Системы преобразования сигналов для радиоастрономических интерферометров со сверхдлинными базами Федотов Леонид Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Аналоговая система преобразования сигналов для радиотелескопов РТ-32. 20

1.1 Основные требования к системе преобразования сигналов 21

1.2 Оценка инструментальных потерь чувствительности радиоинтерферометра 23

1.3 Методы сокращения потерь чувствительности за счет улучшения развязки боковых полос сигнала 29

1.4 Способы синхронизации данных на выходе системы преобразования сигналов и ее сопряжения с аппаратурой регистрации 35

1.5 Система преобразования сигналов Р1000 40

1.6 Выводы 47

Глава 2. Система преобразования с цифровой обработкой сигналов на видеочастотах 49

2.1 Влияние ограничесния спектра сигнала перед аналого-цифровым преобразованием на чувствительность радиоинтерферометра 49

2.2 Влияние параметров аналого-цифрового преобразования на потери чувствительности радиоинтерферометра . 53

2.3 Цифровая система преобразования сигналов Р1002М 59

2.4 Выводы 70

Глава 3. Методы контроля основных параметров и тестирования систем преобразования сигналов на радиотелескопах 71

3.1 Методы проверки основных параметров системы Р1000 на радиотелескопе 71

3.2 Методы и встроенные средства тестирования системы Р1002М на радиотелескопе. 74

3.3 Использование сигнала фазовой калибровки для контроля характеристик системы преобразования сигналов 82

3.4 Выводы 88

Глава 4. Результаты применения разработанных систем при радиоинтерферометрических наблюдениях 90

4.1 Результаты наблюдений с помощью системы Р1000 90

4.2 Результаты наблюдений с помощью системы Р1002М. 99

4.3 Выводы 110

Глава 5. Широкополосная цифровая система преобразования сигналов для радиотелескопов РТ- 13 111

5.1 Принципы построения и основные требования к широкополосной цифровой системе преоразования сигналов 113

5.2 Особенности цифрового преобразования широкополосных сигналов при проектировании системы . 115

5.3 Реализация широкополосной цифровой системы 122

5.4 Экспериментальные исследования широкополосной цифровой системы преобразования сигналов 129

5.5 Выводы 137

Заключение 139

Список сокращения и условных обозначений 144

Список литературы 148

• Способы синхронизации данных на выходе системы преобразования сигналов и ее сопряжения с аппаратурой регистрации
• Влияние параметров аналого-цифрового преобразования на потери чувствительности радиоинтерферометра
• Использование сигнала фазовой калибровки для контроля характеристик системы преобразования сигналов
• Особенности цифрового преобразования широкополосных сигналов при проектировании системы

Введение к работе

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности

Одной из основных проблем, которую надо было решать при создании РСДБ-комплекса «Квазар-КВО» на рубеже 21 века, была проблема преобразования и первичной обработки информации на радиотелескопах, решение которой тормозилось из-за отсутствия отечественных СПС. Аппаратура для других систем радиотелескопа в том или ином виде существовала и была доступна. А вот с СПС ситуация была гораздо более сложной. Отечественной промышленностью СПС не производились. Вопросы их разработки не были до конца исследованы. Поэтому для оснащения первых радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО» в обсерваториях «Светлое» и «Зеленчукская» приходилось закупать дорогие (стоимостью

около миллиона долларов США) импортные СПС, которые выпускались в единичных экземплярах и считались продукцией двойного назначения. Эти системы были разработаны и изготовлены в США в 80-е годы прошлого века и предназначались только для исследований по зарубежным программам. Задача ремонта и модернизации таких систем со временем все более осложнялась, а для оснащения других радиотелескопов в стране вообще не было СПС. Такое положение препятствовало вводу в эксплуатацию комплекса «Квазар-КВО» в целом и сдерживало развитие РСДБ-технологии в нашей стране. Эта проблема, имеющая важное хозяйственное значение, могла быть решена только на основе глубоких научных исследований и научно обоснованных новых технических решений. Проблема осложнялась тем, что к началу работы были известны лишь общая структура аналоговых СПС зарубежного производства, но практически отсутствовали материалы по методам расчета и проектирования таких систем. В публикациях приводились лишь краткие описания и некоторые параметры зарубежных образцов СПС без указания путей достижения параметров, требуемых для высокоточных РСДБ-измерений. Было неясно: с чего начать создание отечественной СПС и как ее проектировать. При этом первоочередной задачей была разработка СПС для радиотелескопа в обсерватории «Бадары», завершение строительства которого в 2005 году позволяло ввести в действие весь комплекс «Квазар-КВО».

