RU156823U1

RU156823U1 - Канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра

Info

Publication number: RU156823U1
Application number: RU2015114952/08U
Authority: RU
Inventors: Николай Ефимович Кольцов; Леонид Васильевич Федотов
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2015-11-20

Abstract

Канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра, содержащий последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь сигналов, m-кратный распределитель выборок сигнала, m-канальный квантователь амплитуд выборок сигнала и формирователь данных, соединенный с синхронизатором импульсов секунд, который связан с первичным датчиком времени, а также генератор сигнала тактовой частоты F, соединенный с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, m-кратным распределителем выборок сигнала и генератором меандра частоты F/m, выход которого соединен с m-канальным квантователем амплитуд выборок, с формирователем данных и с синхронизатором импульсов секунд, отличающийся тем, что введен счетчик импульсов с ключом на входе, причем сигнальный вход ключа соединен с генератором сигнала тактовой частоты, первый управляющий вход ключа - с первичным датчиком времени, а второй управляющий вход ключа - с выходом синхронизатора импульсов секунд, управляющий вход счетчика импульсов соединен с первичным датчиком времени, а выход счетчика импульсов - с формирователем данных.

Description

Полезная модель относится к радиоастрономической аппаратуре и предназначена для использования на радиотелескопах, работающих в составе радиоинтерферометров, особенно в радиоинтерферометрах со сверхдлинными базами (РСДБ). В первую очередь это относится к РСДБ нового поколения, в которых используются небольшие антенны и цифровые каналы преобразования шумовых сигналов с широкими (например, 0.5-1 ГГц) полосами (см. например, Ипатов А.В. Радиоинтерферометр нового поколения для фундаментальных и прикладных исследований. Успехи физических наук, 2013, т. 183, №7, с. 769-777).

Канал преобразования на РСДБ-радиотелескопах преобразует аналоговый шумовой сигнал, поступающий с выхода радиоастрономического приемного устройства, в последовательности цифровых выборок, квантует эти выборки по амплитуде в соответствии с общепринятыми правилами, форматирует квантованные выборки по определенному стандарту (например, в международном формате VDIF - VLBI Date Interchange Format) и передает полученный поток данных наблюдений на РСДБ-коррелятор для последующей обработки. Известны разные схемы построения каналов преобразования сигналов (см. например, Niell A. et al. RDBE Development and Progress. IVS 2010 General Meeting Proceedings, p. 396-399; Tuccary G. et al. Full Digital EVN and VLBI2010 backend Project Progress. Proceedings of the 21^st Meeting of the European VLBI Group for Geodesy and Astronomy. Report of the Finnish Geodetic Institute, Kirkkunummi, 2013, p. 3-7; Гренков С.А., Кольцов H E., Носов E.В., Федотов Л.В. Цифровая система преобразования сигналов для астрономических радиоинтерферометров с небольшими антеннами. Приборы и техника эксперимента, М: Наука, 2011, №6, с. 21-26).

Наиболее близкими по назначению и технической сущности является широкополосный канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра, предложенный в патенте РФ на полезную модель №130463 от 04.02.2013 г.

В известном устройстве (прототипе) аналого-цифровым преобразователем (АЦП) с тактовой частотой F_сч. считываются многоразрядные цифровые выборки входного шумового сигнала, которые распределяются по т параллельно работающим двухбитовым квантователям амплитуд выборок. Из квантованных выборок формируются в заданном формате (например, VDIF) информационные слова, в которых положение (место) каждого бита строго привязано к шкале времени форматера, задаваемой метками времени (так называемым сигналом 1PPS - one pulse per second). Этот сигнал вырабатывается синхронизатором импульсов секунд, запускаемым импульсами от первичного датчика времени (например, от приемника системы GPS/ГЛОНАСС). Передний фронт импульса 1PPS совпадает с передним фронтом меандра частоты F_сч./m, управляющего работой m-канального квантователя и формирователя данных РСДБ наблюдений. Из массива данных наблюдений, включающих информационные слова и дополнительную служебную информацию, форматируется поток данных, передаваемый на РСДБ-коррелятор.

В известном устройстве АЦП непрерывно считывает выборки сигнала с частотой F_сч. и передает их в m-кратный распределитель выборок (демультиплексор), который набирает т выборок и циклически обновляет их с частотой F_сч./m. Набор из m выборок переписывается в т каналов двухбитового квантования амплитуд. При этом порядковые номера каналов амплитудного квантования соответствуют порядковым номерам выборок сигнала, которые набираются демультиплексором. При появлении импульса 1PPS в том же порядке квантованные двухбитовые выборки начинают размещаться в информационные слова VDIF. При этом считается, что с учетом заранее заданной задержки импульса 1PPS начальный бит начального информационного слова (бит №0 в слове №0) относится к выборке шумового сигнала, считанной АЦП в момент времени t₀, когда появился импульс секунд от первичного датчика времени. С учетом этого положения РСДБ-коррелятор позиционирует кросскорреляционные функции и кросскорреляционные спектры сигналов, принимаемых радиотелескопами интерферометра, и вычисляет групповые задержки сигнала на базе интерферометра.

Цифровые выборки шумового сигнала, считываемые АЦП с частотой F_сч., заполняют распределитель сигнала (демультиплексор) непрерывно. Его состояние обновляется с периодом m/F_C4 независимо от поступающих с первичного датчика времени импульсов секунд и сигналов 1PPS. С тем же периодом m/F_сч. из распределителя на вход m-канального квантователя амплитуд переписываются га выборок, заполнивших распределитель. Выборки из распределителя переписываются в каналы квантователя амплитуд в момент появления сигнала 1PPS, который в процессе синхронизации с меандром частоты m/F_сч. может сместиться относительно началу очередной секунды по шкале времени радиотелескопа, формируемой первичным датчиком времени. Поэтому выборка шумового сигнала, считанная в момент времени t₀, может попасть не в канал квантования амплитуд с порядковым номером 0, а в какой-то другой канал с порядковым номером от 1 до m-1. Это соответствует смещению шкалы времени форматера на величину i/F_сч., где i - номер канала квантования амплитуд, в которой поступила выборка сигнала, считанная в момент t₀. Смещение шкалы времени - случайная величина в пределах от 0 до (m-1)/F_сч. Это смещение при корреляционной обработке данных вносит дополнительную погрешность в оценку задержки принимаемого радиосигнала на базе радиоинтерферометра.

Цель заявленной полезной модели - исключить эту дополнительную погрешность, вызванную смещением шкалы времени форматера из-за случайной задержки импульса 1PPS относительно секундного импульса от первичного датчика времени. Эта цель достигается тем, что в канал преобразования сигналов, содержащий последовательно соединенные АЦП, m-кратный распределитель выборок сигнала, m-канальный квантователь амплитуд выборок сигнала и формирователь данных, соединенный с синхронизатором импульсов секунд, который связан с первичным датчиком времени, а также генератор сигнала тактовой частоты F_сч., соединенный с управляющим входом АЦП, m-кратным распределителем выборок сигнала и генератором меандра частоты m/F_сч., выход которого соединен с m-канальным квантователем амплитуд выборок, с формирователем данных и с синхронизатором импульсов секунд, введен счетчик импульсов с ключом на входе, причем сигнальный вход ключа соединен с генератором сигнала тактовой частоты, первый управляющий вход ключа - с первичным датчиком времени, а второй управляющий вход ключа - с выходом синхронизатора импульсов секунд. Причем управляющий вход счетчика импульсов соединен с первичным датчиком времени, а выход счетчика импульсов - со входом служебной информации формирователя данных.

Счетчик импульсов регистрирует и передает в форматер данных число импульсов тактовой частоты F_сч. и соответственно число i выборок сигнала, считанных АЦП на интервале времени от момента появления запускающего импульса от первичного датчика времени до появления фронта импульса 1PPS, синхронизированного с фронтом импульса меандра частоты m/F_сч., который тактирует работу m-кратного распределителя выборок, m-канального квантователя амплитуд выборок и формирователя данных. Зарегистрированный счетчиком код i однозначно определяет смещение шкалы времени форматера i/F_сч.

На рисунке показана блок-схема заявленной полезной модели, где обозначено:

1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

2 - m-кратный распределитель выборок сигнала;

3 - m-канальный квантователь амплитуд выборок;

4 - формирователь данных;

5 - синхронизатор импульсов секунд;

6 - генератор сигнала тактовой частоты F_сч.;

7 - генератор меандра частоты;

8 - электронный ключ;

9 - счетчик импульсов.

АЦП 1, m-кратный распределитель выборок 2, m-канальный квантователь амплитуд выборок 3 и формирователь данных 4 соединены последовательно. Вход АЦП является входом канала преобразования сигналов, а выход формирователя данных - выходом канала. Выход генератора сигнала тактовой частоты 6 соединен с тактовым входом АЦП, входом генератора меандра 7, тактирующим входом m-канального распределителя выборок 2 и сигнальным входом ключа 8. Выход генератора меандра 7 соединен с тактирующими входами синхронизатора импульсов секунд, m-канального квантователя амплитуд выборок 3 и формирователя данных 4. Сигнальный вход синхронизатора импульсов секунд 5, первый управляющий вход ключа 8 и вход сброса счетчика импульсов соединены с первичным датчиком времени радиотелескопа. Выход синхронизатора импульсов секунд 5 соединен со вторым управляющим входом ключа 8 и с синхронизирующим входом формирователя данных 4. Выход ключа 8 соединен с сигнальным входом счетчика импульсов 9, выход которого соединен со входом служебной информации формирователя данных 4.

