RU64386U1 - SYSTEM ANALYSIS OF SPECTRA OF NARROWBAND SPACE RADIO EMISSIONS - Google Patents

SYSTEM ANALYSIS OF SPECTRA OF NARROWBAND SPACE RADIO EMISSIONS Download PDF

Info

Publication number
RU64386U1
RU64386U1 RU2007103854/22U RU2007103854U RU64386U1 RU 64386 U1 RU64386 U1 RU 64386U1 RU 2007103854/22 U RU2007103854/22 U RU 2007103854/22U RU 2007103854 U RU2007103854 U RU 2007103854U RU 64386 U1 RU64386 U1 RU 64386U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spectrum
radio
programmable logic
signal
spectra
Prior art date
Application number
RU2007103854/22U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Александрович Гренков
Александр Васильевич Ипатов
Николай Ефимович Кольцов
Original Assignee
Институт Прикладной Астрономии Российской Академии Наук
Закрытое акционерное общество "Радиоэлектронная Технологическая Аппаратура" (ЗАО "РЭЛТА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт Прикладной Астрономии Российской Академии Наук, Закрытое акционерное общество "Радиоэлектронная Технологическая Аппаратура" (ЗАО "РЭЛТА") filed Critical Институт Прикладной Астрономии Российской Академии Наук
Priority to RU2007103854/22U priority Critical patent/RU64386U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU64386U1 publication Critical patent/RU64386U1/en

Links

Landscapes

  • Monitoring And Testing Of Transmission In General (AREA)

Abstract

Изобретение относится к радиоастрономии и может быть использовано для приема, регистрации и анализа узкополосных радиосигналов космических источников, например, радиоизлучений в спектральных линиях газовых облаков в космосе. С целью повышения быстродействия в систему анализа спектров узкополосных космических радиоизлучений, содержащую последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, приемно-усилительный канал и аналого-цифровой преобразователь напряжений, а также модулируемый генератор шума, соединенный с направленным ответвителем, компьютер и генератор опорной частоты, введены последовательно соединенные основная и дополнительная программируемые логические интегральные схемы и контроллер интерфейса, соединенный с упомянутым компьютером, а также карта памяти, соединенная через системный контроллер с основной программируемой логической интегральной схемой, причем эта логическая схема соединена с упомянутым генератором опорной частоты, с модулирующим входом генератора шума и с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя напряжений. Повышение быстродействия системы достигается за счет того, что структура основной программируемой логической интегральной схемы обеспечивает проведение операций вычисления быстрого преобразования Фурье по параллельным каналам. При этом удается максимально увеличить число реализации спектра, усредняемых в течение времени наблюдения источника излучения, что обеспечивает более высокую точность измерений параметров спектра на заданном интервале наблюдения (или уменьшение времени наблюдения при заданном уровне точности).The invention relates to radio astronomy and can be used for receiving, recording and analyzing narrow-band radio signals from space sources, for example, radio emissions in the spectral lines of gas clouds in space. In order to improve performance, a narrow-band cosmic radio spectrum spectral analysis system comprising a series-connected antenna, a directional coupler, an amplifier channel and an analog-to-digital voltage converter, as well as a modulated noise generator connected to a directional coupler, a computer and a reference frequency generator are introduced in series connected main and additional programmable logic integrated circuits and an interface controller connected to said computer set, and a memory card connected via the system main controller with a programmable logic integrated circuit, and this logic circuit being connected to said reference oscillator with a modulating input of the noise generator and the control input of analog-to-digital converter voltage. Improving the system performance is achieved due to the fact that the structure of the main programmable logic integrated circuit provides operations for calculating the fast Fourier transform of parallel channels. At the same time, it is possible to maximize the number of spectrum implementations averaged during the observation time of the radiation source, which provides higher accuracy of measuring the spectrum parameters at a given observation interval (or reducing the observation time at a given level of accuracy).

Description

Изобретение относится к радиоастрономии и может быть использовано для приема, регистрации и анализа узкополосных радиосигналов космических источников, например, радиоизлучений в спектральных линиях газовых облаков в космосе.The invention relates to radio astronomy and can be used for receiving, recording and analyzing narrow-band radio signals from space sources, for example, radio emissions in the spectral lines of gas clouds in space.

Для анализа спектров узкополосных космических радиоизлучений применяют радиотелескопы, оснащенные высокочувствительными приемными устройствами (обычно с криогенным охлаждением входных усилителей) и анализаторы спектров принятых сигналов того или иного типа. С методами и аппаратурой анализа можно ознакомиться, например, в следующих работах: Рыжков Н.Ф. «Аппаратурные методы радиоспектроскопии межзвездной среды». Астрофизические исследования. Известия САО АН СССР, т.6., - Л., Наука, 1974; или Зинченко И.И.. «Техника миллиметровой и субмиллиметровой астрономии», http://www.astronet.ru/db/msg/1190067/index.html; или Госачинский И.В., Желенков С.Р. «Цифровой автокорреляционный анализатор спектра». Препринт №96. САО РАН, СПб. 1993; или Benz A.О., Grigis P.C., Hungerbuhler V., Meyer H., Monstein С., Stuber В., Zardet D. «A broadband FFT spectrometer for radio and millimeter astronomy», http://www.astro.phys.ethz.ch/papers/meyerh/FFT_spectrometer.pdf.To analyze the spectra of narrow-band space radio emissions, radio telescopes are used equipped with highly sensitive receiving devices (usually with cryogenic cooling of input amplifiers) and analyzers of the spectra of received signals of one type or another. Methods and analysis equipment can be found, for example, in the following works: Ryzhkov N.F. "Hardware methods of radio spectroscopy of the interstellar medium." Astrophysical research. Proceedings of the CAO Academy of Sciences of the USSR, v.6., - L., Nauka, 1974; or Zinchenko I.I. "Technique of millimeter and submillimeter astronomy", http://www.astronet.ru/db/msg/1190067/index.html; or Gosachinsky I.V., Zhelenkov S.R. Digital Autocorrelation Spectrum Analyzer. Preprint No. 96. SAO RAS, St. Petersburg. 1993; or Benz A.O., Grigis PC, Hungerbuhler V., Meyer H., Monstein C., Stuber B., Zardet D. “A broadband FFT spectrometer for radio and millimeter astronomy”, http: //www.astro.phys .ethz.ch / papers / meyerh / FFT_spectrometer.pdf.