Цель диссертационной работы – создание и использование новых систем преобразования сигналов для фундаментальных и прикладных исследований методами РСДБ.

Задачи исследования

Проблема создания первой отечественной многоканальной СПС для радиотелескопа РТ-32 в обсерватории «Бадары» требовала решения ряда научно-технических задач, в том числе:

поиск путей достижения характеристик СПС, обеспечивающих высокую точность РСДБ-измерений,

разработка способов сокращения аппаратурных потерь чувствительности радиоинтерферометра за счет улучшения развязки боковых полос в каналах СПС,

разработка способов сопряжения СПС с аппаратурой регистрации, синхронизации записи формируемых в СПС данных и привязки их к шкале времени радиотелескопа,

разработка методов контроля параметров СПС непосредственно на радиотелескопе.
В результате интенсивной эксплуатации зарубежных СПС на первых двух радиотелескопах

комплекса «Квазар-КВО» встала задача замены этих СПС более совершенными системами.

Этого требовало и повсеместное внедрение в международную практику РСДБ-наблюдений

нового унифицированного формата записи данных VSI-H и соответствующей ему

высокопроизводительной аппаратуры регистрации данных Mark 5B. Необходимо было не

просто повысить надежность и ремонтопригодность СПС, улучшить ее параметры, но и

обеспечить дальнейшее повышение точности координатно-временных измерений для решения проблемы фундаментальной поддержки системы ГЛОНАСС, поставленной в Федеральной целевой программе «Глобальная навигационная система». Потребовалась разработка более совершенных СПС, использующих цифровые методы обработки сигналов. Для создания таких систем было необходимо:

предложить принцип их построения, обеспечивающий с одной стороны возможность использования доступной элементной базы, а с другой стороны – улучшение параметров СПС при сокращении ее себестоимости,

исследовать влияние ограничения спектра сигнала при его аналого-цифровом преобразовании на чувствительность радиоинтерферометра,

исследовать параметры аналого-цифрового преобразования сигналов в цифровой СПС для их оптимизации с целью сокращения потерь чувствительности радиоинтерферометра и повышения точности измерений при РСДБ,

разработать методы дистанционного контроля параметров СПС. Пути решения этих специфических задач не нашли должного отражения как в литературе по РСДБ, так и в обширной литературе по вопросам цифровой обработки сигналов, и требовали специального исследования в процессе разработки цифровой СПС.

Развитие РСДБ-технологии по пути повышения точности и оперативности измерений ПВЗ, координат станций и источников излучения потребовало создания новых РСДБ-сетей на антеннах малого диаметра, которые позволяют существенно увеличить число наблюдений в течение сеанса. Для оперативного уточнения и мониторинга ПВЗ в интересах глобальной навигационной сети ГЛОНАСС также более рационально использовать радиотелескопы с небольшими антеннами, а не уникальные 32-метровые антенны комплекса «Квазар-КВО». Однако в этом случае СПС с преобразованием сигналов на видеочастотах, у которых полоса пропускания каналов обычно не превышает 16 – 32 МГц, практически непригодны, так как из-за уменьшения эффективной площади антенн чувствительность радиоинтерферометра падает. Для решения указанной проблемы была необходима разработка принципиально новых СПС с полосой пропускания каналов, расширенной до нескольких сотен МГц, способных обрабатывать многократно возросший поток информации. Именно в этом направлении развиваются зарубежные системы в рамках известных проектов VLBI2010 и VGOS. Принципы построения цифровых СПС с широкополосными каналами не были до конца ясны и практически не освещались в литературе. Для создания таких систем было необходимо:

уточнить подход к выбору параметров СПС, обеспечивающих повышение
чувствительности радиоинтерферометра при кардинальном расширении полосы частот канала

системы, а также некоторые вопросы, связанные с цифровым преобразованием широкополосных сигналов,

разработать основные принципы построения СПС с цифровым преобразованием
высокочастотных широкополосных сигналов, предложить научное обоснование новых
технических решений, обеспечивающих работу такой системы.

Научная новизна работы

На основе данной диссертационной работы в стране впервые созданы СПС, которые не уступают, а по ряду параметров превосходят лучшие зарубежные системы. Впервые обоснованы принципы построения СПС, структура и параметры таких систем:

На основе исследования методов улучшения параметров СПС, обеспечивающих сокращение аппаратурных потерь чувствительности радиоинтерферометра, предложен принцип проектирования СПС на основе минимизации вносимых ею аппаратурных потерь чувствительности.

Предложен и реализован на радиотелескопах РТ-32 комплекса «Квазар-КВО» принцип построения СПС с цифровым преобразованием сигналов на видеочастотах.

Разработаны общие принципы построения СПС с цифровой обработкой широкополосных сигналов на промежуточных частотах, положенные в основу разработки цифровой СПС для оснащения радиотелескопов нового поколения РТ-13.

Впервые разработаны специальные методы контроля основных параметров СПС непосредственно на радиотелескопах, а также способы дистанционного тестирования цифровых СПС.

Предложенные новые технические решения позволили повысить качество получаемых данных РСДБ-наблюдений. Новизна решений подтверждена патентами Российской Федерации и результатами наблюдений РСДБ комплекса «Квазар-КВО» в течение ряда лет.

Практическая значимость работы

Ввод в эксплуатацию СПС Р1000 на радиотелескопе РТ-32 в обсерватории «Бадары»

позволил начать полномасштабные наблюдения на РСДБ-комплексе «Квазар-КВО» и за период

с 2005 по 2011 год провести около 300 сеансов наблюдений как по отечественным, так и

международным программам.

Разработанные цифровые СПС Р1002М внедрены на всех радиотелескопах комплекса

«Квазар-КВО» и обеспечивают проведение регулярных РСДБ-наблюденияй, что дало

возможность достичь требуемой точности определения ПВЗ и стало одним из решающих

факторов в решении проблемы координатно-временного обеспечения ГЛОНАС. В течение ряда

лет данные РСДБ наблюдений, поступающие от радиотелескопов с СПС Р1002М,

международными корреляционными центрами оцениваются высшим баллом.

Методологическая и теоретическая основа исследования

При решении поставленных задач использованы методы системного анализа, математического моделирования (аналитические и приближенные), физического моделирования (лабораторные исследования и исследования на реальных объектах), а также аппарат теоретической радиотехники, теории вероятностей и математической статистики.

Основные научные результаты, выносимые на защиту

1. Впервые в стране создана многоканальная система преобразования сигналов на основе видеоконверторов с квадратурным преобразованием частоты и фазовым разделением боковых полос сигнала, обеспечивающих снижение вносимых аппаратурных потерь чувствительности радиоинтерферометра до нескольких процентов. Это позволило начать полномасштабные наблюдения на РСДБ комплексе «Квазар-КВО» как по собственным программам, так и по зарубежным.

2. На принципах оптимизации параметров аналого-цифрового преобразования и использования цифровой обработки сигналов на видеочастотах до 32 МГц для снижения аппаратурных потерь чувствительности радиоинтерферометра созданы системы преобразования сигналов, которые существенно лучше зарубежных аналогов по уровню потерь и качеству получаемых данных. Это дало возможность на всех радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО» перейти к регулярным РСДБ-наблюдениям.

3. Предложенные принципы использования субдисткретизации и нового международного формата данных VDIF, а также размещения системы непосредственно на антенне с передачей выходных данных по волоконно-оптическим линиям через стандартный интерфейс и новые технические решения позволили впервые в стране создать систему преобразования с цифровой обработкой сигналов на промежуточных частотах до 1,5 ГГц и в радиоинтерферометре нового поколения компенсировать потери чувствительности из-за сокращения диаметров антенн.

4. Результаты РСДБ-наблюдений на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО», полученные с помощью разработанных систем преобразования сигналов.

Публикации по теме диссертации и личный вклад автора

Материалы диссертации опубликованы в 51 научной статье, в том числе 11 статей в

рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК. Кроме того, они отражены в

тезисах и других материалах научных конференций. По теме диссертации получено 6 патентов

Российской Федерации на полезные модели. Личный вклад автора в создание СПС и в

совместных публикациях заключается в следующем:

разработан научный подход к выбору основных параметров, научное обоснование

принципов построения и проектирования СПС,

разработаны структурные и функциональные схемы СПС, научно обоснованы пути их реализации,

разработаны и исследованы способы сокращения аппаратурных потерь чувствительности радиоинтерферометра за счет рационального проектирования СПС,

предложен и реализован ряд новых технических решений, в частности по построению СПС с многокаскадными фазосдвигающими цепями и квадратурным делителем мощности в виде удвоителя частоты с последующим ее делением, синхронизации записи формируемых в СПС данных и привязки их к шкале времени радиотелескопа, демультиплексированию и инвертированию выборок сигнала в цифровой СПС, цифровому квантованию,

разработаны методы контроля основных параметров СПС непосредственно на радиотелескопе,

осуществлено научное руководство коллективом разработчиков СПС, а также планирование, методическая проработка и руководство исследованием разработанных систем.

