WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     ||
|

В первой главе рассматриваются основные параметры и технические средства регистрации излучения в спектральных линиях, используемые в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн (ДМВ-СМВ). Корреляционные системы регистрации спектра, наиболее широко применяемые в диапазонах ДМВ-СМВ, начинают вытесняться более совершенными системами на базе цифровых БПФ-спектрометров. Система регистрации с БПФ-спектрометром обеспечивает как высокую частотную разрешающую способность, так и высокие эксплуатационные характеристики (стабильность, надежность, удобство управления). Но необходимо выяснить зависимости чувствительности системы и качества измерений спектральных компонентов от времени наблюдения источника и оценить минимальное время, которое требуется для выделения сигнала из шума и измерения параметров спектра. Без решения этой задачи невозможно планировать наблюдения оптимальным образом.

Для наблюдения спектральных линий в диапазоне ДМВ-СМВ требуется спектрометр с полосой анализа Bан от 1 до 30 МГц и интервалом частотного разрешения f от 0.1 – 0.5 кГц до 50 кГц. Поскольку излучение в спектральных линиях может быть поляризовано, радиотелескопы комплекса «Квазар-КВО» оснащены двухканальными приемными устройствами, работающими с сигналами разных поляризаций, то целесообразно, чтобы спектрометр имел два максимально идентичных канала для получения большей информации от исследуемой области пространства.

Необходимо провести анализ параметров быстродействия систем регистрации спектров с компьютерным БПФ-спектрометром и со специализированным быстродействующим БПФ-спектрометром, чтобы оценить возможный выигрыш по чувствительности и по сокращению времени наблюдений источников.

Особенность разработанной системы регистрации (рис. 1) состоит в том, что к принимаемому сигналу добавляются периодические шумовые импульсы небольшой известной заранее мощности, а в частотной полосе анализа выделяются участок без сигнала и полоса, в которой может быть сигнал. Реализации спектров, полученные при воздействии шумовых импульсов и в паузах между ними раздельно усредняются и затем вычисляются искомые спектральные компоненты Tsi принимаемого антенной сигнала, а также шумовая температура приемной системы радиотелескопа Tс и коэффициент усиления приемного канала К.

Рис. 1. Система регистрации с БПФ-спектрометром: НО — направленный ответвитель;
РПУ — радиоастрономическое широкополосное приемное устройство;
ГШ — модулируемый генератор шума.

Во второй главе методами статистической радиотехники исследуется чувствительность системы регистрации с БПФ-спектрометром и её связь с шумовой температурой сигнала в антенне Tsi, с основными параметрами системы регистрации спектров (интервалом частотного разрешения f, периодом цикла получения реализации спектра tц, шумовой температурой системы Tc) и временем наблюдения источника излучения tн.

В системе регистрации с БПФ-спектрометром многоразрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) считывает выборки исследуемого сигнала с частотой Fсч. Затем по каждой набранной последовательности выборок объемом 2N = Fсч/f = Fsmax/f (здесь Fsmax — максимальная частота сигнала на входе АЦП) методом БПФ циклически вычисляются реализации энергетического спектра, которые затем усредняются на интервале tн. Пакет из 2N выборок сигнала, необходимый для вычисления реализации спектра, считывается за время tсч=1/f. При этом полученный спектр представляется N = Bан/f компонентами на частотах fi (здесь i = 1…N, Bан=Fsmax), разнесенных на f. Измеренный спектр мощности шумового сигнала на выходе приемно-усилительного канала пересчитывается в спектр шумовых температур исследуемого сигнала в соответствии с методом, описанным в главе 1. При достаточно общих ограничениях получено среднеквадратическое отклонение (СКО) оценок шумовых температур i-го спектрального канала:

Tsi Tc /= Tc,

где m = 0.5tн/tц – число реализаций спектра, накапливаемых за время наблюдения источника сигнала по каждому из полупериодов модуляции генератора калиброванного шума.

Относительная погрешность измерения спектральных компонентов

Tsi = Tsi / Tsi = (Tc /Tsi) (1)

пропорциональна корню квадратному из отношения времени наблюдения к периоду вычисления реализации спектра и обратно пропорциональна отношению сигнал/шум Tsi / Tc на входе системы.

