^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.317.373+53.087.45
СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ СВЕРХДЛИННОВОЛНОВОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА
© 2014 г. Д. А. Токмачев, А. C. Полетаев, А. Г. Безрукин, А. Г. Ченский, В. Е. Засенко, Н. А. Губин
Иркутский государственный технический университет, Физико-технический институт Россия, 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83 E-mail: sardaukar9@yandex.ru Поступила в редакцию 03.02.2014 г.
Описано решение задачи синхронизации разнесенных автономных систем сбора данных и получения сигналов стабильной опорной частоты для проведения измерений фазы сверхдлинноволновых (с.д.в.) радиосигналов. Обоснована целесообразность использования GPS-приемника и перестраиваемого кварцевого генератора в системе синхронизации с.д.в.-интерферометра. Представлены результаты измерений фазовой стабильности опорного сигнала, полученного с разработанного устройства. Кратковременная нестабильность частоты импульсного сигнала 200 кГц на выходе разработанного устройства составляет не более 1.5 • 10-7, что позволяет измерять фазу с.д.в.-сигналов с точностью не хуже ±0.81°.
DOI: 10.7868/S0032816214050139
На сегодняшний день диапазон сверхдлинных радиоволн (с.д.в.) нашел применение в системах радионавигации, системах передачи сигналов единого времени и эталонных частот. Этот диапазон представляет большой интерес в геофизических исследованиях нижней ионосферы и магнитосферы Земли. Решение обратной задачи в таких исследованиях заключается в определении характеристик ионосферы по ее воздействию на зондирующие радиосигналы.
Инструменты мониторинга ионосферы в с.д.в.-диапазоне используют, как правило, в качестве зондирующих радиосигналы длинноволновых и сверхдлинноволновых радионавигационных систем. Поскольку частоты таких сигналов — очень низкие (о.н.ч., 3—30 кГц), такие современные измерительные системы содержат минимальное количество аналоговых компонентов для оптимального приема, а основная задача по обработке сигналов (в том числе и демодуляция) перекладывается на программное обеспечение.
Система долговременного измерения амплитуды с.д.в.-сигналов, описанная, например, в [1], не требует высокой стабильности частоты внутреннего генератора дискретизирующих импульсов в аналого-цифровом преобразователе (а.ц.п.). Для оцифровки сигналов достаточно использовать звуковую карту компьютера. К достоинствам такой системы можно отнести простоту ее реализации, а к недостаткам — невозможность измерения фазы, поскольку нестабильность внутреннего генератора а.ц.п. приводит к существенным фазовым ошибкам.
Сверхдлинноволновый интерферометр представляет собой сеть приемных с.д.в.-станций, производящих синхронный прием и оцифровку зондирующих радиосигналов. Радиосигнал передатчика, распространяясь в волноводе Земля— ионосфера, может прийти в пункт приема по нескольким путям: ионосферные волны (моды) и приземная волна. Суммарное поле представляет собой результат интерференции копий сигнала передатчика. В зависимости от длины пути распространения меняется сдвиг фаз пришедших волновых фронтов, вследствие чего наблюдается ослабление или усиление результирующего поля.
Для того чтобы локализовать область ионосферной неоднородности, создающую возмущение сигнала, и оценить ее размеры, требуется выполнять измерение напряженности поля в нескольких точках, удаленных друг от друга на расстояние, много большее длины волны сигнала. При этом чем больше размещено приемников и чем дальше они разнесены, тем выше угловое разрешение определения размеров неоднородности.
Важным моментом при этом является синхронность работы приемников. Поэтому для реализации сверхдлинноволнового интерферометра необходима соответствующая система синхронизации. Каждый приемник должен иметь в своем составе устройство синхронизации, которое запускает сбор данных одновременно на всех приемниках, генерирует высокостабильный тактовый сигнал запуска преобразования в а.ц.п. и корректирует время регистрации собранных данных.
Система синхронизации с.д.в.-интерферомет-ра при этом состоит из устройств синхронизации отдельных с.д.в.-приемников и содержит высокостабильный источник импульсов для их тактирования. В качестве такого источника наиболее целесообразно использовать спутниковые навигационные системы.
При измерениях фазы сигналов важным моментом является дрейф во времени дискретизи-рующих импульсов тактового генератора а.ц.п. Ошибка измеренной мгновенной фазы синусоидального сигнала, возникающая вследствие ухода тактового импульса относительно фиксированных моментов времени на величину Ат, определяется как
Аф = 2nf Ах, (1)
где Аф, рад — ошибка измеренной фазы; f, Гц — частота сигнала; Ат, с — уход дискретизирующих импульсов.
Кратковременный дрейф фазы несущей частоты с.д.в.-сигналов в канале Земля-ионосфера, возникающий вследствие мелкомасштабных ионосферных возмущений, может составлять менее 5° в течение нескольких секунд [2]. Для обеспечения точности измерения фазы Аф = = 0.108° сигнала f = 30 кГц отклонение временного отсчета составляет Ат = 10 нс. Этот показатель соответствует относительной погрешности частоты тактового генератора (нестабильность) а.ц.п. 10-8. При частоте дискретизации 200 кГц данная нестабильность означает абсолютный уход частоты генератора на 0.002 Гц в течение 1 с.
Помимо обеспечения а.ц.п. каждого отдельного с.д.в.-приемника внешним синхросигналом заданной точности частоты система синхронизации должна запускать синхронный сбор данных при включении каждого из удаленных приемников в произвольные моменты времени. Систематическая ошибка фазы сигнала, измеренного в разных пунктах приема, зависит от разности фаз между синхросигналами приемников. Так при частоте дискретизации 200 кГц без каких-либо мер по синхронизации генераторов максимальная величина временного сдвига дискретизирующих импульсов 5 мкс (один период) создает различие в показании фазы информационного сигнала частотой 30 кГц у двух с.д.в.-приемников на 54°.
Существуют различные способы получения высокостабильной частоты [3]. Наиболее распространенным решением является использование кварцевых резонаторов, однако они чувствительны к изменению температуры: их температурная нестабильность частоты находится в пределах 10~4-10-6. Поэтому для повышения стабильности кварцевых резонаторов применяются различные методы компенсации ухода частоты. К таким системам относятся термокомпенсированные (т.к.к.г.) и термостатированные (т.с.к.г.) кварцевые генерато-
ры, а также схемы с автоподстройкой частоты, в которых используются кварцевые генераторы, управляемые напряжением (г.у.н.).
В т.к.к.г. используются методы коррекции частоты в небольших пределах в зависимости от температуры, и они позволяют добиться нестабильности 10-6—10-7. В т.с.к.г. элементы электрической цепи частично или полностью помещены в термостат [4]. Это уменьшает показатели нестабильности генераторов на основе резонаторов с внутренним термостатированием до 10-8, но при этом значительно возрастает энергопотребление. Также генераторы такого типа не позволяют контролировать уход фазы относительно фиксированных временных меток. Существуют устройства на основе термостатированных и термокомпенсиро-ванных кварцевых генераторов с подстройкой фазы по временным меткам GPS, но такие устройства являются дорогостоящими.
Г.у.н. имеют аналоговый вход для перестройки частоты и применяются совместно со схемами фазовой автоподстройки частоты (ф.а.п.ч.). В цифровых схемах ф.а.п.ч. осуществляется дискретная коррекция частоты или фазы г.у.н., управляющее напряжение которого формируется в зависимости от разности фаз входных импульсных сигналов [5]. Величина временного сдвига (фазовое рассогласование) этих сигналов определяется путем подсчета высокочастотных импульсов, заполняющих этот временной интервал. Полученная кодовая комбинация поступает на цифровой управляющий элемент, преобразующий код в управляющее напряжение.
Известны также синтезаторы частот [6], в которых применяются схемы импульсно-фазовой автоподстройки частоты. Предварительная установка частоты осуществляется кодом, который поступает на вход делителя с переменным коэффициентом деления и дешифратора. Комбинация с выхода дешифратора подается на вход циф-роаналогового преобразователя, формирующего управляющее напряжение г.у.н. Режим синхронизма далее поддерживается системой ф.а.п.ч.
Для коррекции частоты и фазы г.у.н. требуются опорные сигналы. Поэтому г.у.н. используются, как правило, в системах с уже имеющимся более высокостабильным сигналом. В качестве такого стабильного опорного сигнала может быть использован сигнал 1 PPS (импульсы с частотой 1 Гц) спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС.
На рис. 1 показана структурная схема устройства синхронизации сверхдлинноволнового интерферометра. Данное устройство содержит GPS-модуль, программируемую интегральную логическую схему (п.л.и.с.), г.у.н., цифроаналоговый преобразователь (ц.а.п.) и трансивер RS-232.
Один из выходов устройства предназначен для передачи навигационных данных и времени UTC
Рис. 1. Структурная схема устройства синхронизации сверхдлинноволнового интерферометра.
V
GPS-антенна
GPS-модуль Trimble LASSEN IQ
Трансивер
RS-232 МАХ3232
RS232
П.л.и.с. ЕРМ240Т100С5
Делитель частоты
Счетчик
о
Цифровой компаратор
Кодер
Г.у.н. 20 МГц CFPV-45
XZ
Ц.а.п.
DAC8531N
1 PPS
200 кГц
от GPS-модуля к обрабатывающему компьютеру приемника по интерфейсу RS-232. Второй выход используется для синхронного запуска пространственно-разнесенных с.д.в.-приемников интерферометра. На данный выход поступает сигнал 1 PPS, представляющий собой периодическую последовательность видеоимпульсов с частотой следования 1 Гц и длительностью 80 мкс. На третий выход передается высокостабильная последовательность импульсов, служащая внешним синхросигналом преобразования а.ц.п.
Для стабилизации частоты выходных синхроимпульсов применен метод ф.а.п.ч. Как видно из рис. 1, кольцо ф.а.п.ч. содержит счетчик, цифровой компаратор, кодер, ц.а.п. и г.у.н. При этом счетчик, цифровой компаратор и кодер выполнены на п.л.и.с., а ц.а.п. и г.у.н. — микросхемы промышленного из
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.