RU175721U1

RU175721U1 - Система преобразования и форматирования сигналов для радиоинтерферометра

Info

Publication number: RU175721U1
Application number: RU2017132248U
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Гренков; Николай Ефимович Кольцов; Леонид Васильевич Федотов
Priority date: 2017-09-14
Filing date: 2017-09-14
Publication date: 2017-12-15

Abstract

Полезная модель относится к радиоастрономическим системам и может быть использована на радиотелескопах, работающих в составе комплексов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Система содержит n аналого-цифровых преобразователей (АЦП) широкополосных сигналов с m-канальными демультиплексорами, к выходам каждого из которых подключен m-канальный полифазный фильтр. Выходы всех фильтров через равнодоступный коммутатор соединены со входами N цифровых видеоконверторов (ЦВК), которые через квантователи амплитуд цифровых выборок соединены с форматером данных. АЦП и демультиплексоры тактируются от генератора импульсов дискретизации непосредственно, полифазные фильтры и ЦВК - через m-кратный делитель частоты, а квантователи - через дополнительный делитель. Каждый ЦВК содержит пару перемножителей входного сигнала с квадратурными гетеродинными сигналами, фазовый селектор, частотопонижающие фильтры нижних частот и выходной переключатель.Полоса частот каждого из n поступающих на вход сигналов с полосой частот В считывается АЦП с тактовой частотой ƒ=2B и разделяется полифазным фильтром на m поддиапазонов шириной В=В/m с одновременным снижением в m раз тактовой частоты следования выборок сигнала. Равнодоступным коммутатором сигнал любого из m поддиапазонов любого из n каналов подключается на вход любого ЦВК, который может перестраиваться в полосе частот Ви выделяет сигнал с относительно узкой полосой частот. После квантования выделенные узкополосные сигналы объединяются и форматируются в выходной цифровой поток, обеспечивая совместимость с существующими узкополосными системами.

Description

Полезная модель относится к радиоастрономическим системам преобразования сигналов (СПС), применяемым на радиотелескопах, которые работают в составе комплексов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ).

На современных радиотелескопах, проводящих регулярные РСДБ-наблюдения, широко используются многоканальные СПС, которые выделяют до 16 шумовых сигналов с полосами частот ΔF (обычно 16 или 8 МГц). Выделенные полосы распределены в полосе пропускания радиоастрономического приемного устройства (РПУ), достигающей по ширине 0,9 ГГц. К таким СПС относится, например, система Р1002М, используемая на радиотелескопах РТ-32 РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» (см. статью: Гренков С.А., Кольцов Н.Е., Носов Е.В., Федотов Л.В. Цифровая радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов // Приборы и техника эксперимента. М.: Наука, 2010. №5. С. 60-66). На зарубежных радиотелескопах также применяются подобные СПС, например, система VLBA4, разработанная в США (см. статью: 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), или японская система K-4 (см. статью: Hitoshi Kiuchi, Jun Amagai, Shinichi Наша and Michito Imae. K-4 VLBI Data-Acquisition System // Publications of the Astronomical Society of Japan (PASJ), GB, Oxford Academic, 1997. Vol.49, Issue 6. P. 699-708). С помощью таких систем обычно регистрируются сигналы в двух диапазонах волн: 8 сигналов в диапазоне X и 6…8 сигналов в диапазоне S. Шумовые сигналы промежуточных частот (ПЧ) с полосами частот шириной 0,9 ГГц по коаксиальным линиям с магистральными усилителями передаются от РПУ, установленных на антенне, к СПС, которые из-за больших габаритов устанавливаются в стационарных помещениях обсерватории. В СПС из широкой полосы ПЧ с помощью нескольких видеоконверторов выделяются сигналы с относительно узкими полосами ΔF≤16 МГц, которые преобразуются в цифровую форму, а затем форматируются по принятым в международной практике стандартам и передаются в центр корреляционной обработки данных. СПС с узкополосными каналами используются на радиотелескопах с антеннами достаточно большого диаметра (32 и более метров), чтобы обеспечить чувствительность радиоинтерферометра, необходимую для регистрации весьма слабых шумовых радиосигналов космического происхождения.