Степень достоверности и апробация результатов

Результаты работы проверены на практике. Разработанные системы внедрены на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО» и в течение ряда лет успешно используются для проведения РСДБ-наблюдений. Основные научные результаты докладывались и обсуждались на научных семинарах ИПА РАН, а также на следующих всероссийских и международных симпозиумах и научных конференциях:

5. Международная конференция «Астрометрия, геодинамика и небесная механика на пороге XXI века» (Санкт-Петербург, 19 – 23 июня 2000 г.).

6. Всероссийская астрономическая конференция (Санкт-Петербург, 6 – 12 августа 2001 г.).

3. Всероссийская конференция «Фундаментальное и прикладное координатно-временное
обеспечение» КВО-2005 (Санкт-Петербург, 11 – 15 апреля 2005 г.).

4. IVS 2004 General Meeting (Ottawa, Canada, 9 – 11 February 2004).

5. Всероссийская конференция «РСДБ-2012 для астрометрии, геодинамики и астрофизики»
(Санкт-Петербург, 11 – 15 сентября 2006 г.).

6. 18th European VLBI for Geodesy and Astrometry Working Meeting (Wien, 12 – 13 April 2007).

7. Радиоастрономическая конференция «Повышение эффективности и модернизация
радиотелескопов» (п. Нижний Архыз, Карачаево-Черкесия, 22 – 27 сентября 2008 г.).

8. IVS 2010 General Meeting (Hobart, TAS, Australia, 7 – 14 February 2010).

9. Всероссийская радиоастрономическая конференция ВРК-2011 «Радиотелескопы, аппаратура и методы радиоастрономии» (Санкт-Петербург, 17 – 21 октября 2011 г.).

10. Четвертая Всероссийская конференция «Фундаментальное и прикладное координатно-

временное и навигационное обеспечение» КВНО-2011 (Санкт-Петербург, 10 - 14 октября 2011г.).

11. IVS 2012 General Meeting (Madrid, Spain, 4 - 9 March 2012).

12. Пятая Всероссийская конференция «Фундаментальное и прикладное координатно-
временное и навигационное обеспечение» КВНО-2013 (Санкт-Петербург, 15 - 19 апреля
2013г.).

13. 21st Meeting of the European VLBI Group for Geodesy and Astronomy (Espoo, Finland, 5 - 8
March 2013).

14. Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, Навигация, Связь» RLNC 2014 (Воронеж, 15 - 17 апреля 2014 г.).

15. VII Международный симпозиум «Метрология времени и пространства». (Суздаль Владимирской обл., 17-19 сентября 2014 г.).

16. IVS 2014 General Meeting (Shanghai, China, 2 - 7 March 2014).

17. Шестая Всероссийская конференция «Фундаментальное и прикладное координатно-
временное и навигационное обеспечение» КВНО-2015 (Санкт-Петербург, 20 - 24 апреля
2015 г.).

18. 9 IVS General Meeting (Johannesburg, South Africa, 13 - 19 March 2016).

Способы синхронизации данных на выходе системы преобразования сигналов и ее сопряжения с аппаратурой регистрации

