Signals conversion systems of VLBI “QUASAR” network

Full Text

Введение. Уникальный комплекс «Квазар-КВО» широко используется в научных исследованиях по астрофизике, астрометрии и космической геодезии, а также при решении ряда важных прикладных задач, например, высокоточного координатно-временного обеспечения и поддержки глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС [1]. Комплекс объединяет наземные радиоастрономические обсерватории, расположенные в трех субъектах Российской Федерации - «Светлое» (п. Светлое, Ленинградская область), «Зеленчукская» (ст. Зеленчукская, Республика Карачаево-Черкесия) и «Бадары» (Тункинский район, Республика Бурятия), которые образуют ра-диоинтерферометрическую сеть со сверхбольшими базами (РСДБ) 2015*4282x4405 км, а также центр корреляционной обработки РАН [2]. Каждая радиоастрономическая обсерватория помимо РСДБ аппаратно-программных средств оснащена аппаратурой космической геодезии, квантово-оптической системой, радиометром водяного пара и рядом вспомогательных средств, которые составляют стацию колоцированных средств [3]. Основным источником радиоастрономических наблюдательных данных на каждой станции комплекса является полноповоротный прецизионный радиотелескоп с диаметром зеркала 32 м, оснащенный высокочувствительными охлаждаемыми приемниками радиоизлучения сантиметрового диапазона волн [4]. При радиоинтерферометрии выделение, преобразование и обработку сигнала, принятого приемной системой радиотелескопа от радиоисточников естественного или искусственного происхождения, к пригодному для регистрации виду осуществляет система преобразования сигналов [5]. Ключевые параметры такой системы (рабочий диапазон частот AfIF, полоса пропускания канала B, число каналов m, число бит в одной выборке сигнала b, коэффициент инструментальных потерь чувствительности п) непосредственно влияют на отношение сигнал/шум на выходе коррелятора SNR и, в конечном счете, на точность координатно-временных измерений, которая определяется среднеквадратической ошибкой измерения групповой задержки сигналов ст: T 1 4N'c/b ; , „_, (1) SNR « п T -L С 2nAfRMSSNR' системы радиотелескопа; N = 2Bbm - скорость информационного потока на выходе радиотелескопа; тс -время усреднения в корреляторе. Среднеквадратическая полоса частот принимаемого сигнала при синтезе m каналов: AfRMS 1 m П Г=1 - fIF ) (2) где ns - суммарный коэффициент инструментальных потерь в отношении сигнал/шум на выходе радиоинтерферометра; TA - шумовая температура сигнала в антенне; TS - шумовая температура приемной где f - частота настройки i-го канала; fIF - центральная частота рабочего диапазона AfIF. Штатная система преобразования сигналов Р1002М. В настоящее время все радиотелескопы комплекса «Квазар-КВО» оснащены разработанной в ИПА РАН 16-канальной радиоинтерферометрической системой преобразования сигналов Р1002М [6], которая обеспечивает регистрацию данных со скоростью до 2 Гбит/с в широко распространенном международном формате VSI-H. По своим параметрам (диапазон частот, полосы пропускания каналов) система Р1002М соответствует большинству из находящихся в эксплуатации зарубежных систем преобразования сигналов. Из-за использования в Р1002М цифровой обработки сигналов на видеочастотах по некоторым характеристикам она превосходит широко распространенные зарубежные системы (табл. 1). Р1002М отличается модульной конструкцией и состоит из трех блоков (рис. 1), что обеспечивает гибкое комплексирование аппаратуры на радиотелескопе. Основной блок кроме четырех каналов преобразования сигналов включает в себя распределитель сигналов промежуточных частот (ПЧ) и синтезатор тактовых частот. В каждом дополнительном блоке размещаются по 6 каналов. Каждый видеоконвертор системы Р1002М содержит преобразователь частот с малошумящим гетеродином, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) типа LTC2299 и программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) типа XC4VSX35, в которой осуществляется разделение верхней и нижней боковых полос сигнала и формирование полосы пропускания канала [7; 8]. Синтезатор частот, связанный с системой частотновременной синхронизации (СЧВС) радиотелескопа, формирует меандр тактовой частоты 64 МГц, который синхронизирует работу гетеродинов и обеспечивает синфазность работы АЦП и ПЛИС всех видеоконверторов. Поток данных в формате VSI-H формируется платой сведения потоков основного блока Р1002М. 82 Математика, механика, информатика Таблица 1 Основные параметры системы Р1002М Рабочий диапазон частот ПЧ 100-1000 МГц Число каналов 16 Номиналы полос пропускания 0,5, 2, 4, 8, 16, 32 МГц Ослабление шумов зеркального канала > 40 дБ СКО гетеродинов < 1,2 град ФЧХ каналов Линейные Измерение мощности сигнала По ПЧ и по видео Интерфейс управления RS-232, RS-485, Ethernet Формат выходных сигналов VSI-H Суммарная скорость информационного потока на выходе До 2 Гбит/с Точность измерения групповой задержки для канала 16 МГц, 0,5-2 нс для синтезированной полосы 720 МГц 3-10 пс Рис. 1. Система преобразования сигналов Р1002М: структура (слева) и общий вид (справа) Рис. 2. Среднее число наблюдений, пригодных для вторичной обработки: абсолютное значение (•) и % от общего числа наблюдений за сессию (◊) 83 Вестник СибГАУ. 