RU176177U1 - Система преобразования и регистрации широкополосных сигналов для радиоастрономического интерферометра - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к радиоастрономической аппаратуре и может быть использована на радиотелескопах, работающих в составе комплексов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами. Система содержит последовательно соединенные приемник широкополосных сигналов, N-канальный делитель мощности, N каналов цифрового преобразования сигналов, каждый из которых состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и квантователя амплитуд цифровых выборок, N-канального дешифратора и формирователя потока данных с выходом на волоконно-оптическую линию. Генератор импульсов частоты дискретизации ƒ_D тактирует АЦП всех каналов и формирователь импульсов секунд текущего времени, которые поступают на синхронизирующий вход формирователя потока данных. Чтобы обеспечить идентичность каналов системы, уменьшить искажения сигналов, массу и габариты системы, повысить ее надежность вместо преобразователей частоты каждый канал соединен с соответствующим выходом делителя мощности через полосовой фильтр с шириной полосы пропускания не более 0,5 ƒ_D. Эти полосы смещены по частоте так, чтобы в сумме перекрыть всю входную полосу частот, а в АЦП каналов использовались разные зоны Найквиста. За счет ввода в систему N-канального дешифратора, через который выходы всех квантователей соединены с формирователем потока данных, число таких формирователей и волоконно-оптических линий на их выходах сокращено с N до 1, что повышает эффективность использования высокоскоростного потока данных 10G Ethernet на выходе системы.

Description

Полезная модель относится к радиоастрономической аппаратуре и может использоваться на радиотелескопах, проводящих исследования методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), например, на радиотелескопах РТ-13, входящих в РСДБ-комплекс «Квазар-М» или на радиотелескопах РТ-32 РСДБ-комплекса «Квазар-КВО».

На радиотелескопах, которые в составе РСДБ-сетей проводят наиболее точные координатно-временные измерения, используются многоканальные системы преобразования и регистрации широкополосных сигналов, которые содержат приемник радиосигналов с очень широкой полосой частот В_r, несколько перестраиваемых по частоте преобразователей частот с полосами пропускания B_s<<B_r, цифровые каналы преобразования сигналов с полосами B_s и формирователи потоков для передачи их в центр корреляционной обработки. В настоящее время на большинстве зарубежных и отечественных радиотелескопов, в том числе на радиотелескопах РТ-32 РСДБ-комплекса «Квазар-КВО», сигналы сверхвысоких частот (СВЧ) принимаются в полосе В_r=0,9 ГГц, внутри которой с помощью видеоконверторов выделяются сигналы с полосами частот B_s≤16 МГц, преобразуются к видеочастотам (≤16 МГц), оцифровываются, квантуются по амплитуде, форматируются и передаются далее в центр корреляционной обработки. См., например, С.А. Гренков, Н.Е. Кольцов, Е.В. Носов, Л.В. Федотов «Цифровая радиоинтерферометрическая система преобразования сигналов», Приборы и техника эксперимента, 2010, №5, с. 60-66.

При создании радиотелескопов для перспективных РСДБ-комплексов имеют место три тенденции:

1. Увеличение полосы пропускания каналов B_s до 512 МГц или даже до 1024 МГц, что позволяет существенно повысить чувствительность радиоинтерферометра и перейти от радиотелескопов с антеннами большого диаметра к радиотелескопам с быстроповоротными антеннами малого диаметра (13 м и менее).

2. Расширение полосы приема В_r до нескольких ГГц (вплоть до 10 и более ГГц) с целью повышения точности определения интерферометрических задержек сигналов и, соответственно точности проводимых РСДБ-измерений.

3. Микроминиатюризация аппаратуры преобразования и форматирования сигналов, размещение ее непосредственно на антенне рядом с широкополосным приемным устройством, а также передача получаемых на выходе системы цифровых потоков данных по волоконно-оптическим линиям непосредственно с антенны, что повышает надежность, помехозащищенность и стабильность параметров системы преобразования и регистрации сигналов.

Примером такой перспективной системы может служить приемно-регистрирующая система радиотелескопа РТ-13 (см. Л.В. Федотов, Н.Е. Кольцов, Е.В. Носов, С.А. Гренков «Цифровая система преобразования сигналов для астрономических радиоинтерферометров с небольшими антеннами», Приборы и техника эксперимента, 2011, №6, с. 21-26, а также патент РФ на полезную модель 122810 «Система преобразования и регистрации сигналов для радиоастрономического интерферометра», кл. H03D 7/00, опубл. 10.12.2012). Эта система принимает сигналы в полосе В_r, шириной 12-13 ГГц, в которой с помощью перестраиваемых СВЧ преобразователей частот выделяются участки спектра сигнала и преобразуются к базовой полосе B_s=512 МГц. Сигналы с такими полосами частот цифровым способом преобразуются, форматируются и передаются по волоконно-оптическим линиям (ВОЛП).