В последнее время в РСДБ-сетях стали применять малогабаритные радиотелескопы, например, РТ-13 (см. статью: Ипатов А.В. Радиоинтерферометр нового поколения для фундаментальных и прикладных исследований // Успехи физических наук. М.: Наука, 2013. Том 183, №7. С. 769-777). Чтобы обеспечить необходимую чувствительность радиоинтерферометра на таких радиотелескопах оцифровываются и форматируются шумовые сигналы ПЧ с широкими полосами частот В, например 5=512 МГц (см. статью: Кольцов Н.Е., Маршалов Д.А., Носов Е.В., Федотов Л.В. Цифровая система преобразования широкополосных сигналов для астрономических радиоинтерферометров // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. СПб.: СПбГЭТУ, 2014. Вып.1. С. 34-40. А также - описание патента РФ на полезную модель №122810, МПК H03D 7/00). За счет расширения полосы регистрируемого сигнала полностью компенсируются потери чувствительности радиоинтерферометра при переходе от больших антенн к небольшим антеннам. Цифровые широкополосные системы преобразования сигналов компактны и могут размещаться на антенне рядом с РПУ, вследствие чего исключаются коаксиальные линии передачи сигналов от РПУ к СПС и потери чувствительности, связанные с искажениями шумовых сигналов и фазовой нестабильностью линий передачи. Кроме того, снижаются эксплуатационные расходы, и повышается надежность аппаратуры.

Наиболее близким к заявляемой модели устройством (прототипом) является полезная модель «Система преобразования и регистрации сигналов для радиоастрономического интерферометра», описание которой дано в патенте № 122810, МПК H03D 7/00. Эта система содержит n каналов цифрового преобразования шумовых сигналов с полосой частот В=512 МГц. Каждый канал содержит входной аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с m-канальным демультиплексором, обеспечивающим последующую цифровую обработку параллельно m выборок сигнала, и ряд цифровых компараторов, соединенных с вычислителем среднеквадратического значения (СКЗ) выборок. Компараторы вместе с вычислителем СКЗ образуют квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала. АЦП и демультиплексоры во всех каналах тактируются генератором сигналов частоты дискретизации ƒ_D - 1024 МГц при В=512 МГц. Выходы цифровых компараторов соединены с форматером данных. Полученные данные привязаны к шкале времени с помощью датчика импульсов секунд. Скорость потока данных, получаемых системой преобразования широкополосных сигналов, очень большая (у данного прототипа 2 Гбит в секунду в каждом из 8 каналов). Поэтому для обработки данных, получаемых от радиотелескопов с такими системами, необходимы специализированные высокоскоростные программные РСДБ-корреляторы, так как эти данные не могут обрабатывать корреляторы узкополосных сигналов, используемые в действующих РСДБ-сетях, где радиотелескопы оснащены традиционными СПС. По этой причине затруднена интеграция перспективных радиотелескопов, оснащенных цифровыми широкополосными системами, в существующие РСДБ-сети, активно работающие по отечественным и международным программам наблюдений.

Цель заявляемой полезной модели состоит в устранении этого недостатка путем выделения из цифрового широкополосного сигнала N узкополосных (ΔF≤16 МГц) сигналов и представлении выделенных сигналов в форме, принятой для действующих РСДБ-сетей с традиционными СПС, что позволит подключать к этим сетям новые радиотелескопы с цифровыми широкополосными системами преобразования сигналов. Дополнительная цель состоит в миниатюризации системы и обеспечении возможности размещения ее на антенне (рядом с РПУ), чтобы исключить громоздкие и недостаточно надежные коаксиальные линии передачи аналоговых широкополосных сигналов ПЧ от РПУ на антенне к аппаратуре в стационарном помещении.