2014. № 4(56) С 2011 г. системы Р1002М работают на всех радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО» в качестве штатного оборудования и используются во всех РСДБ наблюдениях по отечественным и зарубежным программам, включая траекторные измерения космических аппаратов «Марс-экспресс» и «Венера-экспресс» и совместные наблюдения с аппаратом «Спектр-Р» (проект «РадиоАстрон»). Положительный эффект от замены зарубежных систем на Р1002М, связанный с сокращением инструментальных потерь qs, а также практически идеальной линейностью и стабильностью фазовых характеристик каналов, позволил заметно улучшить качество получаемых при РСДБ наблюдениях данных [9]. Чувствительность радиоинтерферометра возросла в среднем на 20-30 %, при этом разброс значений SNR для разных каналов сократился более чем на порядок. Таким образом, среднее число полученных за одну сессию результатов наблюдений космических источников радиоизлучения, пригодных для вторичной обработки (в частности, для вычисления параметров вращения Земли), с вводом в эксплуатацию систем Р1002М увеличилось более чем на 20 % (рис. 2). Новая система преобразования сигналов BRAS. Следующим поколением систем преобразования сигналов комплекса «Квазар-КВО» является широкополосная цифровая система преобразования сигналов BRAS (Broadband Acquisition System) с цифровой обработкой сигналов на высоких частотах и суммарным информационным потоком 16 Гбит/c. В первую очередь, система BRAS предназначена для перспективных радиоинтерферометров на антеннах малого диаметра [10-12], в том числе для новых радиотелескопов РТ-13, строительство которых завершается в обсерваториях «Зеленчукская» и «Бадары», комплекса «Квазар-КВО». Параметры системы BRAS (табл. 2) позволяют скомпенсировать потери чувствительности радиоинтерферометра, связанные с уменьшением диаметра антенн. Они соответствуют уровню лучших зарубежных разработок, а по соотношению цена-качество превосходят их. Кроме того, система BRAS отличается тем, что предназначена для размещения непосредственно на антенне радиотелескопа, а не в аппаратном помещении, как зарубежные системы. Это позволяет исключить длинные линии передачи сверхвысокочастотных широкополосных сигналов от радиоприемных устройств, а с выхода системы по оптическим линиям с высокой надежностью передавать цифровые потоки данных через интерфейс Ethernet на систему буферизации данных для дальнейшей передачи их в центр корреляционной обработки. Система BRAS [13; 14] построена по модульному принципу и состоит из восьми одинаковых модулей каналов цифрового преобразования сигналов (КЦП), работающих в диапазоне ПЧ 1-1,5 ГГц, модуля синхронизации и узла питания, соединенных между собой через кросс-плату (рис. 3). Каждый КЦП (рис. 4) содержит усилитель (УПЧ) с фильтром, ограничивающим спектр входного широкополосного сигнала, аттенюатор для автоматического поддержания оптимального уровня сигнала, быстродействующий АЦП типа ADC081500, ПЛИС типа XC6SLX100T, выполняющую функции цифрового 2-битового квантования сигналов и формирования цифровых потоков в формате VDIF (VLBI Data Interchange Format) для интерфейса 10G Ethernet, а также оптический трансивер. На модуль синхронизации, который формирует и распределяет синфазные сигналы тактовых частот для КЦП, поступают сигналы времени и сигналы опорной частоты 100 МГц от СЧВС-радиотелескопа. Управление системой осуществляет центральный компьютер управления радиотелескопом. В системе предусмотрены функции измерения задержек между сигналами от приемника Глобальной спутниковой навигационной системы (ГНСС) и шкалы времени радиотелескопа (ШВ), анализа спектра входного сигнала, выделения и измерения фазы сигнала фазовой калибровки радиотелескопа, а также ряд функций контроля и диагностики. Таблица 2 Сравнение параметров системы BRAS и последних зарубежных разработок Система, страна DBBC 2010, Италия RDBE-H, США CDAS, Китай BRAS, Россия Число входов ПЧ 8 2 4 8 Число каналов 8 1 1 8 Полоса пропускания канала, МГц 