Ширина полосы частот регистрируемого сигнала B_s и общая ширина полосы частот В_r, в которой выделяются сигналы с полосой B_s, ограничены параметрами используемых в каналах системы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а именно максимально допустимой частотой сигнала на входе АЦП ƒ_Smax и максимальной допустимой тактовой частотой дискретизации сигнала в АЦП ƒ_Dmax, которая определяет предельное значение ширины полосы частот регистрируемого сигнала B_s. Для лучших современных АЦП ƒ_Smax достигает 5 ГГц, а ƒ_Dmax≈3 ГГц (например АЦП типа EV10AS152A фирмы e2v). В современных системах преобразования и регистрации широкополосных сигналов обычно используются тактовые частоты ƒ_D=1024 МГц или ƒ_D=2048 МГц, что обеспечивает регистрацию цифровых сигналов с полосами B_s до 512 МГц или до 1024 МГц соответственно, так как B_s≤0,5 ƒ_D. Если необходимо регистрировать сравнительно узкополосные сигналы, например видеосигналы с полосой частот B_s, применяются более низкие тактовые частоты (например, ƒ_D=32 МГц при В_s=16 МГц).

Наиболее близкой к заявляемой полезной модели системой (прототипом) является приемно-регистрирующая система радиотелескопа РТ-13, описание которой дано в статье: Л.В. Федотов, Н.Е. Кольцов, Д.А. Маршалов, Е.В. Носов «Система преобразования сигналов S/X диапазона волн для радиоинтерферометра оперативного мониторинга Всемирного времени», Приборы и техника эксперимента, 2014, №3, с. 101-108. Указанная приемно-регистрирующая система содержит облучающую систему антенны и малошумящий усилитель со сверхширокой полосой частот В_r для приема шумового СВЧ радиосигнала заданной поляризации волн в заданном диапазоне, делитель мощности широкополосного сигнала, несколько независимо перестраиваемых преобразователей частот с полосами пропускания B_s, каналы цифрового преобразования сигналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные АЦП, работающий с тактовой частотой ƒ_D=1024 МГц, цифровой 2-битный квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала, формирователь потока данных по стандарту VDIF, а затем 10G Ethernet с выходом на ВОЛП для передачи данных на сервер радиотелескопа и далее в центр корреляционной обработки. Достаточно подробное описание приемной системы радиотелескопа РТ-13 с преобразователями частот сигналов СВЧ дано в статье: Д.В. Иванов, В.В. Мардышкин, А.С.Лавров, А.А. Евстигнеев «Трехдиапазонная приемная система радиотелескопов с малыми антеннами», Труды Института прикладной астрономии РАН, 2013, вып. 27, с. 197-203. Подробное описание каналов цифрового преобразования сигналов имеется в патентах на полезные модели РФ: 130463 «Широкополосный канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра» кл. H03D 7/00, опубл. 20.07.2013, 156823 «Канал преобразования сигналов для радиоинтерферометра» кл. H03D 7/00, опубл. 20.11.2015 и 166692 «Приемно-регистрирующий канал радиотелескопа» кл. H03D 7/00, G01R 31/28, G01R 23/16, Н04В 17/21, опубл. 10.12.2016.