Для достижения первой цели в систему, содержащую n аналого-цифровых преобразователей широкополосных сигналов с m-канальными демультиплексорами (распределителями) цифровых выборок на выходах, N квантователей амплитуд цифровых выборок, соединенных выходами с форматером данных, который синхронизирующим входом соединен с датчиком импульсов секунд, а также генератор импульсов дискретизации сигналов, соединенный с тактирующими входами всех аналого-цифровых преобразователей и демультиплексоров, а также с m-кратным делителем частоты, введены n m-канальных полифазных фильтров, равнодоступный коммутатор, N цифровых видеоконверторов и дополнительный делитель частоты. Входы полифазных фильтров соединены с выходами соответствующих демультиплексоров цифровых выборок, а выходы полифазных фильтров - с равнодоступным коммутатором, к выходам которого подключены N цифровых видеоконверторов. Выход каждого из видеоконверторов соединен со входом одного из квантователей амплитуд цифровых выборок. Выход упомянутого m-кратного делителя частоты соединен с тактирующими входами всех полифазных фильтров и цифровых видеоконверторов, а через дополнительный делитель частоты соединен с тактирующими входами всех квантователей амплитуд цифровых выборок.

Каждый цифровой видеоконвертор содержит два перемножителя сигналов, которые первыми входами соединены с входом видеоконвертора, вторыми входами соединены с синтезатором квадратурных гетеродинных сигналов, а выходами - с фазовым селектором сигналов, содержащим косинусный и синусный фазосдвигающие фильтры, соединенные с сумматором и вычитателем кодов, выходы которых через частотопонижающие фильтры нижних частот соединены с выходным переключателем.

Полоса частот каждого из n поступающих на вход системы широкополосных сигналов, считываемых АЦП с тактовой частотой ƒ_D=2В, разделяется полифазным фильтром на m поддиапазонов шириной В₁=В/m с одновременным снижением в m раз тактовой частоты ƒ_D следования выборок входного сигнала u(i), где i - порядковый номер выборки. Равнодоступным коммутатором сигнал любого из m поддиапазонов любого из n каналов подключается на вход любого из N цифровых видеоконверторов. Цифровым видеоконвертером, который может перестраиваться в полосе частот В₁, выделяется сигнал с относительно узкой полосой ΔF (например, ΔF=16 МГц или 8 МГц). После 2-битового квантования выделенных узкополосных сигналов они объединяются и форматируются по принятым в практике РСДБ стандартам, например, в формате VDIF (см. статью Whitney Alan, Kettenis Mark et al. VLBI Data Interchange Format (VDIF) // IVS 2010 General Meeting Proceedings. - Australia, Hobart, 2010. - P. 192-196). Полученные в результате форматирования данные преобразуются в цифровой поток, который передается для дальнейшей корреляционной обработки данных.

Вторая цель заявляемой модели достигается тем, что в рассматриваемой системе все m-канальные полифазные фильтры, равнодоступный коммутатор, цифровые видеоконверторы, квантователи амплитуд цифровых выборок и форматер данных сформированы в одной программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Применение цифровых видеоконвероторов с цифровыми синтезаторами квадратурных гетеродинных сигналов, которые выполнены по схеме, предложенной в заявке на патент на полезную модель №2017115686 от 03.05.2017 г., позволило полностью исключить аналоговые элементы и разместить N (не менее 16) цифровых видеоконвертеров в одной ПЛИС вместе с другими цифровыми устройствами, включая n m-канальных полифазных фильтров (например, n=3 и m=8), равнодоступный коммутатор, N квантователей и форматер VDIF.

