СИСТЕМА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА АНТЕННОГО МОДУЛЯ РАДИОТЕЛЕСКОПА РТ 60/150 ПРАО

May 1, 2012 by admin Комментировать »

Логвиненко С. В., Дагкесаманский Р. Д., Извекова В. А., Костромин В. И., Кутузов С. М., Литвинов И. И. Пущинская радиоастрономическая обсерватория астрокосмического центра ФИ АН ПРАО, г. Пущино, Московская область – 142292, Россия Тел.: +7(0967) 330185; e-mail: lsv@prao.psn.ru

Аннотация – Рассматриваются практические и теоретические аспекты применения цифровых методов для временного диаграммообразования и обработки сигналов радиотелескопа метровых волн.

I.  Введение

В настоящий момент при создании новых радиотелескопов все большее внимание уделяется методам цифровой обработки сигналов (ЦОС). Применение этих методов позволяет создать более надежные, гибкие, сравнительно легко перестраиваемые системы. Ценность систем, созданных с использованием средств ЦОС, особенно возрастает в связи с тяжелой и непредсказуемой помеховой обстановкой в районе расположения радиотелескопов. Разрабатываемый новый радиотелескоп метровых волн, работающий в диапазоне 60-150 МГц (НРМВ 60/150), должен обеспечивать возможность проведения одновременных наблюдений в нескольких направлениях (2-3 луча), длительное сопровождение исследуемого объекта, прием и регистрацию сигнала в нескольких частотных диапазонах. В докладе рассматриваются вопросы практической реализации методов ЦОС для формирования диаграммы направленности, многолучевого приема и анализа сигналов радиотелескопа. Отработка методики, схемных и программных решений проводится на существующем радиотелескопе ДКР-1000 ПРАО.

II.  Основная часть

Основой для исследования возможных вариантов решений задачи временного диаграммообразования было выбрано приобретенное у фирмы Atera устройство, оснащенное двумя 12-битными 125 МГц АЦП с возможностью работы с сигналом до 350 МГц, программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС) с 25000 логическими элементами и внутренней памятью 2 Мбит. В устройство загружались проекты, настраивающие ПЛИС на нужный режим работы и с помощью разработанного программного обеспечения (ПО) производилась визуализация и дополнительная обработка информации, поступающей от устройства.

Прежде всего, необходимо было определить временные задержки прохождения сигнала по тракту от двух различных секций радиотелескопа ДКР- 1000. Это необходимо для компенсации разности временного сдвига сигналов, вызванного задержками в кабельной системе телескопа. Использовались два метода определения временного сдвига: с помощью вычисления корреляционной функции сигналов и с помощью спектрального анализа [1]. В качестве эталонного сигнала использовался очень сильный сигнал помехи от станции ТВ. Величина этого сигнала во временной области превышает в сотни раз собственные шумы радиотелескопа, что позволило определить максимум корреляционной функции сигналов от двух секций телескопа практически без накопления. Максимум коэффициента корреляции Px,y=Cov(X,Y)/(axCTy) указывает временной сдвиг между сигналами с точностью до периода отсчета АЦП. Более точно, в пределах периода АЦП, временной сдвиг определялся путем анализа фурье- образов синхронно снятых отсчетов сигналов, поступающих от секций телескопа. Временные задержки, необходимые для формирования луча антенны с учетом вычисленного временного разбега секций, вводились в два этапа. Это задержки на вычисленное количество тактов АЦП и более точная настройка в пределах периода АЦП. Точная настройка производилась с помощью повышающих фильтров [2] путем интерполяции сигнала с точностью 1/8 периода АЦП. Далее сигнал с заданными для выбранного направления задержками суммируется.

Для анализа сигнала использовались цифровой детектор мощности и блок спектрального анализа, реализованные аппаратно в той же микросхеме ПЛИС. Детектор мощности сигнала работает по алгоритму возведения в квадрат оцифрованного сигнала с последующим суммированием и накоплением до заданной постоянной времени. Исследования показали, что мощность, вычисленная цифровым детектором, соответствует показаниям других приборов при условии превышения более чем в 6 раз частоты оцифровки верхней граничной частотой исследуемого сигнала. Блок спектрального анализа аппаратно производит БПФ входного сигнала (2048 точек) с дальнейшим вычислением спектра мощности сигнала. Особенностью блока является возможность аппаратного накопления мощности сигнала. При этом используется арифметика с плавающей запятой, что позволяет получить широкий динамический диапазон представления накопленного спектра мощности сигнала.