Принимаемые радиосигналы космических источников весьма слабые и обычно не видны на фоне более сильного собственного шума радиотелескопа. Поэтому для выделения сигналов и измерения их спектров приходится наблюдать источники и накапливать сигналы достаточно долго (десятки минут и более). Кроме того, необходимо с высокой точностью измерять параметры приемно-усилительного канала, чтобы пересчитать параметры спектра, измеренные на выходе канала, в спектр сигнала, наведенного источником излучения в антенне.The received radio signals from space sources are very weak and usually not visible against the background of a stronger intrinsic noise of the radio telescope. Therefore, to isolate signals and measure their spectra, one has to observe sources and accumulate signals for a sufficiently long time (tens of minutes or more). In addition, it is necessary to measure the parameters of the receive-amplifier channel with high accuracy in order to convert the spectrum parameters measured at the channel output to the spectrum of the signal induced by the radiation source in the antenna.

В радиоастрономических системах применялись различные анализаторы спектров, но для исследования узкополосных сигналов чаще всего использовались корреляторы в сочетании с радиометрическими устройствами измерения мощностей. По такому принципу построены, например, системы анализа спектров, представленные в публикациях: Рыжков Н.Ф. «Аппаратурные методы радиоспектроскопии межзвездной среды». Астрофизические исследования. Известия САО АН СССР, т.6., - Л., Наука, 1974; Госачинский И.В., Желенков С.Р. «Цифровой автокорреляционный анализатор спектра». Препринт №96. САО РАН, СПб. 1993. Необходимость применения дополнительных радиометрических каналов измерения мощностей сигналов, потери времени накопления сигнала, связанные с измерением мощностей, и дополнительные потери чувствительности из-за клиппирования шумовых In radio astronomy systems, various spectrum analyzers were used, but correlators in combination with radiometric power measurement devices were most often used to study narrow-band signals. For example, the systems of spectrum analysis presented in the following publications are constructed by this principle: Ryzhkov N.F. "Hardware methods of radio spectroscopy of the interstellar medium." Astrophysical research. Proceedings of the CAO Academy of Sciences of the USSR, v.6., - L., Nauka, 1974; Gosachinsky I.V., Zhelenkov S.R. Digital Autocorrelation Spectrum Analyzer. Preprint No. 96. SAO RAS, St. Petersburg. 1993. The need to use additional radiometric channels for measuring signal powers, loss of signal accumulation time associated with power measurements, and additional loss of sensitivity due to noise clipping

сигналов, подаваемых на коррелятор, значительно снижают эффективность анализаторов этого типа.signals fed to the correlator significantly reduce the effectiveness of analyzers of this type.

В последние годы корреляционные анализаторы стали вытесняться более совершенными цифровыми анализаторами спектров, основанными на быстром преобразовании Фурье (БПФ). Такие анализаторы широко применяются в измерительной технике (смотри, например, «PXI Product guide». Проспект фирмы «National Instruments», 2004). БПФ-спектрометр, анализирующий сигналы в полосе видеочастот F, вырабатывает спектр на дискретных частотах fi, разнесенных на заданную величину w (разрешающая способность по частоте). Число дискретных частот в спектре N=F/w.In recent years, correlation analyzers have been replaced by more advanced digital spectrum analyzers based on the fast Fourier transform (FFT). Such analyzers are widely used in measurement technology (see, for example, the PXI Product guide. Prospectus from National Instruments, 2004). An FFT spectrometer that analyzes signals in the video frequency band F produces a spectrum at discrete frequencies f i spaced by a predetermined value w (frequency resolution). The number of discrete frequencies in the spectrum is N = F / w.

В радиоастрономии применение БПФ-спектрометров затруднено, так как необходимо не только проводить амплитудную калибровку спектров с высокой точностью, но и выделять сигналы из более сильных собственных шумов радиотелескопа. Вместе с тем решение этих задач при использовании БПФ-анализаторов спектра дает возможность получать высокую разрешающую способность по частоте, гибко менять исходные условия (задачи) анализа, а также исключать дополнительные каналы измерения мощностей и связанные с этими измерениями потери времени накопления сигнала. Примеры применения БПФ-спектрометров для исследования космических радиоизлучений можно найти, например, в заявке на изобретение №2006115184/28 (016507) «Способ измерения энергетического спектра узкополосного космического радиоизлучения», а также в статье «A broadband FFT spectrometer for radio and millimeter astronomy», Benz A.O., Grigis P.C., Hungerbuhler V., Meyer H., Monstein C., Stuber В., Zardet D., http://www.astro.phys.ethz.ch/papers/meyerh/FFT_spectrometer.pdf..In radio astronomy, the use of FFT spectrometers is difficult, since it is necessary not only to conduct amplitude calibration of the spectra with high accuracy, but also to extract signals from the stronger intrinsic noise of the radio telescope. At the same time, the solution of these problems using FFT spectrum analyzers makes it possible to obtain a high frequency resolution, flexibly change the initial conditions (tasks) of the analysis, and also to eliminate additional channels for measuring power and the loss of signal accumulation time associated with these measurements. Examples of the use of FFT spectrometers for studying cosmic radio emissions can be found, for example, in the application for invention No. 2006115184/28 (016507) “Method for measuring the energy spectrum of narrow-band cosmic radio emission”, as well as in the article “A broadband FFT spectrometer for radio and millimeter astronomy” , Benz AO, Grigis PC, Hungerbuhler V., Meyer H., Monstein C., Stuber B., Zardet D., http://www.astro.phys.ethz.ch/papers/meyerh/FFT_spectrometer.pdf ..

