Логвиненко С. В., Дагкесаманскій Р. Д., Извекова В. А., Костромін В. І., Кутузов С. М., Литвинов І. І. Пущинская радіоастрономічних обсерваторія Астрокосмічного центру ФИ АН ПРАО, м. Пущино, Московська область – 142 292, Росія Тел.: +7 (0967) 330185; e-mail: lsv@prao.psn.ru

Анотація – Розглядаються практичні та теоретичні аспекти застосування цифрових методів для тимчасового діаграммообразованія та обробки сигналів радіотелескопу метрових хвиль.

I. Вступ

На даний момент при створенні нових радіотелескопів все більша увага приділяється методам цифрової обробки сигналів (ЦОС). Застосування цих методів дозволяє створити більш надійні, гнучкі, порівняно легко перебудовуються системи. Цінність систем, створених з використанням коштів ЦГЗ, особливо зростає у зв’язку з важкою і непередбачуваною помеховой обстановкою в районі розташування радіотелескопів. Розроблювальний новий радіотелескоп метрових хвиль, що працює в діапазоні 60-150 МГц (НРМВ 60/150), повинен забезпечувати можливість проведення одночасних спостережень в декількох напрямках (2-3 променя), тривалий супровід досліджуваного об’єкта, прийом і реєстрацію сигналу в декількох частотних діапазонах. У доповіді розглядаються питання практичної реалізації методів ЦГЗ для формування діаграми спрямованості, багатопроменевого прийому та аналізу сигналів радіотелескопа. Відпрацювання методики, схемних та програмних рішень проводиться на існуючому радіотелескопі ДКР-1000 ПРАО.

II. Основна частина

Основою для дослідження можливих варіантів рішень задачі тимчасового діаграммообразованія було вибрано придбане у фірми Atera пристрій, оснащений двома 12-бітними 125 МГц АЦП з можливістю роботи з сигналом до 350 МГц, програмованої логічної інтегральної схемою (ПЛІС) з 25000 логічними елементами і внутрішньою пам’яттю 2 Мбіт. У пристрій завантажувалися проекти, налаштовують ПЛІС на потрібний режим роботи і за допомогою розробленого програмного забезпечення (ПО) проводилася візуалізація та додаткова обробка інформації, що надходить від пристрою.

Перш за все, необхідно було визначити тимчасові затримки проходження сигналу по тракту від двох різних секцій радіотелескопу ДКР-1000. Це необхідно для компенсації різниці тимчасового зсуву сигналів, викликаного затримками в кабельній системі телескопа. Використовувалися два методи визначення тимчасового зсуву: за допомогою обчислення кореляційної функції сигналів і за допомогою спектрального аналізу [1]. В якості еталонного сигналу використовувався дуже сильний сигнал перешкоди від станції ТБ. Величина цього сигналу у часовій області перевищує в сотні разів власні шуми радіотелескопу, що дозволило визначити максимум кореляційної функції сигналів від двох секцій телескопа практично без накопичення. Максимум коефіцієнта кореляції Px, y = Cov (X, Y) / (axCTy) Вказує тимчасової зсув між сигналами з точністю до періоду відліку АЦП. Більш точно, в межах періоду АЦП, тимчасової зсув визначався шляхом аналізу фур’є-образів синхронно знятих відліків сигналів, надходять від секцій телескопа. Тимчасові затримки, необхідні для формування променя антени з урахуванням обчисленого тимчасового розбігу секцій, вводилися в два етапи. Це затримки на обчислене кількість тактів АЦП і більш точна настройка в межах періоду АЦП. Точна настройка проводилася за допомогою підвищують фільтрів [2] шляхом інтерполяції сигналу з точністю 1/8 періоду АЦП. Далі сигнал із заданими для обраного напрямку затримками підсумовується.

Для аналізу сигналу використовувалися цифровий детектор потужності та блок спектрального аналізу, реалізовані апаратно в тій же мікросхемі ПЛІС. Детектор потужності сигналу працює по алгоритму зведення в квадрат оцифрованого сигналу з подальшим підсумовуванням і накопиченням до заданої постійної часу. Дослідження показали, що потужність, обчислена цифровим детектором, відповідає показаннями інших приладів за умови перевищення більш ніж у 6 разів частоти оцифровки верхньою граничною частотою досліджуваного сигналу. Блок спектрального аналізу апаратно виробляє БПФ вхідного сигналу (2048 точок) з подальшим обчисленням спектра потужності сигналу. Особливістю блоку є можливість апаратного накопичення потужності сигналу. При цьому використовується арифметика з плаваючою комою, що дозволяє отримати широкий динамічний діапазон представлення накопиченого спектра потужності сигналу.

III. Висновок

Таким чином, показана застосовність методів ЦГЗ для тимчасового діаграммобразованія антенних систем в широкій, до 10 МГц, смузі частот. Наводиться методика визначення тимчасових зрушень сигналів від елементів антени та шляхи практичної реалізації тимчасового діаграммобразованія.

IV. Список літератури

[1] Ж. Макс. Методи і техніка обробки сигналів при фізичних вимірюваннях. Москва, Мир, 1983.

[2] Купріянов М. С., Матюшкін Б. Д. Мціфровая обробка сигналів. Санкт-Петербург, Політехніка, 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»