На рисунке 1 показана структурная схема заявляемой модели, а на рисунке 2 - структурная схема цифрового видеоконвертора. На рисунках обозначено:

1 - генератор импульсов частоты ƒ_D дискретизации сигналов;

2₁…2n - аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

3₁…3_n - m-канальные демультиплексоры цифровых выборок сигнала;

4 - делитель частоты ƒ_D в m раз;

5 - программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС);

6₁…6_n - m-канальные полифазные фильтры (ПФФ);

7 - равнодоступный коммутатор (Км);

8₁-8_N - цифровые видеоконверторы;

9₁…9_N - квантователи амплитуд цифровых выборок сигналов;

10 - форматер данных VDIF;

11 - дополнительный делитель частоты;

12 - датчик импульсов секунд;

13₁ и 13₂ - перемножители сигналов;

14 - синтезатор квадратурных гетеродинных сигналов;

15 - фазовый селектор сигналов;

16 - косинусный фазосдвигающий фильтр (Cos-фильтр);

17 - синусный фазосдвигающий фильтр (Sin-фильтр);

18 - сумматор кодов;

19 - вычитатель кодов;

20₁ и 20₂ - выходные частотопонижающие фильтры нижних частот;

21 - переключатель.

Вход каждого АЦП 2 является одним из входов заявляемой модели. АЦП через демультиплексор 3 соединен с одним из ППФ 6. Выходы всех ППФ 6 соединены с коммутатором 7. К выходам коммутатора 7 подключаются входы цифровых видеоконверторов 8, причем посредством коммутатора 7 к одному из выходов ППФ 6 могут быть подключены несколько видеоконверторов.

В цифровом видеоконверторе 8 вход соединен с двумя перемножителями (13₁ и 13₂). Второй вход одного из перемножителей 13₁ соединен с косинусным выходом синтезатора гетеродинных сигналов 14, а второй вход другого перемножителя 13₂ - с синусным выходом синтезатора 14. Выход перемножителя 13₁ соединен с синфазным входом (I) фазового селектора сигналов 15, а выход перемножителя 13₂ - с квадратурным входом (Q) фазового селектора 15. Синфазный вход селектора 15 соединен с первыми входами сумматора 18 и вычитателя 19 через косинусный фазосдвигающий фильтр 16. Квадратурный вход селектора 15 соединен со вторыми входами сумматора 18 и вычитателя 19 через синусный фазосдвигающий фильтр 17. Выходы сумматора 18 и вычитателя 19 через частотопонижающие фильтры нижних частот 20 соединены с входами переключателя 21, выход которого является выходом цифрового видеоконвертора.

Каждый цифровой видеоконвертор 8 соединен с одним из квантователей амплитуд цифровых выборок 9. Выходы всех квантователей 9 соединены с форматером данных 10, синхронизирующий вход которого соединен с датчиком импульсов секунд 11. Генератор импульсов частоты дискретизации 1 соединен с тактирующими входами всех АЦП 2 и демультиплексоров 3, а также с m-кратным делителем частоты 4, выход которого соединен с тактирующими входами всех полифазных фильтров 6 и цифровых видеоконверторов 8 непосредственно, а через дополнительный делитель частоты 11 - с тактирующими входами квантователей амплитуд 9.

Выход форматера 10 является выходом системы, заявляемой как полезная модель. Полифазные фильтры 6, коммутатор 7, цифровые видеоконверторы 8, квантователи 9, форматер 10 и дополнительный делитель частоты 11 сформированы в ПЛИС 5.

Заявляемая система подключается к выходам каналов РПУ и работает следующим образом. Шумовой сигнал ПЧ, ограниченный по ширине полосы выходным фильтром соответствующего канала РПУ, поступает на АЦП 2, который управляется сигналом тактовой частоты ƒ_D, поступающим от генератора 1. Цифровые выборки сигнала распределяются m-канальным демультиплексором 3 так, что на соответствующие входы ПЛИС 5 поступают одновременно m выборок сигнала, которые распределяются по m каналам полифазного фильтра 6. Тактовая частота работы ПЛИС ƒ_D/m задается делителем частоты 4, который соединен с упомянутым генератором 1. Каждый m-канальный цифровой полифазный фильтр 6 разделяет сигнал с полосой частот В на m полосовых сигналов (поддиапазонов) шириной В₁=В/m, причем спектры всех полосовых сигналов переносятся в область низких частот 0…В₁ с одновременным снижением в m раз тактовой частоты следования выборок сигналов. Полифазная фильтрация осуществляется известным способом, включающим перемножение кодов выборок сигнала с кодами весовой функции, формирующей амплитудно-частотную характеристику полосового сигнала на выходе фильтра, m-канальное комплексное преобразования Фурье и фазовое разделение комплексного сигнала на два действительных сигнала с полосой В₁. Методы реализации цифровых полифазных фильтров рассмотрены, например, в книге: Лайонс Ричард. Цифровая обработка сигналов. Пер. с англ. М.: ООО «Бином-Пресс», 2006. - 656 с. Таким образом, от n m-канальных полифазных фильтров на коммутатор 7 поступают nm сигналов с полосой частот В₁. С помощью коммутатора 7 любой из этих сигналов может быть подан на вход любого из N цифровых видеоконверторов 8.