Наиболее близкой по назначению и технической сущности является система анализа узкополосных космических радиосигналов, описанная в заявке на изобретение №2006115184/28 (016507) «Способ измерения энергетического спектра узкополосного космического радиоизлучения».The closest in purpose and technical essence is the system for the analysis of narrow-band space radio signals described in the application for invention No. 2006115184/28 (016507) “Method for measuring the energy spectrum of narrow-band cosmic radio emission”.

Известная система содержит антенну, приемно-усилительный канал радиотелескопа, преобразующий принимаемый радиосигнал к видеочастотам, модулируемый генератор шума, подключенный ко входу приемно-усилительного канала через направленный ответвитель, и цифровой БПФ-спектрометр, в состав которого входят аналого-цифровой преобразователь напряжений (АЦП), размещенный на плате PXI-5620, а также компьютер и высокостабильный генератор опорной частоты, размещенные в кассете PXI-8186. К этой кассете подключается интерфейс оператора (монитор, клавиатура и мышь).The known system includes an antenna, receiving and amplifying channel of a radio telescope, converting the received radio signal to video frequencies, a modulated noise generator connected to the input of the receiving and amplifying channel through a directional coupler, and a digital FFT spectrometer, which includes an analog-to-digital voltage converter (ADC) located on the PXI-5620 board, as well as a computer and a highly stable reference frequency generator located in the PXI-8186 cassette. An operator interface (monitor, keyboard and mouse) is connected to this cassette.

В известной системе АЦП считывает аналоговый шумовой сигнал на выходе приемного канала и формирует пакет цифровых выборок сигнала объемом 2N, необходимый для БПФ. Этот пакет далее передается в компьютер, где методом БПФ вычисляется спектр. Таким способом вычисляют поочередно спектры при In the known system, the ADC reads the analog noise signal at the output of the receiving channel and generates a packet of digital samples of the 2N signal necessary for the FFT. This packet is then transferred to a computer, where the spectrum is calculated by the FFT method. In this way, the spectra are calculated alternately at

включенном и при выключенном генераторе шума, который модулируется напряжением меандра и необходим для амплитудной калибровки параметров приемно-измерительного канала и последующего пересчета спектров на выходе канала к спектрам сигнала в антенне. Спектры сигналов, полученные за время наблюдения источника, усредняются раздельно для разных полупериодов модуляции генератора шума (при введении шумовых импульсов калибровки и без них). По усредненным спектрам компьютер вычисляет спектр шумовых температур (или спектр мощности) сигнала, наведенного в антенне.turned on and off, the noise generator, which is modulated by the meander voltage and is necessary for amplitude calibration of the parameters of the receiving and measuring channel and subsequent conversion of the spectra at the channel output to the signal spectra in the antenna. The signal spectra obtained during the observation of the source are averaged separately for different half-periods of modulation of the noise generator (with the introduction of calibration noise pulses and without them). Using averaged spectra, the computer calculates the spectrum of noise temperatures (or power spectrum) of the signal induced in the antenna.

В известной системе операции считывания сигнала с помощью АЦП, передачи пакета выборок в компьютер и вычисления спектра методом БПФ выполняются последовательно, причем все вычислительные операции компьютером выполняются также последовательно. На время передачи пакета и вычислений спектра АЦП блокируется. Следовательно, на получение каждой реализации спектра затрачивается время t=tсч+tвыч, где tсч - время считывания, необходимого для БПФ вычислений пакета выборок сигнала размером 2N; tвыч - время, затрачиваемое на передачу пакета выборок в компьютер и на БПФ вычисления спектра. Поскольку частота f1 считывания сигнала устанавливается в 2 раза больше максимальной частоты F сигнала на входе АЦП, время считывания tсч=2N/f1=N/F=1/w определяется заданным интервалом частотного разрешения w. Время вычислений tвыч определяется известной эмпирической формулой tвыч=h(2N)log2(2N), где h - коэффициент с размерностью времени (см. например, Blahut R.E. «Fast algoritms for digital signal processing». Addison-Wesley Publishing Company, Inc, 1985). Для современных БПФ-спектрометров, например NI-5620, h≈10-5-10-6 сек. При анализе с достаточно хорошим частотным разрешением (N≥100) увеличивается время tвыч, когда АЦП заблокирован и принимаемый сигнал не накапливается. Общее время t получения одной реализации спектра также становится больше. При этом в течение заданного времени T наблюдения сигнала число m=T/t усредняемых реализации спектра будет меньше. Соответственно медленнее убывает остаточный шум на выходе спектрометра и увеличивается выходное отношение сигнал/шум.In the known system, the operations of reading a signal using an ADC, transferring a packet of samples to a computer and calculating the spectrum by the FFT method are performed sequentially, and all computing operations by the computer are also performed sequentially. During the transmission of the packet and the calculation of the spectrum, the ADC is blocked. Therefore, it takes time t = t sc + t subt to get each spectrum implementation, where t sc is the reading time required for FFT calculations of a packet of samples of a signal of size 2N; t subt is the time taken to transmit the packet of samples to the computer and to the FFT of the spectrum calculation. Since the signal reading frequency f 1 is set 2 times greater than the maximum signal frequency F at the ADC input, the reading time t cf = 2N / f 1 = N / F = 1 / w is determined by the specified frequency resolution interval w. The computation time t subt is determined by the well-known empirical formula t subt = h (2N) log 2 (2N), where h is the coefficient with the dimension of time (see, for example, Blahut RE “Fast algoritms for digital signal processing”. Addison-Wesley Publishing Company, Inc, 1985). For modern FFT spectrometers, for example, NI-5620, h≈10 -5 -10 -6 sec. When analyzing with a fairly good frequency resolution (N≥100), the time t subtract increases when the ADC is blocked and the received signal does not accumulate. The total time t of obtaining one spectrum implementation also becomes larger. At the same time, during a given observation time T of the signal, the number m = T / t of averaged spectrum realization will be less. Accordingly, the residual noise at the output of the spectrometer decreases more slowly and the output signal-to-noise ratio increases.

Таким образом, известная система, хотя и дает сокращение времени наблюдения источника по сравнению с применявшимися ранее системами, еще не достигает предельных возможностей в части повышения быстродействия системы и не в полной мере реализует потенциальные возможности уменьшения времени наблюдения Т и повышения чувствительности.Thus, the known system, although it provides a reduction in the time of observation of the source in comparison with the systems previously used, does not yet reach the limit possibilities in terms of increasing the speed of the system and does not fully realize the potential possibilities of reducing the time of observation T and increasing the sensitivity.

Целью предлагаемой полезной модели является повышение быстродействия системы анализа спектров.The purpose of the proposed utility model is to increase the speed of the spectrum analysis system.

Для достижения этой цели в систему анализа спектров узкополосных космических радиоизлучений, содержащую последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, приемно-усилительный канал и аналого-цифровой преобразователь напряжений, а также модулируемый генератор To achieve this, a system for analyzing the spectra of narrow-band cosmic radio emissions, containing a series-connected antenna, a directional coupler, a receiving-amplifying channel, and an analog-to-digital voltage converter, as well as a modulated generator

шума, соединенный с направленным ответвителем, компьютер и генератор опорной частоты, введены последовательно соединенные основная и дополнительная программируемые логические интегральные схемы и контроллер интерфейса, соединенный с упомянутым компьютером, а также карта памяти, соединенная через системный контроллер с основной программируемой логической интегральной схемой, причем эта логическая схема соединена с упомянутым генератором опорной частоты, с модулирующим входом генератора шума и с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя напряжений.noise connected to the directional coupler, a computer and a reference frequency generator, introduced in series are connected the main and additional programmable logic integrated circuits and an interface controller connected to the said computer, as well as a memory card connected through the system controller to the main programmable logic integrated circuit, this the logic circuit is connected to the reference frequency generator, with a modulating input of the noise generator and with a control input of analog-digital voltage converter.

Введение двух программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), системного контроллера с картой памяти и контроллера интерфейса позволило совместить во времени процесс считывания напряжения сигнала на выходе приемно-усилительного канала и процесс вычисления спектра его мощности, который выполняется основной ПЛИС. За время tсч, в течение которого АЦП считывает необходимый для БПФ пакет выборок сигнала, основная ПЛИС успевает вычислить спектр по предшествующему пакету и подготовиться к обработке считываемого в данный момент пакета. В результате обеспечивается непрерывный процесс работы АЦП, считывающего выборки сигнала. Повышение быстродействия системы достигается за счет того, что структура основной ПЛИС обеспечивает проведение операций БПФ вычислений по параллельным каналам. При этом удается максимально увеличить число реализации спектра, усредняемых на интервале наблюдения Т. Это число в данном случае равно m=1/tсч. При этом обеспечивается более высокая точность измерений параметров спектра на заданном интервале наблюдения или уменьшается время наблюдения при заданном уровне точности.The introduction of two programmable logic integrated circuits (FPGAs), a system controller with a memory card and an interface controller made it possible to combine in time the process of reading the signal voltage at the output of the receiving-amplifier channel and the process of calculating its power spectrum, which is performed by the main FPGA. During the time t mid , during which the ADC reads the packet of signal samples necessary for the FFT, the main FPGA manages to calculate the spectrum from the previous packet and prepare for processing the packet currently being read. The result is a continuous operation of the ADC, which reads the signal samples. Improving the system performance is achieved due to the fact that the structure of the main FPGA provides FFT computing operations on parallel channels. At the same time, it is possible to maximize the number of spectrum implementations averaged over the observation interval T. This number in this case is m = 1 / t cf. This ensures a higher accuracy of the measurement of the spectrum parameters at a given observation interval or reduces the observation time at a given level of accuracy.

Системный контроллер и карта памяти обеспечивают формирование необходимой конфигурации (архитектуры) основной ПЛИС. Дополнительная ПЛИС в соответствии с исходным заданием на анализ, поступающим от компьютера через контроллер интерфейса, устанавливает в основной ПЛИС коэффициенты деления опорной частоты и тактовую частоту считывания сигнала. Основная ПЛИС, вычисляющая реализации спектра, суммирует их и подсчитывает число реализации. Кроме того, она синхронизирует работу генератора шума, вырабатывая меандр, фронты которого совпадают с моментами окончания циклов вычислений спектра.The system controller and memory card provide the formation of the necessary configuration (architecture) of the main FPGA. The additional FPGA in accordance with the initial analysis task coming from the computer through the interface controller sets the division frequency of the reference frequency and the clock frequency of reading the signal in the main FPGA. The main FPGA that calculates the implementation of the spectrum, sums them up and counts the number of implementations. In addition, it synchronizes the operation of the noise generator, producing a meander whose edges coincide with the moments of the end of the spectrum calculation cycles.

Просуммированный на заданном интервале спектр и число m входящих в него реализации спектров через дополнительную ПЛИС и контроллер интерфейса передаются в компьютер, который усредняет спектр мощностей (путем деления просуммированного спектра на число m) и затем вычисляет искомый спектр сигнала в антенне. Спектры, полученные при включенном и отключенном генераторе шума, суммируются и усредняются раздельно.The spectrum summed over a given interval and the number m of spectra included in it are transmitted via an additional FPGA and an interface controller to a computer, which averages the power spectrum (by dividing the summed spectrum by the number m) and then calculates the desired signal spectrum in the antenna. The spectra obtained with the noise generator turned on and off are summed and averaged separately.