1024 512 512 512 Диапазон входных частот АЦП, МГц 0-3500 0-1536 50-1024 0-1536 Квантование, бит 1, 2 или 4 2 1, 2 или 4 2 или 8 Формат данных на выходе VDIF/VSI-H VDIF (10GE) VSI-H VDIF (10GE) Суммарная скорость потока на выходе, Гбит/с 32 2 2 16 Место размещения Лаб. корпус Лаб. корпус Лаб. корпус Антенна Цена при серийном производстве US$131 470 US$18 000 US$50 000 US$72 000 84 Математика, механика, информатика Рис. 3. Система BRAS трансивер Рис. 4. Канал цифрового преобразования сигналов Рис. 5. Корреляционный отклик от источника 0059+581 на базе Светлое-Зенленчукская, полученный при наблюдениях 10.08.2012 г. в диапазоне длин волн 3,5 см с использованием прототипа системы BRAS 85 Вестник СибГАУ. 2014. N 4(56) Рис. 6. Корреляционный отклик от источника 1803+784 на базе Бадары-Зеленчукская, полученный при наблюдениях 04.09.2014 г. в диапазоне длин волн 3,5 см с использованием системы BRAS: SNR = 341 Испытания системы BRAS. Двухканальный прототип системы был исследован в условиях реальных РСДБ-наблюдений на базе Светлое-Зеленчукская комплекса «Квазар-КВО» с использованием штатного оборудования 32-метровых антенн [15]. При этом в качестве системы буферизации данных использовалась аппаратура регистрации Mark5C фирмы Conduant Corp. (США). В ходе экспериментального сеанса РСДБ наблюдались 8 калибровочных радиоисточников из каталога rfc_2012c со спектральными плотностями мощности потока излучения от 0,09 до 2 Янских. От всех источников были получены четкие корреляционные отклики (рис. 5) с отношением сигнал/шум в 4,7-4,8 раза большим, чем для каналов штатной аппаратуры с шириной полосы пропускания 16 МГц, что приблизительно соответствует соотношению полос пропускания каналов штатной аппаратуры и системы BRAS. Эксперимент показал, что точность определения временного положения корреляционного отклика при использовании одного широкополосного канала (m = 1, B = 512 МГц) приблизительно в 1,6 раза выше точности, которую можно получить при использовании 8 штатных узкополосных каналов и синтезе полосы частот (Afrms = 736 МГ ц). При проведении лабораторных испытаний опытных образцов системы BRAS были измерены их электрические характеристики, проверено и отлажено программное обеспечение, включая конфигурации ПЛИС в КЦП и модулях синхронизации. Механические и климатические испытания опытных образцов подтвердили возможность их эксплуатации непосредственно на антенне радиотелескопа. Объектовые испытания опытных образцов BRAS были проведены в обсерваториях «Зеленчукская» и «Бадары». При этом использовалось штатное оборудование 32-метровых антенн комплекса «Квазар-КВО». В ходе экспериментального РСДБ-сеанса 4 сентября 2014 года с помощью системы BRAS наблюдались 25 опорных источников радиоизлучения с плотностью потока от 0,6 до 7,6 Янских, используемых обычно для оперативного определения параметров вращения Земли на комплексе «Квазар-КВО». В результате обработки на программном корреляторе в ИПА РАН были получены четкие отклики (рис. 6) от всех наблюдаемых источников с оценкой качества 9 из 10 возможных. Заключение. Уникальный радиоинтерферометри-ческий комплекс «Квазар-КВО» оснащен отечественной аппаратурой преобразования сигналов, современное состояние которой соответствует мировому уровню. Штатная система Р1002М с цифровой обработкой сигналов на видеочастотах хорошо зарекомендовала себя при работе комплекса «Квазар-КВО» как по отечественным, так и по зарубежным программам РСДБ-наблюдений. Создание новой широкополосной системы преобразования сигналов BRAS позволяет оснастить перспективные радиотелескопы на малых антеннах. Ввод в эксплуатацию опытных образцов системы BRAS на строящихся радиотелескопах с 13-метровыми антеннами планируется в 2015 г. Впервые в стране на радиоинтерферометре комплекса «Квазар-КВО» были проведены РСДБ-наблюдения с использованием широкополосных каналов преобразования сигналов. Использование таких каналов на антеннах большого диаметра позволит заметно повысить чувствительность радиоинтерферометра и увеличить число доступных для наблюдения источников космического радиоизлучения. Библиографические ссылки

About the authors

Dmitry Alexandrovich Marshalov

Institute of Applied Astronomy Russian Academy of Science

Email: marshalov.iaa@gmail.com
Cand. Sc., Senior Researcher Lab

Evgeny Viktorovich Nosov

Institute of Applied Astronomy Russian Academy of Science

Email: e84@mail.ru
research fellow

Leonid Vasiljevich Fedotov

Institute of Applied Astronomy Russian Academy of Science

Email: lprsflv@mail.ru
Cand. Sc., senior research fellow and head of the laboratory

References

Supplementary files