В этой размещаемой на антенне радиотелескопа системе входной широкополосный СВЧ сигнал от облучателя антенны в заданном диапазоне длин волн усиливается малошумящим усилителем приемной системы и разветвляется с помощью многоканального делителя мощности между несколькими преобразователями частот. После переноса спектра сигнала в область промежуточных частот он поступает на вход соответствующего канала цифрового преобразования сигналов, где с помощью АЦП преобразуется в цифровой код. Коды выборок сигнала затем обрабатываются в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). В ней осуществляется цифровое 2-битное квантование амплитуд выборок и формирование выходного потока данных. При этом в ПЛИС параллельно обрабатываются m выборок сигнала, а процесс обработки также как и процесс дискретизации шумового сигнала в АЦП синхронизованы от одного и того же генератора импульсов тактовой частоты ƒ_D. Из этих же импульсов путем деления частоты формируются секундные импульсы меток времени. Передний фронт секундного импульса начальной метки соответствует моменту формирования начальной выборки сигнала в АЦП, так как указанные импульсы задерживаются для компенсации конечного времени обработки выборок в ПЛИС. По этому фронту первые m квантованных выборок считываются из выходного регистра m-разрядного квантователя в виде начального слова начального кадра потока данных в формате VDIF, а в заголовок кадра вводится код времени, соответствующий началу обработки сигналов в данном канале (см. Whitney Alan, Kettenis Mark, Phillips Chris, Sekido Mamoru. VLBI Data Interchange Format (VDIF). IVS 2010 General Meeting Proceeding. Australia, Hobart, 2010, p. 192-196). Через одну секунду при появлении следующего импульса метки времени процесс повторяется - формируются слова и кадры, в которые упакованы коды выборок, взятых в АЦП на следующем секундном интервале времени. Таким образом, в каждом канале системы формируется поток данных, который после преобразования в стандарте Ethernet направляется в ВОЛП. Единый для всех каналов генератор импульсов тактовой частоты и формирователь секундных импульсов меток времени синхронизируются от системы частотно-временной синхронизации радиотелескопа.

Наличие в приемно-регистрирующей системе радиотелескопа нескольких преобразователей частот с перестраиваемыми гетеродинами ведет не только к существенному увеличению габаритов и массы аппаратуры, снижению ее надежности, но и к неидентичности групповых задержек и фазовых сдвигов сигналов в каналах системы от облучателя антенны до АЦП, неизбежным искажениям сигналов при преобразовании частоты. Это негативно влияет на точность результатов при корреляционной обработке данных.

Кроме того, в известной системе (прототипе) каждый канал цифрового преобразования сигналов содержит свой формирователь потока данных с форматером VDIF и отдельную волоконно-оптическую линию для передачи потока данных от размещенной на подвижной антенне системы преобразования сигналов к серверу радиотелескопа, установленному в отдельном наземном помещении, к которому подведены магистральные линии передачи данных в центр корреляционной обработки. При этом коэффициент использования ресурсов высокоскоростных ВОЛП 10G Ethernet очень низкий (по ним передаются данные с информационной скоростью 2048 Мбит/с). Для дальнейшей передачи данных между радиотелескопом и центром корреляционной обработки их приходится переформатировать и уплотнять информационные потоки, поступающие от разных каналов приемно-регистрирующей системы.

Целью заявляемой полезной модели является обеспечение идентичности каналов преобразования и регистрации сигналов по групповой задержке, а также уменьшение искажений сигналов, повышение надежности и сокращение массо-габаритных характеристик системы за счет исключения из нее преобразователей частот с перестраиваемыми гетеродинами СВЧ, которые выделяют сигналы с полосами B_s из сверхширокой полосы частот В_r. Кроме того, целью является повышение эффективности использования высокоскоростного потока данных 10G Ethernet за счет передачи данных от нескольких каналов цифрового преобразования сигналов на сервер радиотелескопа с помощью единственного формирователя потока данных и одной волоконно оптической линии.

Заявленная цель достигается тем, что в системе преобразования и регистрации широкополосных сигналов, содержащей последовательно соединенные приемник широкополосных сигналов, N-канальный делитель мощности и N каналов цифрового преобразования сигналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные АЦП, соединенный тактирующим входом с генератором импульсов частоты дискретизации ƒ_D, и квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала, а также формирователь потока данных, соединенный синхронизирующим входом с формирователем импульсов секунд текущего времени, вход синхронизации которого соединен с упомянутым генератором импульсов частоты дискретизации, каждый выход делителя мощности соединен с одним из упомянутых каналов цифрового преобразования сигналов через фильтр с полосой пропускания, не превышающей половину частоты дискретизации ƒ_D, причем полосы пропускания упомянутых фильтров установлены так, чтобы они находились внутри разных зон Найквиста, разделенных частотами, кратными значению 0,5 ƒ_D. При наличии в системе N одинаковых каналов цифрового преобразования сигналов обеспечивается перекрытие полосы частот B_r=N B_s только за счет фильтров со смещенными по частоте полосами пропускания и использования разных зон Найквиста аналого-цифрового преобразования полосовых сигналов. А введение в систему N-канального дешифратора, через который выходы всех квантователей амплитуд цифровых выборок сигнала каналов соединены с формирователем потока данных, позволяет уменьшить с N до 1 число формирователей потока данных и ВОЛП.