На рисунке показана блок-схема предлагаемой полезной модели, где обозначено:The figure shows a block diagram of the proposed utility model, where it is indicated:

1 - антенна;1 - antenna;

2 - направленный ответвитель;2 - directional coupler;

3 - приемно-усилительный канал;3 - receiving-amplifying channel;

4 - модулируемый генератор шума;4 - modulated noise generator;

5 - аналого-цифровой преобразователь напряжений (АЦП), например AD9218 (10 разрядов) или AD6640 (12 разрядов);5 - analog-to-digital voltage converter (ADC), for example, AD9218 (10 bits) or AD6640 (12 bits);

6 - основная программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), например XC4VLX25;6 - the main programmable logic integrated circuit (FPGA), for example XC4VLX25;

7 - дополнительная программируемая логическая интегральная схема, например XC3S400;7 is an additional programmable logic integrated circuit, for example XC3S400;

8 - USB2 контроллер интерфейса, например CY7C68013;8 - USB2 interface controller, for example CY7C68013;

9 - компьютер;9 - computer;

10 - системный контроллер, например ХССАСЕ;10 - system controller, for example HSSACE;

11 - системная карта памяти, например SysACECF;11 is a system memory card, for example SysACECF;

12 - генератор опорной частоты.12 - reference frequency generator.

Антенна 1, направленный ответвитель 2, приемно-усилительный канал 3, АЦП 5, основная ПЛИС 6, дополнительная ПЛИС 7, контроллер интерфейса 8 и компьютер 9 соединены последовательно. Управляющий вход АЦП 5 подключен к основной ПЛИС 6. Модулируемый генератор шума 4 подключен ко второму входу направленного ответвителя 2, а его модулирующий вход соединен с основной ПЛИС 6. Карта памяти 11 через системный контроллер 10 соединена с основной ПЛИС 6. Генератор опорной частоты 12 соединен с основной ПЛИС 6. Синхронизирующие входы генератора 12 и гетеродинов приемно-усилительного канала 3 подключены к внешнему генератору высокостабильной опорной частоты fсинхр (например, к водородному стандарту частоты).Antenna 1, directional coupler 2, receive-amplifier channel 3, ADC 5, main FPGA 6, additional FPGA 7, interface controller 8 and computer 9 are connected in series. The control input of the ADC 5 is connected to the main FPGA 6. A modulated noise generator 4 is connected to the second input of the directional coupler 2, and its modulating input is connected to the main FPGA 6. A memory card 11 is connected to the main FPGA 6 through the system controller 10. The reference frequency generator 12 is connected from the main FPGA 6. The clock inputs of the oscillator 12 and the local oscillators of the receive-amplifier channel 3 are connected to an external generator of a highly stable reference frequency f sync (for example, to a hydrogen frequency standard).

При включении электропитания системный контроллер 10 считывает с карты памяти 11 коды, по которым устанавливает конфигурацию основной ПЛИС 6. С компьютера 9 через контроллер интерфейса 8 в дополнительную ПЛИС 7 вводятся исходные данные для анализа спектров - код установки полосы видеочастот F, в которой будут измеряться спектры, и время приема и накопления сигнала Т. В полосе F выделяется участок Fn, в котором заведомо нет исследуемого сигнала, и участок Fs, где есть или могут быть спектральные компоненты сигнала.When the power is turned on, the system controller 10 reads codes from the memory card 11, according to which it sets the configuration of the main FPGA 6. From the computer 9, the input data for spectrum analysis is entered into the additional FPGA 7 through the interface controller 8 — the setup code of the video frequency band F, in which the spectra will be measured , and the time of reception and accumulation of the signal T. In the F band, a portion F n is allocated in which there is obviously no signal under investigation, and a portion F s where there are or may be spectral components of the signal.

По введенным исходным данным дополнительная ПЛИС 7 устанавливает в основной ПЛИС 6 коэффициенты деления опорной частоты f0, поступающей от высокостабильного генератора 12, и определяет тактовую частоту f1 считывания выборок сигнала, которой управляется АЦП 5. Эта частота устанавливается в 2 раза выше максимальной частоты анализируемого сигнала, т.е. f1=2F. При использовании АЦП AD9218, например, можно генератор 12 настроить на частоту f0=64 МГц, что позволит анализировать сигналы в полосе до 32 МГц. Частота генератора 12 и частоты гетеродинов приемно-усилительного канала 3 According to the input data, the additional FPGA 7 sets in the main FPGA 6 the division coefficients of the reference frequency f 0 received from the highly stable generator 12, and determines the clock frequency f 1 of reading the samples of the signal, which is controlled by the ADC 5. This frequency is set 2 times higher than the maximum frequency of the analyzed signal, i.e. f 1 = 2F. When using the AD9218 ADC, for example, the generator 12 can be tuned to a frequency f 0 = 64 MHz, which will allow analysis of signals in the band up to 32 MHz. The frequency of the generator 12 and the frequency of the local oscillators of the receiving amplifier channel 3

синхронизируются стандартом частоты (например, водородным), что сводит до минимума (до 10-15) нестабильность частот и обеспечивает возможность анализа спектров сигналов сверхвысоких частот с высокой разрешающей способностью.are synchronized by a frequency standard (for example, hydrogen), which minimizes frequency instability (up to 10 -15 ) and provides an opportunity to analyze the spectra of microwave signals with high resolution.

По введенным в основную ПЛИС исходным данным определяется также величина w разноса дискретных частот, которая характеризует частотную разрешающую способность и жестко связана с заданной полосой анализа: w=F/N, где N - фиксированное число дискретных частот в полосе анализа. Число N задается конфигурацией основной ПЛИС и ограничено объемом встроенных в нее блоков памяти. Для ПЛИС XC4VLX25, например, можно установить N=2048 или меньше.From the input data entered into the main FPGA, the discrete frequency spacing w is also determined, which characterizes the frequency resolution and is rigidly connected with a given analysis band: w = F / N, where N is a fixed number of discrete frequencies in the analysis band. The number N is determined by the configuration of the main FPGA and is limited by the amount of memory blocks built into it. For XC4VLX25 FPGAs, for example, you can set N = 2048 or less.