В видеоконверторе 8 входной цифровой сигнал с тактовой частотой ƒ₁=ƒ_D/m поступает на перемножители 13. Синтезатор 14 формирует гетеродинные сигналы Cos(2πƒ_gt_i) и Sm(2πƒ_gt_i), где ƒ_g - рабочая частота гетеродина, t_i=i/ƒ₁ - дискретное текущее время. В результате преобразования частот с перемножителей 13 снимается пара сигналов, сдвинутых по фазе один относительно другого на 90°, причем каждый из этих сигналов содержит составляющие нижней и верхней (относительно частоты ƒ_g) боковых полос. Фильтрами 16 и 17, которые в паре образуют квадратурный фильтр, эти сигналы дополнительно смещаются по фазе один относительно другого на 90°, после чего сигналы суммируются или вычитаются. Фазосдвигающие фильтры 16 и 17 формируются путем перемножения весовой функции, формирующей амплитудно-частотную характеристику фильтра, на функцию косинуса (в одном фильтре) или синуса (в другом фильтре). В результате работы фазового селектора 15 на одном его выходе выделяется сигнал нижней боковой полосы, а на другом - сигнал верхней боковой полосы. Полосы пропускания ΔF выходных сигналов цифрового видеоконвертора (например, 16 МГц) формируются фильтрами 20, которые работают с понижением тактовой частоты в М раз (до значения ƒ₂=2ΔF). Необходимый для регистрации узкополосный сигнал одной из боковых полос выбирается переключателем 21.

Синтезатор квадратурных гетеродинных сигналов 14 выполнен по схеме, описанной в заявке на патент на полезную модель №2017115686 от 03.05.2017 г.

Выделенные узкополосные сигналы цифровым квантователем амплитуд 9 квантуются по. уровням u(i)<u₀, u₀≤u(i)<0, 0≤u(i)<u₀ и u{i)>u₀, где u₀ - СКЗ выборок. В этой части заявленная полезная модель работает так же, как известная система (прототип). Двухбитные коды квантованных узкополосных сигналов поступают в форматер данных 10, где эти сигналы форматируются в международном стандарте VDIF, который широко используется в практике РСДБ (см. например, статью: Whitney Alan, Kettenis Mark et al. VLBI Data Interchange Format (VDIF) // IVS 2010 General Meeting Proceedings. - Australia, Hobart, 2010. - P. 192-196). Одновременно можно форматировать N (обычно до 16) узкополосных сигналов. В форматере осуществляется привязка данных к шкале времени, формируемой датчиком импульсов секунд 12. В качестве датчика импульсов секунд 12, также как и в прототипе, используется приемник глобальной навигационной системы ГЛОНАСС/GPS. Форматер данных 10 формирует кадры наблюдаемых данных с привязкой их к шкале времени известными способами, с которыми можно ознакомиться, например, в описании патента РФ на полезную модель №130463 «Широкополосный канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра» МПК7 Н03D 7/00.

В отличие от прототипа в заявляемой системе квантователи амплитуд выборок 9 и форматер 10 работают с пониженной тактовой частотой ƒ₂=2ΔF. Сигнал частоты ƒ₂ снимается с дополнительного делителя частоты 11. С такой же частотой работают квантователи и форматеры данных в многоканальных СПС на большинстве современных радиотелескопов, что позволяет сопрягать оснащенные предлагаемой системой радиотелескопы с действующими РСДБ-сетями.