III.  Заключение

Таким образом, показана применимость методов ЦОС для временного диаграммобразования антенных систем в широкой, до 10 МГц, полосе частот. Приводится методика определения временных сдвигов сигналов от элементов антенны и пути практической реализации временного диаграммобразования.

IV. Список литературы

[1]  Ж. Макс. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Москва, Мир, 1983.

[2]   Куприянов М. С., Матюшкин Б. Д. Мцифровая обработка сигналов. Санкт-Петербург, Политехника, 2000.

DIGITAL SIGNAL PROCESSING SYSTEM OF THE PRAO RT 60/150 RADIO TELESCOPE ANTENNA UNIT

Logvinenko S. V., Dagkesamanskiy R. D., Izvekova V. A., Kostromin V. I., KutuzovS. М., Litvinov I. I. Pushchino Radio Astronomy Observatory Russian Academy of Sciences PRAO, Pushchino, Moscow Region -142292, Russia phone: (0967) 330185 e-mail: lsv@prao.psn.ru

Abstract – Practical and theoretical aspects of applying digital techniques to temporal beam shaping and signal processing in a meter-wave radio telescope are discussed.

I.   Introduction

At present the techniques of digital signal processing (DSP) receive primary attention in the design of new radio telescopes. The implementation of these techniques allows for more reliable and flexible systems to be created. The value of systems using DSP would particularly grow in connection with rough and unpredictable interference environment at radio telescope sites. A new 60-150MHz meter-wave radio telescope under development is expected to provide simultaneous monitoring in several directions (2-3 beams), continuous tracking of investigated objects, signal reception and record across several frequency ranges. The report discusses the issues of practically implementing DSP techniques in beam shaping, multibeam reception and in the analysis of radio telescope signals. The technique, circuit and program solutions will be fine-tuned using an existing PRAO DKR-1000 LPI radio telescope.

II.   Digital signal processing system

The investigation into possible solutions of the temporal beam shaping task was performed on the basis of an Atera device equipped with two 12-bit 125MHz ADCs capable of processing signals up to 350MHz, field programmable gate array (FPGA) having 25,000 logic elements, and a 2Mbit internal memory. The FPGA was set into the required operating mode with the aid of uploaded projects, while dedicated software was used to visualize and additionally process the data arriving from the device.

Time delays in signal passage through the path from two different sections of the DKR-1000 radio telescope had to be determined first. This was necessary in order to compensate for the difference in the time signal shift caused by the delays in the telescope cable system. Two ways to define the time shift were used: calculating the signal correlation function, and spectral analysis [1]. A very strong TV-station interference signal was used as a reference signal. The magnitude of this signal in time domain exceeded the radio telescope intrinsic noise in hundreds of times, which helped to define the maximum of the signal correlation function from two sections of the telescope almost without any accumulation. The maximum of the correlation factor Px, у =

Cov (X, Y) / (сгхсгу) identifies the time shift between the signals with an accuracy approaching the ADC cycle. Within the ADC cycle the time shift was defined with better accuracy by analyzing Fourier images of the synchronously retrieved readouts of signals arriving from the telescope sections. The time delays necessary for the beam shaping with regard to the calculated temporal discrepancy between the sections were entered in two stages. These included the delays with regard to the calculated number of the ADC clock, as well as fine-tuning within the limits of the ADC cycle. The fine tuning was achieved with the aid of step-up filters [2] by interpolating the signal with an accuracy of 1/8 of the ADC cycle. The signal with the delays set for a chosen direction was subsequently summed.

The signals were analyzed using a digital power detector and a spectral analysis unit integrated into the FPGA. The power detector utilizes the algorithm of squaring digitized signals with subsequent summation and accumulation according to the set time constant. The research has indicated the power calculated by the digital detector to match the data provided by other devices on the condition that the top signal frequency limit is more than 6 times higher than the sampling frequency of the investigated signal. The spectral analysis unit conducts hardware FFT calculations of the input signal (2048 points) with subsequent calculation of the signal power spectrum. Another feature of the unit is optional hardware accumulation of the signal power. Floating-point arithmetic is used here allowing for a wide dynamic range of the accumulated signal power spectrum to be represented.

III.  Conclusion

The applicability of DSP methods for temporal beam shaping of antenna systems over a wide – up to 10MHz – frequency range is shown. A technique for determining time shifts introduced into signals by telescope components and possible practical implementation of the temporal beam shaping are presented.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты