ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 72-76
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 521.8
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРА С ЦИФРОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ СИГНАЛОВ В ПОЛОСЕ 400 МГц
© 2014 г. Л. В. Федотов, Н. Е. Кольцов, Д. А. Маршалов, С. А. Гренков,
Е. В. Носов, А. Е. Мельников
Институт прикладной астрономии РАН Россия, 191187, С.-Петербург, наб. Кутузова, 10 Поступила в редакцию 14.05.2013 г.
Представлены результаты испытаний астрономического радиоинтерферометра на базе "Светлое-Зеленчукская" с применением каналов цифрового преобразования сигналов с полосами 400 МГц. Данные наблюдений в формате VDIF со скоростью 2048 Мбит/с регистрировались терминалом Mark 5C. Одновременно регистрировались данные, получаемые штатной аппаратурой комплекса "Квазар-КВО". Результаты наблюдений обрабатывались как экспериментальным программным коррелятором DiFX, так и штатным коррелятором АРК, входящим в комплекс "Квазар-КВО". С применением широкополосной системы преобразования сигналов чувствительность радиоинтерферометра возросла в 4.7—4.8 раз, а точность определения временного положения корреляционного отклика — в 1.6 раза. Эксперимент подтвердил эффективность новой широкополосной цифровой системы преобразования сигналов и возможность ее применения в астрономических радиоинтерферометрах с небольшими (~13 м) антеннами.
DOI: 10.7868/S0032816214010133
ВВЕДЕНИЕ
Задачи фундаментального координатно-вре-менного обеспечения в настоящее время решаются комплексами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (р.с.д.б.), в которых использованы радиотелескопы с антеннами большого (например, 32 м) диаметра [1, 2]. В связи с расширением областей применения р.с.д.б.-технологий и повышением требований к точности и оперативности получения результатов наблюдений стала актуальной задача создания радиоинтерферометров на быстроповоротных антеннах небольшого (~13 м) диаметра [3, 4].
Чтобы скомпенсировать потери чувствительности радиоинтерферометра при переходе к небольшим антеннам, разрабатываются широкополосные системы преобразования и регистрации сигналов, в которых информационные потоки данных наблюдений формируются в результате цифрового преобразования шумовых сигналов промежуточных частот (п.ч.) с полосами >400 МГц.
В работе [5] рассмотрены принципы конструирования и представлены расчетные параметры системы с каналами цифрового преобразования сигналов в полосах до 512 МГц, но эффективность работы широкополосных каналов по реальным сигналам в составе радиоинтерферометра еще не оценивалась. В связи с этим были изготовлены два экспериментальных образца цифровых каналов преобразования и регистрации сигналов с полосами А/ш = 400 МГц и проведены р.с.д.б.-наблюдения
космических радиоисточников радиоинтерферометром Светлое-Зеленчукская. Для буферной записи и передачи в центр корреляционной обработки высокоскоростных информационных потоков данных, полученных от испытываемых образцов, были собраны регистрирующие терминалы Mark 5С [6]. Полученные результаты сравнивались с данными наблюдений на штатной аппаратуре действующих радиотелескопов комплекса "Ква-зар-КВО".
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Комплект испытуемой аппаратуры в каждой из двух участвующих в эксперименте обсерваторий содержал широкополосный цифровой канал преобразования сигналов, регистрирующий терминал Mark 5С и генератор сигнала тактовой частоты F = 1024 МГц, синхронизированный с сигналом, поступающим от стандарта частоты радиотелескопа (рис. 1). Через распределитель сигналов п.ч. (0.1—1 ГГц) широкополосный канал подключался к выходу приемного устройства радиотелескопа РТ-32, работающего в диапазоне длин волн 3.5 см. Параллельно была включена штатная система преобразования сигналов Р1002М [7].
Широкополосный цифровой канал преобразования сигналов сопрягался с распределителем сигналов п.ч. с помощью усилителя УПЧ с фильтрами, ограничивающими полосу частот спектра
Рис. 1. Блок-схема подключения широкополосного цифрового канала преобразования и регистрации сигналов к штатному оборудованию обсерватории комплекса "Квазар-КВО". УПЧ — усилитель промежуточных частот; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; ПЛИС — программируемая логическая интегральная схема.
принимаемого сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя АЦП. При полосовом аналого-цифровом преобразовании сигналов фильтр должен обеспечивать выделение шумового сигнала в одной из зон Найквиста и подавлять сигналы в других зонах. Хотя при Fт = 1024 МГц зоны Найквиста имеют ширину 512 МГц и испытуемый широкополосный канал обеспечивает преобразование сигнала в этой полосе, эксперимент проводился при минимальной ширине полосы (А/ш = = 400 МГц), которая дает возможность обеспечить чувствительность радиоинтерферометра с антеннами малого диаметра [5].
Фильтр, выделяющий требуемую полосу частот на входе АЦП, собран из последовательно соединенных фильтра нижних частот КЪР-900 и фильтра верхних частот на дискретных элементах. При полосе пропускания фильтра 520—920 МГц обеспечивалась регистрация радиосигналов, принимаемых в полосе частот 8.6—9.0 ГГц. Входной УПЧ в широкополосном канале содержит также аттенюатор 0—32 дБ, выполненный на микросхеме РЕ43702, для установки необходимого уровня сигнала на входе АЦПАБС081500, работающего с тактовой частотой Fт = 1024 МГц.
Цифровые выборки шумового сигнала через встроенный в микросхему ADC081500 демульти-плексор вводятся в программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) типа XC6GLX100T. ПЛИС вычисляет среднеквадратическое значение <зи напряжения входного сигнала и выполняет двухбитное квантование выборок сигнала по уровням 0 и ±Gu, а затем с тактовой частотой F/4 = 256 МГц формирует 32-разрядные слова в форматеVDIF [8].
Для привязки данных наблюдений к шкале времени радиотелескопа в ПЛИС формируются синхронизированные с меандром тактовой частоты 256 МГц импульсы секунд — так называемые сигналы 1PPS (one pulse per second). Формирователь сигналов 1PPS запускается по команде управляющего компьютера радиотелескопа при появлении очередного импульса секунды, вырабатываемого первичным датчиком времени. В качестве последнего используется приемник сигналов спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС.
При двухбитном квантовании сигналов широкополосный цифровой канал выдает 2048 Мбит информации за 1 с. Данные наблюдений в формате VDIF выходным устройством, собранным на базе оптического трансивера FTLX1442E2, передаются по интерфейсу 10G Ethernet в регистрирующий
74
ФЕДОТОВ и др.
терминал Mark 5С. Алгоритмы работы ПЛИС и устройства передачи данных в широкополосном цифровом канале преобразования сигналов рассмотрены в [5].
Регистрирующий терминал Mark 5С был собран на основе терминала Mark 5B+, в котором плата ввода данных была заменена на плату Copper High Speed Serial Mezzanine Board фирмы Con-duant Corp., установлено соответствующее программное обеспечение и изменена прошивка конфигурационной памяти. Записанные терминалом данные транслировались по магистральным волоконно-оптическим линиям связи в центр корреляционной обработки данных Института прикладной астрономии РАН.
Экспериментальный образец широкополосной цифровой системы преобразования и регистрации сигналов управлялся компьютером радиотелескопа по интерфейсу Ethernet.
Во время сеанса р.с.д.б.-наблюдений одновременно с исследуемым широкополосным каналом работали 8 видеоконверторов (каналов) штатной системы преобразования сигналов Р1002М. Выделяемые ими частотные каналы с полосами А/у = = 16 МГц были распределены в полосе А/. = 736 МГц так, чтобы при корреляционной обработке данных обеспечить наибольшую эффективность синтеза полосы частот [9]. Потоки данных, снимаемых с видеоконверторов системы Р1002М, записывались регистрирующим терминалом Mark 5B+ и также передавались по магистральным волоконно-оптическим линиям связи в центр корреляционной обработки данных. Там поступающие от системы Р1002М потоки данных в формате VSI-H обрабатывались штатным коррелятором АРК, используемым в р.с.д.б.-комплексе "Квазар-КВО" [10].
Потоки данных в формате VDIF, полученные от широкополосных каналов цифрового преобразования сигналов, поступали на сервер Sun Fire X4450 и обрабатывались высокоскоростным программным коррелятором, работа которого основана на алгоритмах и программах обработки данных DiFX [11]. Программный коррелятор был создан на базе сервера Sun Fire X4450 с использованием технологии виртуальных машин под управлением программного комплекса VM Ware. Обработка данных коррелятором DiFX осуществлялась со спектральным разрешением 125 кГц и периодом накопления 0.25 с при использовании программного пакета PIMA [12]. Программным коррелятором были также обработаны данные, полученные от штатных систем Р1002М. Это позволило объективно сравнивать результаты наблюдений, полученные при использовании экспериментальных образцов широкополосной аппаратуры, с результатами, полученными комплексом "Квазар-КВО" в штатном режиме его работы.
Радиоинтерферометром Светлое- Зеленчукская регистрировались сигналы от восьми калибровочных космических радиоисточников (0059 + 581, 0716 + 714,0901 + 697,0611 + 665,1300 + 580, 1803 + + 784, 3С371, 2320 + 506), которые включены в каталог г&_2012е и имеют спектральные плотности Б мощностей потоков радиоизлучения в пределах от 0.09 до 2 Ян. Среди этих радиоисточников — два сравнительно слабых: 0611 + 665 (Б = 0.09 Ян) и 0901 + 697 (Б = 0.135 Ян). Источники с Б < 0.15 Ян при высокоточных координатно-временных измерениях обычно не включаются в программы р.с.д.б.-наблюдений комплекса "Квазар-КВО", так как для них отношения сигнал/шум на выходе коррелятора ниже допустимого уровня.
При высокоточных координатно-временных измерениях, выполняемых комплексом "Квазар-КВО", корреляционной обработке обычно подвергаются сигналы от источников, для которых отношение сигнал/шум Яу, получаемое в частотном канале с полосой А/у, превышает некоторое минимальное значение, например, Я ~ 20. При этом в результате синтеза полосы частот А/, достигается приемлемая точность определения групповой задержки сигнала на базе радиоинт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.