Экспериментальный образец системы для преобразования и форматирования трех (n=3) широкополосных (В=512 МГц) сигналов реализован следующим образом. Генератор 1 импульсов частоты дискретизации сигналов (ƒ_D=1024 МГц) выполнен на микросхемах автогенератора UMX-153-D16 фирмы Universal Microwave Corporation и фазовой автоподстройки частоты ADF4106 ВСР фирмы Analog Device. АЦП 2 так же, как и в прототипе, выполняются на микросхемах ADC081500 фирмы Texas Instruments, которые содержат встроенные демультиплексоры. Но демультиплексоры 3 могут выполняться и в виде отдельных микросхем. Делитель частоты 4 выполнен на микросхеме Si 53311 фирмы Silicon Labs. Датчик импульсов секунд 12 - стандартный приемник ГЛОНАСС/GPS. Экспериментальный образец содержит три широкополосных канала, в каждый из которых входит АЦП 2, демультиплексор 3 и полифазный фильтр 6. Это позволяет проводить наблюдения в типовом для PCДБ режиме - прием сигналов Х-диапазона волн в полосе до 1 ГГц (что требует двух широкополосных каналов) и сигналов S-диапазона, для которого достаточно одного широкополосного канала. Три 8-канальных полифазных фильтра 6, равнодоступный коммутатор 7, шестнадцать цифровых видеоконверторов 8, шестнадцать квантователей амплитуд цифровых выборок 9 и форматер данных VDIF реализованы в конфигурации ПЛИС ХС7К325Т фирмы Xilinx. Лабораторные испытания изготовленного макета предлагаемой системы подтвердили возможность выделения из широкополосного сигнала и форматирования до 16 сигналов с полосами частот ΔF=16 МГц или 8 МГц. Сигнал с полосой 8 МГц формируется из сигнала с полосой 16 МГц методом децимации (прореживания) выборок сигнала.

Claims

1. Система преобразования и форматирования сигналов для радиоинтерферометра, содержащая n аналого-цифровых преобразователей широкополосных сигналов с m-канальными демультиплексорами на выходах, N квантователей амплитуд цифровых выборок, соединенных выходами с форматером данных, который синхронизирующим входом соединен с датчиком импульсов секунд, а также генератор импульсов дискретизации сигналов, соединенный с тактирующими входами всех аналого-цифровых преобразователей и m-канальных демультиплексоров, а также с m-кратным делителем частоты, отличающаяся тем, что к выходам каждого m-канального демультиплексора подключено по одному m-канальному полифазному фильтру, соединенному выходами с равнодоступным коммутатором, а к выходам этого коммутатора подключены N цифровых видеоконверторов, выход каждого из которых соединен со входом одного из упомянутых квантователей амплитуд цифровых выборок, причем выход упомянутого m-кратного делителя частоты соединен с тактирующими входами всех полифазных фильтров и цифровых видеоконверторов, а через дополнительный делитель частоты - с тактирующими входами упомянутых квантователей амплутуд цифровых выборок.

2. Система преобразования и форматирования сигналов для радиоинтерферометра по п. 1, отличающаяся тем, что каждый цифровой видеоконвертор содержит два перемножителя сигналов, которые первыми входами соединены со входом видеоконвертора, вторыми входами соединены с синтезатором квадратурных гетеродинных сигналов, а выходами - с фазовым селектором сигналов, содержащим косинусный и синусный фазосдвигающие фильтры, соединенные с сумматором и вычитателем кодов, выходы которых через частотопонижающие фильтры нижних частот соединены с выходным переключателем.

3. Система преобразования и форматирования сигналов для радиоинтерферометра по п. 1, отличающаяся тем, что все n полифазных фильтров, равнодоступный коммутатор, все N цифровых видеоконверторов, N квантователей амплитуд цифровых выборок, форматер данных и дополнительный делитель частоты сформированы в программируемой логической интегральной схеме.