Чувствительность рассматриваемой системы определяется шумовой температурой Tsmin = bTs, где b – выходное отношение сигнал/шум, установленное для порога чувствительности (обычно b=1).

На основе формулы (1) при заданной допустимой относительной погрешности измерений доп определено минимальное необходимое время наблюдения сигнала от исследуемого источника:

tн min =. (2)

Значение tнmin пропорционально периоду вычисления реализаций спектра и обратно пропорционально квадрату отношения сигнал/шум на входе системы.

В компьютерном БПФ-спектрометре период tц получения реализации спектра включает в себя время tсч считывания пакета из 2N цифровых выборок сигнала, необходимого для вычисления спектра, время tп передачи этого пакета в память вычислительного устройства и время вычисления спектра tвыч. Значение tц для каждого конкретного типа спектрометра своё и зависит как от быстродействия вычислительного устройства, так и от заданного интервала частотного разрешения f.

Минимальное время наблюдения достигается при считывании сигнала без перерывов, когда за время считывания очередного пакета выборок сигнала вычислительное устройство успевает вычислить реализацию спектра по предыдущему пакету выборок. В этом случае tц = tсч и за время tн усредняется максимальное число реализаций спектра, и, соответственно, достигается более высокая чувствительность.

Формулы (1) и (2) справедливы до тех пор, пока погрешность Tsi не уменьшится по мере накопления до значения, близкого к среднеквадратической погрешности вычислений спектра сп. При дальнейшем накоплении СКО Tsi будет ограничиваться значением, где АЦП – СКО шумов квантования сигнала;
вес – СКО шумов квантования весовых коэффициентов БПФ; выч – СКО остаточных шумов, вносимых при вычислениях БПФ. Величина сп зависит от разрядности вычислений nвыч, разрядности представления весовых коэффициентов БПФ nвес и разрядности АЦП nАЦП. Если разрядность АЦП nАЦП  8 и разрядность представления весовых коэффициентов БПФ nвес  16, то

,

где  = (1/2nвыч) – шаг дискретного представления чисел, используемых при вычислениях. Таким образом, погрешность вычислений спектра прямо пропорциональна квадрату и логарифму числа дискретных частот в спектре, шумовой температуре системы и квадрату шага квантования при вычислении.

Чтобы выбрать разрядности вычислений, были исследованы следующие варианты формата чисел при вычислении БПФ: вычисления в целочисленном формате, в формате с плавающей точкой с одинарной точностью и в формате с плавающей точкой с двойной точностью. При разработке БПФ-спектрометров для системы регистрации в ДМВ-СМВ диапазонах целесообразно ориентироваться на вычисления при представлении чисел в формате с плавающей точкой с одинарной точностью. В этом случае при числе дискретных частот в спектре N  2048 и Тс = 40  100 К погрешность сп  0.01 К, чего вполне достаточно при первичном накоплении спектра.

Для максимального времени эффективного накопления определяемого моментом, когда Tsi достигнет значения сп, получена формула

tн.макс  = 2Tc2 tц/сп 2 = 2Tc2 tц/(tcчf сп 2). (3)

Если входное отношение сигнал/шум очень мало и вычисленное по формуле (2) значение tнmin превышает значение tн.макс, то общее время наблюдения следует разбить на интервалы и вторично усреднять полученные на этих интервалах спектры по ансамблю.

В третьей главе определялись параметры быстродействия системы регистрации (рис. 1) и разрабатывалось программное обеспечение.

При исследовании параметров быстродействия системы регистрации (рис. 1) в качестве АЦП использовалась плата PXI-5620, а в качестве вычислительного устройства – контроллер PXI-8186 на базе компьютерного процессора Pentium IV-M.