В результате интенсивной эксплуатации зарубежных СПС на первых двух радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО» и тяжелого графика работы этого комплекса по отечественным и зарубежным наблюдательным программам встала задача замены этих СПС более совершенными системами. Этого требовало и повсеместное внедрение в международную практику РСДБ-наблюдений нового унифицированного формата записи данных VSI-H и соответствующей ему аппаратуры регистрации данных Mark 5B/B+, способной работать со скоростью до 2 Гбит/c. Необходимо было не просто повысить надежность и ремонтопригодность СПС, улучшить ее параметры, связанные с увеличением скорости информационного потока, но и обеспечить дальнейшее повышение точности координатно-временных измерений для решения проблемы фундаментальной поддержки системы ГЛОНАСС, поставленной в Федеральной целевой программе «Глобальная навигационная система» [11]. Для решения указанных задач потребовалась разработка более совершенных СПС, использующих цифровые методы обработки сигналов, что стало возможным благодаря достигнутому к тому времени уровню развития элементной базы радиоэлектроники. Для создания такой системы было необходимо: - предложить концепцию ее построения, обеспечивающий с одной стороны возможность использования доступной элементной базы, а с другой стороны – улучшение параметров СПС при сокращении ее себестоимости, - исследовать влияние ограничения спектра сигнала при его аналого-цифровом преобразовании на чувствительность радиоинтерферометра, - исследовать параметры аналого-цифрового преобразования сигналов в цифровой СПС для их оптимизации с целью сокращения потерь чувствительности радиоинтерферометра и повышения точности измерений при РСДБ, - разработать методы дистанционного контроля параметров СПС. Пути решения этих специфических задач, связанных с цифровым преобразованием сигналов на радиотелескопах, не нашли должного отражения как в литературе по РСДБ [3, 4], так и в обширной литературе по вопросам цифровой обработки сигналов, и требовали специального исследования при разработке цифровой СПС.

В процессе эксплуатации отечественных СПС на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО» был получен большой объем результатов РСДБ наблюдений и накоплен значительный экспериментальный материал, показывающий преимущества цифровых систем. Для дальнейшего развития таких СПС и проектирования новых, более совершенных цифровых систем радиотелескопов потребовалось провести обобщение и анализ полученных материалов, что и было сделано автором.

Развитие РСДБ-технологии по пути повышения точности и оперативности измерений ПВЗ, координат станций и источников излучения потребовало создания новых РСДБ-сетей на антеннах малого диаметра, которые позволяют существенно увеличить число наблюдений в течение сеанса за счет высокой скорости поворота антенны при переходе с одного источника на другой и уменьшения длительности одного наблюдения (скана). Для оперативного уточнения и мониторинга ПВЗ при регулярных ежесуточных РСДБ-наблюдениях в интересах глобальной навигационной сети ГЛОНАСС также более рационально использовать радиотелескопы с небольшими антеннами, а не уникальные 32-метровые антенны комплекса «Квазар-КВО». Однако в этом случае системы с преобразованием сигналов на видеочастотах, у которых полоса пропускания каналов обычно не превышает 16 – 32 МГц, практически непригодны, так как из-за уменьшения эффективной площади антенны получение корреляционного отклика достаточно большой амплитуды в пике для многих опорных источников космического радиоизлучения становится проблематичным. Для решения указанной проблемы была необходима разработка принципиально новых СПС с полосой пропускания каналов в несколько сотен или даже тысячи МГц, основанных на цифровых преобразованиях высокочастотных широкополосных сигналов и способных формировать многократно возросший поток информации. Именно в этом направлении развиваются зарубежные системы в рамках известных проектов VLBI2010 и VGOS [12, 13]. Однако принципы построения цифровых СПС нового поколения с широкополосными каналами не были до конца ясны и практически не освещались в литературе. Для создания широкополосной цифровой СПС было необходимо: - уточнить подход к выбору параметров СПС, обеспечивающих повышение чувствительности радиоинтерферометра при кардинальном расширении полосы частот канала системы, а также некоторые вопросы, связанные с цифровым преобразованием широкополосных сигналов, - разработать основные принципы построения СПС с цифровым преобразованием высокочастотных широкополосных сигналов, предложить научное обоснование новых технических решений, обеспечивающих работу такой системы. Чтобы проводить РСДБ-наблюдения, необходимо преобразование и первичная обработка информации на каждом радиотелескопе интерферометра, причем по мере развития РСДБ-технологии объем и скорость поступления этой информации возрастают. Систем, способных осуществлять указанные преобразования в нашей стране не было. Решению этой проблемы и посвящена диссертационная работа.

Влияние параметров аналого-цифрового преобразования на потери чувствительности радиоинтерферометра

Преобразование шумового сигнала в цифровую форму приводит к определенным потерям информации о сигнале. Поэтому выбор параметров АЦП в цифровой СПС, обеспечивающих минимизацию таких потерь, также является важной задачей при проектировании системы.

Для решения этой задачи при анализе работы АЦП воспользуемся его линейной моделью, которая обычно применяется при таком анализе и предполагает независимость цифровых выборок сигнала на выходе АЦП. Для шумового сигнала с постоянной спектральной плотностью мощности, которая ограничена по частоте полосой В, дискретизация в соответствии с теоремой отсчетов (fr 2B) -обязательное условие получения на выходе АЦП независимых оцифрованных выборок сигнала [4, 93]. Однако, это условие не единственное. При равномерном квантовании выборок случайной функции u(t) с шагом Аы необходимо, чтобы среднеквадратическое значение приращения Аи этой функции на интервале времени Т= 1//т превышало шаг квантования: oAu Au (2.4).