Система, подготовленная к работе указанным образом, вычисляет спектры циклически. С основной ПЛИС 6 на генератор шума 4 подается напряжение логического нуля (лог.0), которое выключает генератор 4. При этом на АЦП 5 воздействует смесь принятого антенной сигнала и собственных шумов радиотелескопа с температурой Тc. АЦП 5 с частотой f1 снимает и передает в основную ПЛИС 6 цифровые выборки сигнала (для AD6640, например, - 12 разрядные). По пакету выборок сигнала, полученному от АЦП 5, основная ПЛИС 6 методом БПФ вычисляет реализацию спектра мощности s1(f) и сохраняет ее в своем встроенном блоке памяти В1. Последующие реализации спектров, вычисленные при выключенном генераторе шума, также записываются в блок В1 и суммируются с записанными ранее и хранящимися в нем спектрами. Одновременно фиксируется число m просуммированных реализации спектра.A system prepared for operation in this way calculates the spectra cyclically. From the main FPGA 6, a logic zero voltage (log.0) is applied to the noise generator 4, which turns off the generator 4. At the same time, the ADC 5 is affected by a mixture of the received antenna signal and the noise of the radio telescope with a temperature T c . ADC 5 with a frequency f 1 takes and transmits digital signal samples (for AD6640, for example, 12 bits) to the main FPGA 6. Using the packet of signal samples received from ADC 5, the main FPGA 6 using the FFT method calculates the implementation of the power spectrum s 1 (f) and saves it in its built-in memory block В 1 . Subsequent implementations of the spectra calculated with the noise generator turned off are also recorded in block B 1 and summed with the spectra recorded earlier and stored in it. At the same time, the number m of summed spectrum implementations is fixed.

Конфигурация ПЛИС обеспечивает БПФ-вычисления спектров параллельно со считыванием сигнала без дополнительных потерь времени (так называемым конвейерным способом). Время t вычисления одной реализации спектра определяется только временем считывания 2N выборок сигнала и равно tсч=2N/f1=1/w. Для хранения спектров в блоке памяти и при сложении используется формат числа с плавающей точкой.The FPGA configuration provides FFT spectral calculations in parallel with reading the signal without additional time loss (the so-called conveyor method). The calculation time t of one realization of the spectrum is determined only by the read time of 2N samples of the signal and is equal to t sc = 2N / f 1 = 1 / w. To store the spectra in a memory block and during addition, the floating-point number format is used.

По окончании вычисления реализации спектра на данном полупериоде модуляции меняется напряжение, подаваемое с основной ПЛИС 6 на генератор шума 4 (лог.0 меняется на лог.1). При этом включается генератор 12 и к смеси принимаемого сигнала и шумов радиотелескопа добавляется шум калибровки с небольшой измеренной предварительно температурой Tк. Теперь основная ПЛИС 6 вычисляет и суммирует спектры s2(f) при включенном генераторе шума, сохраняя их во втором встроенном блоке памяти В2. Число m просуммированных реализации спектра здесь такое же, как и при выключенном генераторе шума. По завершению этого полупериода модуляции завершается цикл работы ПЛИС.At the end of the calculation of the implementation of the spectrum for a given modulation half-cycle, the voltage supplied from the main FPGA 6 to the noise generator 4 changes (log 0 changes to log 1). In this case, the generator 12 is turned on and calibration noise with a small previously measured temperature T k is added to the mixture of the received signal and the noise of the radio telescope. Now the main FPGA 6 calculates and sums the spectra s 2 (f) with the noise generator turned on, storing them in the second built-in memory block В 2 . The number m of summed spectrum implementations here is the same as when the noise generator is turned off. Upon completion of this modulation half-cycle, the FPGA operation cycle ends.

Далее циклы вычисления и сложения реализации спектров s1(f) и s2(f) повторяются. Когда достигается заданное время накопления Т просуммированные спектры s(f), s(f) и число суммируемых реализации m Next, the cycles of calculation and addition of the implementation of the spectra s 1 (f) and s 2 (f) are repeated. When a given accumulation time T is reached, the summed spectra s (f), s (f) and the number of summed realizations m

через контроллер интерфейса 8 передается в компьютер 9 с помощью дополнительной ПЛИС 7.through the interface controller 8 is transmitted to the computer 9 using an additional FPGA 7.

Просуммированные в течение заданного времени накопления Т реализации спектра s(f) и s(f) компьютером 9 делятся на число реализации спектра m, в результате чего получаются усредненные спектры мощностей. Компьютер 9 из спектров после усреднения для полосы частот Fn, где нет сигнала, вычисляет средние мощности шумов в элементарном частотном канале шириной w при выключенном ГШ (Р) и при включенном ГШ (P). Для частот fi в полосе Fs, где присутствует сигнал, вычисляются средние мощности шумов в элементарной полосе w около частоты fi при отключенном ГШ (P1i) и при включенном ГШ (Р2i). По этим 4-м значениям мощностей вычисляются коэффициент усиления приемного канала, шумовая температура радиотелескопа, а затем компоненты спектра шумовых температур исследуемого сигнала, пересчитанные к антенне радиотелескопа: Tsi=0,5Tк[(P2i+P1i)-(P)]/(P). Здесь все вычисления проводятся по тем же формулам, которые применяются в известной системе-прототипе. Наряду со спектром шумовых температур могут вычисляться спектр мощности сигнала в антенне или спектр потока электромагнитной энергии (в янских).The implementations of the spectrum s (f) and s (f) summed during a given accumulation time T by computer 9 are divided by the number of spectral implementations m, as a result of which average power spectra are obtained. The computer 9 from the spectra after averaging for the frequency band F n , where there is no signal, calculates the average noise power in the elementary frequency channel of width w with the GS turned off (P ) and with the GS turned on (P ). For frequencies f i in the band F s where the signal is present, the average noise powers in the elementary band w are calculated near the frequency f i when the main switch is off (P 1i ) and when the main switch is turned on (P 2i ). Using these 4 power values, the gain of the receiving channel, the noise temperature of the radio telescope, and then the components of the spectrum of noise temperatures of the signal under investigation, recalculated to the antenna of the radio telescope, are calculated: T si = 0.5T to [(P 2i + P 1i ) - (P + P 1sh )] / (P 2sh -P 1sh ). Here, all calculations are carried out according to the same formulas that are used in the known prototype system. Along with the spectrum of noise temperatures, the power spectrum of the signal in the antenna or the spectrum of the flow of electromagnetic energy (in yang) can be calculated.

По сравнению с известной системой существенно повышено быстродействие (уменьшено время получения одной реализации спектра), что дает возможность получить и усреднить большее число реализации спектра в течение заданного времени приема и накопления сигнала. В предлагаемой полезной модели каждая реализация спектра вычисляется за время t=tсч, а в известном устройстве-прототипе за время t=tсч+tвыч, причем обычно tвыч>tсч. Таким образом, предлагаемая полезная модель дает сокращение времени приема сигнала в М=(1+tвыч/tсч) раз по сравнению с известным устройством-прототипом. Во столько же раз увеличивается число m реализации спектра, полученных за время приема и анализа сигнала Т. (или дополнительно уменьшается время Т при одинаковых m).Compared with the known system, the performance is significantly increased (the time to obtain one spectrum implementation is reduced), which makes it possible to obtain and average a larger number of spectrum implementations over a given time of signal reception and accumulation. In the proposed utility model, each implementation of the spectrum is calculated in a time t = t sc , and in the known prototype device in a time t = t sc + t subt , and usually t subt > t sc . Thus, the proposed utility model provides a reduction in signal reception time by M = (1 + t calc / t sc ) times compared with the known prototype device. The number m of spectrum realization obtained during the reception and analysis of signal T. increases by the same amount of times (or time T additionally decreases for the same m).

Для спектрометра NI-5620, используемого в известном устройстве-прототипе h≈3·10-6 секунд, что при N=2048 дает tвыч=135 мс. Например, при анализе спектра с разрешением w=200 Гц, когда tсч≈5 мс, выигрыш времени будет М≈28 раз. Если время приема сигнала Т зафиксировано, то в корень квадратный из М раз увеличиваются выходное отношение сигнал/шум, чувствительность системы и точность измерения энергетических параметров спектра. В данном примере эти параметры улучшаются в 5,3 раза.For the NI-5620 spectrometer used in the known prototype device, h≈3 · 10 -6 seconds, which at N = 2048 gives t calc = 135 ms. For example, when analyzing a spectrum with a resolution of w = 200 Hz, when t sc ≈5 ms, the time gain will be M≈28 times. If the signal reception time T is fixed, then the output signal-to-noise ratio, the sensitivity of the system, and the accuracy of measuring the energy parameters of the spectrum increase by a square root of M times. In this example, these parameters are improved 5.3 times.

Предлагаемая полезная модель реализует предельно возможное (потенциальное) быстродействие системы анализа спектра космического излучения, так как считывание и накопление сигнала идет непрерывно (величина t достигла минимума, равного tсч).The proposed utility model implements the maximum possible (potential) speed of the system for analyzing the spectrum of cosmic radiation, since the signal is read and accumulated continuously (the value of t reaches a minimum equal to t cf ).

По предложенной схеме в ЗАО "РЭЛТА" был изготовлен экспериментальный образец предлагаемой полезной модели, который был установлен на According to the proposed scheme, an experimental model of the proposed utility model was manufactured at RELTA CJSC, which was installed on

32-метровом радиотелескопе в обсерватории "Светлое" и испытан сотрудниками Института прикладной астрономии РАН. Система испытывалась как в лабораторных условиях, так и при реальных наблюдениях космических источников узкополосного радиоизлучения (при наблюдениях радиоизлучений в спектральных линиях). Предлагаемая модель сравнивалась с изготовленным ранее известным устройством-прототипом на базе спектрометра NI-5620.32-meter radio telescope at the Svetloye Observatory and tested by the Institute of Applied Astronomy RAS. The system was tested both in laboratory conditions and in real observations of space sources of narrow-band radio emission (when observing radio emissions in spectral lines). The proposed model was compared with a previously manufactured prototype device based on the NI-5620 spectrometer.

Полностью подтверждена эффективность предлагаемой системы анализа спектров и возможность сокращения времени наблюдения источника для получения одинаковых отношений сигнал/шум и, соответственно, одинаковой точности измерений амплитуд спектральных компонентов шумовой температуры сигнала. Положительный эффект особенно заметен при анализе слабых источников, когда требовалось большое время наблюдения (десятки минут - часы)The efficiency of the proposed spectrum analysis system and the possibility of reducing the source observation time to obtain the same signal to noise ratio and, accordingly, the same accuracy in measuring the amplitudes of the spectral components of the noise temperature of the signal are fully confirmed. The positive effect is especially noticeable when analyzing weak sources, when a long observation time was required (tens of minutes - hours)

Обе системы анализа (и предлагаемая, и прототип) по эффективности анализа, быстродействию и удобству эксплуатации значительно превосходили применявшиеся ранее системы корреляционного типа, но при этом предлагаемая модель давала дополнительный (по сравнению с прототипом) выигрыш по быстродействию и сокращение времени наблюдения в 10-30 раз (в зависимости от заданных параметров анализа).Both analysis systems (both the proposed and the prototype) were significantly superior to the previously used correlation type systems in terms of analysis efficiency, speed and ease of use, but the proposed model provided an additional (compared to the prototype) gain in speed and a reduction in observation time of 10-30 times (depending on the specified analysis parameters).