Структурная схема заявляемой полезной модели показана на фиг. 1, где обозначено:

1 - вход широкополосного сигнала, поступающего от антенны радиотелескопа,

2 - приемник со сверхширокой полосой пропускания В_r,

3 - N-канальный делитель мощности,

4₁…4_N - фильтры с полосой пропускания шириной B_s,

5₁…5_N - каналы цифрового преобразования сигналов,

6 - аналого-цифровой преобразователь,

7 - квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала,

8 - N-канальный дешифратор кодов выборок сигналов,

9 - формирователь потока данных,

10 - выход на волоконно-оптическую линию передачи данных,

11 - генератор импульсов частоты дискретизации ƒ_D,

12 - формирователь импульсов секунд текущего времени.

Приемник 2 широкополосного сигнала с полосой пропускания В_r соединен по выходу с N-канальным делителем мощности 3, к каждому выходу которого подключены последовательно соединенные полосовой фильтр 4, АЦП 6 и квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала 7. АЦП и квантователь составляют канал цифрового преобразования сигналов 5. Система содержит N таких каналов. Тактирующие входы всех АЦП 6 соединены с генератором 11 импульсов частоты дискретизации сигналов. К выходу упомянутого генератора 11 также подключен формирователь импульсов секунд текущего времени 12 своим синхронизирующим входом. Выход формирователя 12 соединен с синхронизирующим входом формирователя потока данных 9. Выходы всех квантователей 7 через N-канальный дешифратор 8 соединены с информационным входом формирователя потока данных 9, к выходу 10 которого подключается ВОЛП.

Приемник 2 в диапазоне частот ниже 5 ГГц, где могут работать АЦП 6, включает в себя только облучатель антенны и малошумящий усилитель с полосой пропускания В_r. На более высоких частотах добавляется транспонатор спектра с полосой пропускания В_r, который переносит спектр принимаемого СВЧ сигнала в область частот ниже 5 ГГц. В любом случае сохраняется сверхширокая полоса частот принимаемого сигнала, определяемая сквозной полосой пропускания В_r приемника. Так на радиотелескопах РТ-32 сигнал в полосе приема 8,2-9,1 ГГц транспонируется в область 0,1-1 ГГц, где и разделяется на каналы преобразования и регистрации сигналов с полосами частот B_s≤16 МГц. Облучатели и малошумящие усилители радиотелескопа РТ-13 обеспечивают прием сигналов в полосе частот шириной В_r=2 ГГц (частоты от 7 до 9 ГГц). Этот сигнал удобно транспонировать в полосу 0,5-2,5 ГГц, где работают высокоскоростные АЦП. Для полного перекрытия этой полосы при ƒ_D=1024 МГц необходимо 4 канала преобразования сигналов. При этом полосы пропускания фильтров 4₁…4_N должны быть смещены одна относительно другой на 0,5 ƒ_D=512 МГц, в результате чего в каналах 5₁…5_N будут регистрироваться сигналы в смежных полосах частот шириной B_s=512 МГц, а АЦП 6 будут работать в разных зонах Найквиста (от 2-й до 5-й включительно). При ƒ_D=2048 МГц для перекрытия полосы частот В_r=2 ГГц достаточно двух каналов преобразования сигналов, работающих в 1-й и 2-й зонах Найквиста.

В каждом фильтре 4 при приеме сигналов сантиметрового диапазона длин волн, где относительно мало радиопомех, целесообразно устанавливать полосу пропускания равной ширине зоны Найквиста B_s=0,5 ƒ_D. В диапазонах дециметровых и метровых волн, где много радиопомех, полосу пропускания фильтров иногда приходится заузить (B_s<0,5ƒ_D). Например, в S-диапазоне полоса пропускания частот сужается до 300-350 МГц, хотя канал 5 мог бы при ƒ_D=1024 МГц обрабатывать сигнал с полосой до 512 МГц.

В каждом канале АЦП 6 и 2-битный квантователь 7 работают так же, как в известном прототипе. Шумовой сигнал, ограниченный по полосе фильтром 4, АЦП преобразует в цифровую последовательность с тактовой частотой ƒ_D. 2-битный квантователь 7 каждые m последовательных цифровых выборок сигнала преобразует в 2m-разрядный цифровой код в соответствии с уровнем сигнала выборки: u<-σ, -σ≤u<0, 0≤u<σ, и u≥σ, где σ - среднеквадратическое значение напряжения шумового сигнала u. Значение σ определяется по выборкам сигнала вычислителем, предусмотренным в структуре квантователя 7. 2m-разрядный код на выходе квантователя обновляется с периодом m/ƒ_D. Это происходит одновременно во всех N каналах 5₁…5_N и на входе дешифратора 8 присутствует и обновляется с указанным периодом (2Nm)-разрядный код, соответствующий m последовательным выборкам сигнала во всех каналах.

Как и в прототипе процесс цифрового квантования также как и процесс дискретизации шумового сигнала в АЦП 6 синхронизованы от одного и того же генератора 11 импульсов тактовой частоты ƒ_D. Из этих же импульсов путем деления частоты в формирователе 12 формируются секундные импульсы меток времени. Если бы в системе был только один канал, то по переднему фронту секундного импульса очередной метки времени 2m-разрядный код с выхода квантователя этого канала должен был бы без всякой дешифрации последовательно считываться формирователем 9 в виде начального слова начального кадра потока данных, соответствующего данной метке времени. Скорость сформированного потока данных при этом была бы равна 2ƒ_D. В N-канальной системе (2Nm)-разрядный код преобразуется в дешифраторе 8 таким образом, что по переднему фронту секундного импульса очередной метки времени в виде начального слова считываются сначала первые выборки из всех N каналов, затем вторые выборки и так далее. Таким образом, на секундном интервале времени между двумя соседними метками в потоке данных, сформированном в формирователе 9, будет столько же слов и столько же выборок сигнала, что и в случае одноканальной системы, но считываются они со скоростью в N раз большей. Скорость сформированного потока данных при этом равна 2Nƒ_D.

При тактовой частоте, например, ƒ_D=1024 МГц для 4-канальной системы (N=4) скорость сформированного информационного потока составит 2⋅4⋅1024=8192 Мбит/с, что позволяет вместе с сопутствующей информацией в формате VDIF упаковать его в стандартный интерфейс 10G Ethernet и передавать по одной ВОЛП.

Предлагаемые технические решения проверены путем моделирования и подтверждены результатами макетирования в лабораторных условиях. При этом использован такой же, как в прототипе приемник широкополосных сигналов, включающий в себя облучатель, малошумящие усилители и транспонатор спектра СВЧ сигнала в диапазон промежуточных частот 0,5-2,5 ГГц. 4-канальный делитель мощности шумового сигнала этого диапазона частот реализован на основе микросхемы SRSC-4-63 фирмы Mini-Circuits. Каждый из полосовых фильтров реализован в виде последовательного соединения фильтра нижних частот и фильтра верхних частот, в которых использованы микросхемы фирмы Mini-Circuits (RLP-900+, LFCN-1200, LFCN-1575, LFCN-2250, HFCN-1080, HFCN-1500+, HFCN-1910), дискретные радиоэлементы и согласующие аттенюаторы PAT той же фирмы. Так же, как и в прототипе, каналы цифрового преобразования сигналов реализованы на микросхемах АЦП ADC81500 фирмы Texas Instruments и ПЛИС XS6SLX100T фирмы Xilinx. В генераторе импульсов частоты дискретизации использованы микросхемы автогенератора UMX-153-D16 фирмы Universal Microwave, фазовой автоподстройки частоты ADF4106ВСР фирмы Analog Devices и ПЛИС XS6SLX150. Многоканальный дешифратор, формирователь импульсов секунд текущего времени и формирователь выходного потока данных реализованы на отдельной ПЛИС XS6SLX100T. В качестве электронно-оптического трансивера для передачи данных через интерфейс 10G Ethernet использован стандартный Х2 трансивер FTLX1442E2. Выполнено эскизное проектирование плат, которые позволят модернизировать известную систему (прототип) в соответствии с заявляемой полезной моделью.

Claims (2)

1. Система преобразования и регистрации широкополосных сигналов для радиоастрономического интерферометра, содержащая последовательно соединенные приемник широкополосных сигналов, N-канальный делитель мощности и N каналов цифрового преобразования сигналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, соединенный тактирующим входом с генератором импульсов частоты дискретизации

, и квантователь амплитуд цифровых выборок сигнала, а также формирователь потока данных, соединенный синхронизирующим входом с формирователем импульсов секунд текущего времени, вход синхронизации которого соединен с упомянутым генератором импульсов частоты дискретизации, отличающаяся тем, что каждый выход делителя мощности соединен с одним из упомянутых каналов цифрового преобразования сигналов через фильтр с полосой пропускания, не превышающей половину частоты дискретизации

, причем полосы пропускания упомянутых фильтров установлены так, чтобы они находились внутри разных зон Найквиста, разделенных частотами, кратными значению

.

2. Система преобразования и регистрации широкополосных сигналов по п. 1, отличающаяся тем, что выходы всех квантователей амплитуд цифровых выборок сигнала соединены с формирователем потока данных через N-канальный дешифратор.

Images