Сигнал на входе АЦП представляет собой аддитивную смесь полезного случайного сигнала uc(t) и шума иш(І) приемной системы радиотелескопа: u(t) = uc(t)+um(t). Для анализа работы АЦП можно считать, что каждая из этих независимых случайных функций имеет нормальное распределение с нулевым средним значением. Тогда приращения сигнала и шума на интервале времени Т определяются как: Аис = ис[(к + 1)Т] - ис(кТ) Аиш = иш[(к + 1)Т] - иш(кТ). Дисперсии этих приращений равны соответственно: о1ис = 2о?[1-гс(Т)1 ш = 2а2[1-гш(Г)]. Здесь гс(7) и гш(Т)- нормированные корреляционные функции, а Л и с?ш - дисперсии соответственно сигнала и шума на входе АЦП. Так как приращения сигнала и шума взаимно независимы, то условие (2.4) для среднеквадратического приращения случайной функции u(t) принимает вид: оАи = V2tfc2[l " гс(Т)] + 2 2 [і _ Гш(т)] Аи (2.5). Шаг квантования Аы можно выразить через число уровней квантования Nu (либо число разрядов АЦП Ъ = log2Nu) и диапазон допустимых значений напряжения на входе АЦП ± [/доп. = ± /лай, где аи - среднеквадратическое отклонение случайной функции u(t), [/доп. - параметр АЦП, а ju -целое число (Рисунок 2.3): Аи= 2\ioJNu. Тогда из (2.5) с учетом того, что с?и = с?с+с?ш, а с?с/с?ш = q2 - отношение сигнал/шум по мощности на входе АЦП, для числа уровней квантования получаем неравенство: 2(1 + q2) гс(Т)] + 1 - гш(Т) Nu и i2[1 (2.6). Рисунок 2.3 - Кривая плотности распределения напряжения на входе АЦП (вверху) и передаточная характеристика АЦП (внизу) В первом приближении можно считать, что как сигнал, так и шум имеют постоянную спектральную плотность мощности в полосе частот 1/(2 7), а за ее пределами спектральная плотность равна нулю. Тогда гс(Т) = гш(Т) = 0 [93] и условие (2.6) независимости оцифрованных выборок сигнала на выходе АЦП упрощается:

Nu ІЛУ/2. Таким образом, если среднеквадратическое значение напряжения на входе АЦП, например, равно оь = Uдоп./2 (то есть ju = 2), то уже при Nu = 3 выборки будут независимыми. Однако, такой большой уровень сигнала на входе АЦП ведет к амплитудным ограничениям и соответствующим искажениям параметров шумового сигнала. АЦП начинает вести себя как линейный ограничитель, для которого при нормальном распределении сигнала на входе связь между корреляционной функцией выходного сигнала Двых.(г) и коэффициентом корреляции входного сигнала гвх(г) имеет вид [94]: со 2 Двых (т) = ol V [Л -1) (!Щ - Л -1) (- Щ] Щ$ (2.7). t=i Здесь Л( ) - производная /-го порядка от функции Лапласа (интеграла вероятности). Положив г= 0, из (2.7) легко найти зависимость между уровнем сигнала и изменением его дисперсии из-за амплитудного ограничения в АЦП, то есть относительное изменение дисперсии сигнала при его прохождении через АЦП: L w/S = "«ОО " Л -»(-/0]2/« (2-8).

Это выражение показывает, что амплитудное ограничение в АЦП приводит к систематической ошибке 8П= 1 -сг2вых.АЦП/ и при последующем вычислении дисперсии шумового сигнала. Причем эта ошибка при большом уровне сигнала на входе АЦП (когда ju мало) может достигать существенной величины (Рисунок 2.4). Поэтому при проектировании цифровой СПС целесообразно выбирать уровень сигнала на входе АЦП таким, чтобы отношение ju = идоп/ 7и было не менее 3.