Заявленное устройство работает следующим образом. АЦП 1 с тактовой частотой F_сч., получаемой от генератора 6, преобразует входной шумовой сигнал в n-битные коды цифровых выборок, где n - разрядность АЦП. Коды выборок через m-кратный распределитель 2 поступают в m-канальный квантователь амплитуд выборок 3, который с тактовой частотой F_сч./m формирует 2m-битные слова, соответствующие 2-битному амплитудному квантованию напряжения входного шумового сигнала по пороговым уровням U<-σ, -σ≤U<0, 0≤U<σ и σ≤U, где σ - вычисленное значение среднеквадратического отклонения напряжения сигнала. Полученные 2 m-битные слова переписываются в формирователь данных 4, который работает в формате VDIF, рекомендуемом для перспективных радиоинтерферометров со сверхдлинными базами. В формирователе слова упаковываются в кадры, к которым добавляются заголовки и необходимая служебная информация для последовательной передачи кадров в центр корреляционной обработки данных.

Меандр тактовой частоты F_сч./m формируется в генераторе меандра 7 синхронно с сигналом тактовой частоты F_сч., поступающим от генератора 6. Формирователь данных 4 запускается при получении импульса метки времени (1PPS), который формируется синхронизатором импульсов секунд 5 и совпадает по фронту с меандром тактовой частоты F_сч./m, по которому 2m-битные слова переписываются в формирователь данных. При этом начальный бит начального информационного слова выходного потока данных соответствует нулевой выборке сигнала в 2m-битном слове, присутствовавшем на входе формирователя данных 4 в момент поступления импульса 1PPS от синхронизатора 5. Запуск синхронизатора 5 осуществляется первым секундным импульсом от первичного датчика времени, момент поступления которого случайный. В этой части заявленное устройство работает так же, как известное устройство (прототип).

Для определения и регистрации случайного смещения шкалы времени форматера, которое соответствует смещению фронта импульса 1PPS относительно шкалы времени радиотелескопа, определяемой секундными импульсами от первичного датчика времени, первым же из этих импульсов сбрасывается в ноль счетчик импульсов 9 и открывается ключ 8. Импульсы тактовой частоты F_сч. от генератора 6 начинают поступать на счетчик 9. После формирования импульса 1PPS в синхронизаторе 5 ключ 8 закрывается и в счетчике 9 оказывается зарегистрированным код i, однозначно определяющий смещение шкалы времени форматера i/F_сч. Этот код передается в формирователь данных 4 для включения в состав служебной информации, поступающей на коррелятор вместе с потоками квантованных сигналов от каждого радиотелескопа. Код i учитывается при вычислении задержки сигнала на базе радиоинтерферометра. Тем самым исключается дополнительная погрешность измерения задержки сигнала радиоинтерферометром. Сброс счетчика 9 в исходное состояние производится тем же импульсом секунд от первичного датчика времени, который открывает ключ.

Устройство может быть реализовано на микросхемах АЦП (например, ADC081500 фирмы National Semiconductor), программируемых логических интегральных схемах (например, XC6SLX100T, Spartan-6 или ХС7К32Т, Kintex-7 Xilinx) и других микросхемах широкого применения. Высокочастотный счетчик импульсов с ключом на входе реализуется, например, на микросхемах SY10/100E137 фирмы Micrel, способных работать на тактовой частоте до 1,8 ГГц.

По заявленному устройству изготовлены и испытаны в лабораторных условиях и на радиоинтерферометре комплекса «Квазар-КВО» два опытных образца.

Claims

Канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра, содержащий последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь сигналов, m-кратный распределитель выборок сигнала, m-канальный квантователь амплитуд выборок сигнала и формирователь данных, соединенный с синхронизатором импульсов секунд, который связан с первичным датчиком времени, а также генератор сигнала тактовой частоты F_сч, соединенный с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя, m-кратным распределителем выборок сигнала и генератором меандра частоты F_сч/m, выход которого соединен с m-канальным квантователем амплитуд выборок, с формирователем данных и с синхронизатором импульсов секунд, отличающийся тем, что введен счетчик импульсов с ключом на входе, причем сигнальный вход ключа соединен с генератором сигнала тактовой частоты, первый управляющий вход ключа - с первичным датчиком времени, а второй управляющий вход ключа - с выходом синхронизатора импульсов секунд, управляющий вход счетчика импульсов соединен с первичным датчиком времени, а выход счетчика импульсов - с формирователем данных.