利用原始数据进行多种积分时间的灵活观测。
为了设计前端抗干扰模拟滤波器首先必须调研射电天文台本地的无线电环境情况，首先根据无线电干扰和射电天文信号之间的频谱相对位置确定抗干扰模拟滤波器的各项指标：通带宽度、阻带衰减以及过渡带宽；
根据ADC的实际情况，输入带宽和射电接收机情况确定对应的观测频率，这是确定观测数据定标的重要依据。另外，必须明确ADC的输入信号功率动态范围，确保其输入信号在其动态范围内，否则调节模拟接收机参数；
在测试无线电干扰时，通过长时间、不同方向以及不同旋相的积分，确定时间间断的微弱无线电干扰，为数字滤波器的设计提供依据；
在对检波信号进行数字积分时，首先选择不同的射电源，强源需要的积分时间短，弱源需要的积分时间长，在程序中预置不同射电源的最佳积分时间，在选择观测源时调入。
Claims (1)
1.一种基于欠采样的射电天文宽带辐射计系统，其特征在于：由前端抗干扰滤波器、宽输入ADC电路、数字信号处理器、数据处理计算机依序连接组成；其中数字信号处理器中由抑制干扰数字滤波器、数字检波模块、嵌入式处理器依序连接组成。
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| CN201220428563.7U CN202794329U (zh) | 2012-08-27 | 2012-08-27 | 一种基于欠采样的射电天文宽带辐射计系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN (1) | CN202794329U (zh) |
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2012
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