Если выборки сигнала можно считать независимыми, то потери информации при аналого-цифровом преобразовании определяются только шумом квантования, а для его описания можно использовать линейную модель, для которой дисперсия шума квантования постоянна и равна [93]: о-шкв = Ди/12 (2.9). Очевидно, что если и сигнал, и шум являются независимыми нормальными случайными процессами с нулевыми средними значениями, то максимальное количество информации о сигнале / в каждой выборке после АЦП зависит только от отношения сигнал/шум и определяется известным выражением [94]:

Использование сигнала фазовой калибровки для контроля характеристик системы преобразования сигналов

Настройка гетеродина видеоконвертора СПС на частоту, сдвинутую от целого числа мегагерц вниз на небольшую величину, например на 10 кГц, позволяет с помощью настроенного на такую же частоту 10 кГц узкополосного фильтра выделить одну из гармоник СФК. Наблюдая выделенный гармонический сигнал, например, с помощью осциллографа, можно по его искажениям контролировать прохождение сигналов по всему приемному тракту радиотелескопа с одновременной оценкой качества гетеродинов. Для этого в составе СПС Р1000 предусмотрено наличие узкополосных фильтров на частоту 10 кГц с полосой пропускания шириной не более 100 Гц. В видеоконверторах СПС Р1002М предусмотрен специальный режим работы с полосой пропускания 10 кГц и контрольные выходы для 10-разрядных последовательностей цифровых сигналов верхней и нижней боковых полос. При этом 2-битовое квантование в СПС отключено, а контрольный выход можно через специальный цифро-аналоговый преобразователь подключить к осциллографу или узкополосному анализатору спектра.

Однако, с помощью цифровой обработки сигналов в СПС можно не только выделять и дистанционно индицировать СФК на компьютере, но и контролировать с его помощью сквозную ФЧХ сигнального тракта, в который входит приемная система радиотелескопа и канал СПС. Сигнал на входе АЦП канала цифровой СПС представляет собой аддитивную смесь шумового сигнала от приемной системы радиотелескопа um(t) и детерминированного СФК s(t): x(t) = иш(ґ) + s(t) (3.8). В зону Найквиста, то есть в полосу частот, шириной fT/2, где fT - тактовая частота дискретизации сигналов в АЦП, а fT/f± = N, попадают только N/2 гармоник СФК с амплитудами A(l), которые из-за неравномерности АЧХ сигнального тракта радиотелескопа зависят от номера гармоники l. Поэтому пренебрегая постоянной составляющей сигнала, которая не проходит через сигнальный тракт, и с учетом того, что sinc(2nfim.Tj2) « 1, для СФК на входе АЦП можно записать: JV/2 s(t) = V 2Л Ти cosfinlf t - тгр.)] (3.9). i=i В этой формуле отражено, что на входе АЦП импульсы СФК смещены по времени на величину тгр групповой задержки сигнала в приемной системе радиотелескопа и к их фазовому спектру добавляется линейная компонента. Для контроля ФЧХ сигнального тракта необходимо предусмотреть в СПС захват и передачу в компьютер, например, пакетов из 1024 цифровых отсчетов сигнала с выхода АЦП. Каждый такой отсчет x(i) - это выборка аддитивной смеси шумового сигнала um{t) и детерминированного СФК s(t): х(і) = иш(і) + s(i) (3.10). Здесь i - номер выборки, а JV/2 s(i) = V 2Л Ти cos[2тг/А(і - і0)] (3.11), 1=1 где i0 = тгр/т. На интервале времени, равном периоду следования импульсов СФК 7\ = 1//ь можно сформировать пакет из N выборок, образующих одну реализацию хп = [x(i)}f=1 случайного сигнала x(t). После усреднения M таких пакетов на интервале времени в одну секунду получим:

мм м Xz = мХХп = мУ иш ) =і]п+Т7У[{5(0}Г=і]п (3-12). 71=1 71 = 1 71=1 Первое слагаемое в правой части этого выражения с точностью 1/л/М [97] дает математическое ожидание (среднее значение) шумового сигнала um(t) и, значит, при правильно спроектированном сигнальном тракте радиотелескопа должно быть близко к 0. Второе слагаемое представляет собой усредненную на интервале в одну секунду совокупность одинаковых реализаций СФК (периодов следования импульсов СФК). В результате усреднения соотношение между мощностью СФК и мощностью шумового сигнала увеличивается в М раз. Сама процедура такого выделения СФК из шума при цифровой обработке сигналов в ПЛИС фактически представляет собой фильтрацию выборок сигнала специальным гребенчатым фильтром [114].