Claims (1)

Система анализа спектров узкополосных космических радиоизлучений, содержащая последовательно соединенные антенну, направленный ответвитель, приемно-усилительный канал и аналого-цифровой преобразователь напряжений, а также модулируемый генератор шума, соединенный с направленным ответвителем, компьютер и генератор опорной частоты, отличающаяся тем, что, с целью повышения быстродействия системы, введены последовательно соединенные основная и дополнительная программируемые логические интегральные схемы и контроллер интерфейса, подключенный к упомянутому компьютеру, а также карта памяти, соединенная через системный контроллер с основной программируемой логической интегральной схемой, причем основная программируемая логическая интегральная схема соединена с упомянутым генератором опорной частоты, с модулирующим входом генератора шума и с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя напряжений.
Figure 00000001
A system for analyzing the spectra of narrow-band space radio emissions, comprising a series-connected antenna, a directional coupler, a receiving-amplifying channel and an analog-to-digital voltage converter, as well as a modulated noise generator connected to a directional coupler, a computer and a reference frequency generator, characterized in that, for the purpose of increase system performance, introduced in series connected main and additional programmable logic integrated circuits and interface controller, sub connected to the said computer, as well as a memory card connected through the system controller to the main programmable logic integrated circuit, the main programmable logic integrated circuit connected to the said reference frequency generator, with the modulating input of the noise generator and with the control input of the analog-to-digital voltage converter.
Figure 00000001
RU2007103854/22U 2007-01-31 2007-01-31 SYSTEM ANALYSIS OF SPECTRA OF NARROWBAND SPACE RADIO EMISSIONS RU64386U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007103854/22U RU64386U1 (en) 2007-01-31 2007-01-31 SYSTEM ANALYSIS OF SPECTRA OF NARROWBAND SPACE RADIO EMISSIONS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007103854/22U RU64386U1 (en) 2007-01-31 2007-01-31 SYSTEM ANALYSIS OF SPECTRA OF NARROWBAND SPACE RADIO EMISSIONS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU64386U1 true RU64386U1 (en) 2007-06-27

Family

ID=38316068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007103854/22U RU64386U1 (en) 2007-01-31 2007-01-31 SYSTEM ANALYSIS OF SPECTRA OF NARROWBAND SPACE RADIO EMISSIONS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU64386U1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2516763C1 (en) * 2012-10-15 2014-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова" Method of expanding signal spectrum estimation bandwidth
RU196816U1 (en) * 2019-11-21 2020-03-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной астрономии Российской академии наук (ИПА РАН) SPACE RADIO SYSTEM FOR REGISTRATION OF SPACE RADIO EMISSIONS
RU2756024C1 (en) * 2020-09-14 2021-09-24 Акционерное общество "ОКБ-Планета" АО "ОКБ-Планета" Digital apparatus for determining the spectrum of received signals with high frequency resolution

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2516763C1 (en) * 2012-10-15 2014-05-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова" Method of expanding signal spectrum estimation bandwidth
RU196816U1 (en) * 2019-11-21 2020-03-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной астрономии Российской академии наук (ИПА РАН) SPACE RADIO SYSTEM FOR REGISTRATION OF SPACE RADIO EMISSIONS
RU2756024C1 (en) * 2020-09-14 2021-09-24 Акционерное общество "ОКБ-Планета" АО "ОКБ-Планета" Digital apparatus for determining the spectrum of received signals with high frequency resolution

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109412687A (en) A kind of optical path time delay rapid measurement device based on frequency domain standing wave method
AU2018201848B2 (en) Laser frequency control and sensing system
RU64386U1 (en) SYSTEM ANALYSIS OF SPECTRA OF NARROWBAND SPACE RADIO EMISSIONS
Fu et al. Terahertz dual-comb spectroscopy: A comparison between time-and frequency-domain operation modes
Cole et al. An acousto-optical radio spectrograph for spectral integration
Gong et al. Test and Analysis of a Hyperspectral Microwave Radiometer Intermediate Frequency Module
RU101842U1 (en) BROADBAND RADIOMETER WITH RADIO INTERFERENCE SELECTION
RU2316775C1 (en) Method for measuring energy spectrum of narrowband space radio-frequency radiation
RU2431852C2 (en) Radiometric registration of weak broadband radio signal
Millenaar et al. Innovations in instrumentation for RFI monitoring
Grenkov et al. A Backend System for Registering Narrowband Cosmic Radio Emissions
CN115480100B (en) Spectrum analysis system based on lithium niobate electro-optic F-P cavity
RU196816U1 (en) SPACE RADIO SYSTEM FOR REGISTRATION OF SPACE RADIO EMISSIONS
Sant Two element interferometer with TV-antennas observing the sun at 435 MHz
RU2754287C1 (en) Multi-channel receiver for radiothermometric diagnostics
Qiao et al. Comparison of the traditional ionosonde and the digital ionosonde based on direct digitization
Grenkov et al. A digital signal converter for radio astronomical systems
Nosov et al. A multifunctional digital converter for radio-astronomy signals with a bandwidth of up to 512 MHz
RU208857U1 (en) Device for determining the Doppler frequency measurement of the reflected radar signal
Gong et al. Test Of An Intermediate Frequency Module For Hyperspectral Microwave Radiometers
Suedov et al. Sequential heterodyne analysis of optical range signals
Fu et al. Design of Intermediate Frequency Module of Microwave Radiometer Based on Polyphase Filter Bank
Hoffmann et al. System strategies for time-domain emission measurements above 1 GHz
ZHANG et al. Development of a homodyne mixing system for performance characterization of terahertz superconducting KIDs
KR100377248B1 (en) Digital Auto-Correlation Spectrometer

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20080201