Особенности цифрового преобразования широкополосных сигналов при проектировании системы

Решить задачу радикального расширения полосы частот регистрируемого сигнала и создания широкополосной системы преобразования сигналов на радиотелескопе (ШСПС) можно было только на основе максимального использования цифровых методов обработки сигналов. Для этого автором были разработаны основные принципы построения ШСПС, на которых должна была базироваться новая система: 1. В системе должны в максимальной степени использоваться цифровые методы обработки сигналов для обеспечения ее надежности, стабильности работы, повторяемости характеристик, простоты настройки и возможности модернизации системы без изменения аппаратной части. 2. Использование субдискретизации при аналого-цифровом преобразовании сигналов в ШСПС, когда тактовая частота дискретизации определяется не верхней границей полосы частот, занимаемой спектром сигнала, а только шириной этой полосы частот, позволяет исключить избыточность и упростить реализацию цифровых преобразований. 3. Использование специально разработанного для перспективных цифровых систем преобразования и регистрации радиоастрономических сигналов формата данных VDIF дает возможность обеспечить совместимость с зарубежной аппаратурой при проведении сеансов международных РСДБ-наблюдений. 4. Использование волоконно-оптических линий для передачи сигналов между размещенной на антенне ШСПС и размещенной в аппаратном помещении аппаратурой буферизации и регистрации сигналов обеспечивает надежность и помехозащищенность передачи данных с выходов ШСПС. Это позволяет избавиться от искажающих широкополосный сигнал коаксиальных кабельных линий, использовавшихся для передачи аналоговых сигналов ПЧ. 5. ШСПС должна быть модульной системой, состоящей из нескольких модулей широкополосных каналов. Модульный принцип построения дает возможность легко сопрягать ШСПС с различными радиоастрономическими приемными устройствами и варьировать число каналов-модулей в зависимости от используемого диапазона длин волн и решаемых на радиотелескопе задач. Наличие нескольких равноценных входов ШСПС позволяют одновременно принимать сигналы двух поляризаций любого используемого на радиотелескопе диапазона частот. 6. Анализ широкополосных сигналов ПЧ непосредственно в ШСПС с помощью цифровых методов дает возможность дистанционного контроля сигнального тракта радиотелескопа и диагностики работающей аппаратуры. Чтобы компенсировать уменьшение чувствительности радиоинтерферометра при переходе на антенны малого диаметра необходимо было разработать другой подход к выбору параметров ШСПС, несколько отличающийся от изложенного выше (в главе 1). Определяющее чувствительность радиоинтерферометра отношение сигнал/шум на выходе коррелятора может быть выражено через плотность потока излучения наблюдаемого источника SA и эффективную площадь поверхности антенны Aeff [4]: AeffSA Btint

В этом выражении, как и прежде, 7с - шумовая температура приемной системы радиотелескопа, tint- время интегрирования в корреляторе, к-постоянная Больцмана, а В - ширина полосы частот сигналов, преобразуемых в каждом канале ШСПС. Как известно, для параболической антенны эффективная площадь пропорциональна квадрату ее диаметра. Поэтому при уменьшении диаметра зеркала антенны с 32 до 13 метров (в 2,46 раза) эффективная площадь Ae/f уменьшится приблизительно в 6 раз и для сохранения чувствительности надо расширять полосу частот канала В в 36 раз. Следовательно, если на больших антеннах для РСДБ-наблюдений обычно использовались каналы с шириной полосы частот 8 - 16 МГц, то в ШСПС, установленной на малой антенне, необходимо иметь полосы шириной 288 - 576 МГц. Для удобства двоичного представления информации и цифровой обработки сигналов ШСПС проектировалась с полосой пропускания каждого канала 512 МГц, что соответствует аналогичным зарубежным системам (Таблица 5.1). Как уже отмечалось в главе 1, число каналов в системе определяется необходимой точностью измерения групповой задержки сигналов при РСДБ, диапазоном ПЧ радиоастрономической приемной системы и техническими возможностями системы буферизации и регистрации цифровых данных на радиотелескопе. У современных приемных систем диапазон ПЧ может достигать 2 ГГц. Поэтому число каналов ШСПС с шириной полосы частот каждого 512 МГц достаточно ограничить четырьмя, или 8 - для регистрации сигналов двух поляризаций. При этом суммарная скорость информационного цифрового потока на выходе ШСПС не превысит 16 Гбит/с, что вполне соответствует техническим возможностям современных систем передачи и буферизации цифровых данных [111].q