Длительность цикла получения реализаций спектра в компьютерном БПФ-спектрометре tц = tсч + tп + tвыч, где tп – время заполнения буферной памяти платы считывания сигнала и передачи данных в память компьютера; tвыч  at2Nlog2(2N) – время вычисления спектра; at – коэффициент с размерностью времени, определяемый производительностью компьютера. Период tц равен отношению времени накопления и числа усредненных за это время реализаций спектра. В БПФ-спектрометре на базе компьютера считывание сигнала происходит с перерывами, и для оценки потерь времени были определены значения tп и at. Коэффициент at и время tвыч определялись из результатов измерения времени вычисления БПФ при различных заданных параметрах анализа. По полученным значениям tсч и tвыч определялось время tп. Для одного из лучших компьютерных БПФ-спектрометров (NI-5620 на базе Pentium IV) получен коэффициент at  3.64·10–8 с при числе частотных каналов (дискретных частот в спектре) от 100 до 100000 и зависимость времени tп от объема пакета выборок (2N = 2Bан/f) и частоты Fсч.

При числе дискретных частот N больше 1000 и частоте Fсч > 2 МГц время tвыч больше времени tп и tц  2tвыч = 4atNlog2(2N). При N менее 1000 время вычисления спектра tвыч меньше времени tп и tц tп.

Период циклов измерения tц реализаций спектра в компьютерном БПФ-спектрометре определяется не только быстродействием компьютерного процессора, но и потерями времени на передачу выборок сигнала АЦП в память компьютера. Время заполнения буферной памяти платы АЦП не сказывается при частотах считывания выше 2 МГц (зависимости tп от Bан/f для Fсч > 2 МГц сливаются в одну кривую). Для частот Fcч  2 МГц, необходимых при работе в узкой полосе (например, при исследовании излучения в ДМВ диапазоне) время заполнения памяти становится большим и со снижением частоты считывания до 250 кГц превышает 0.1 с. На основе экспериментальных данных рассчитаны значения коэффициента быстродействия tсч/tц, характеризующие долю используемого для накопления сигнала от общего времени наблюдения источника излучения. Даже при использовании достаточно совершенного компьютерного БПФ-спектрометра (например, NI-5620) период вычисления реализации спектра для типовых условий наблюдений (Bан = 0.532 МГц, f = 0.5–8 кГц) оказывается достаточно большим – от 1.7 мс до 700 мс, а использование времени наблюдения источника – непродуктивным: tсч/tц = 0.0160.44 в зависимости от заданных значений Bан и f. Поэтому приходится неоправданно увеличивать время наблюдения от 2.2 до 75 раз по сравнению с высокоскоростным спектрометром, у которого сигнал считывается и накапливается непрерывно (tсч/tц = 1).

Для управления системой регистрации с БПФ-спектрометром было разработано программное обеспечение, позволяющие проводить спектральные наблюдения в автоматизированном режиме при работе в одноканальном и двухканальном режимах. Разработанное программное обеспечение позволяет получить информацию о форме и параметрах энергетического спектра в единицах шумовой температуры Ts(f) или мощности Ps(f), а также в единицах спектральной плотности потока электромагнитной энергии S(МСП).

Для проверки метода калибровки была проведена серия измерений, при которых на вход системы подавалась смесь шума приемной системы и получаемого от имитатора сигнала. В результате экспериментов получены зависимости измеренной шумовой температуры сигнала Ts* от отношения сигнал/шум на входе, шумовой температуры системы и времени накопления. Зависимость измеренной величины от шумовой температуры входного сигнала линейна при достаточном накоплении (расхождение измеренной шумовой температуры сигнала от истинной при tн = 1800 с, f = 1000 Гц и Ts = 2.5 К для Tc < 100 К не превышает 11.6 %).

В главе 4 исследуются принципы разработки специализированного высокоскоростного БПФ-спектрометра и системы регистрации на его основе, позволяющей свести время наблюдения источника до теоретического минимума (tц = 1/f).

Проводилось исследование возможности построения высокоскоростного БПФ-спектрометра как на цифровых сигнальных процессорах (ЦСП), так и на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС). Для этого сравнивались скорости вычисления БПФ для цифровых 8-разрядных выборок сигнала при N = 2048. Время вычисления спектра рассчитывалось на основе справочных данных о производительностях устройств в миллионах операций умножения с накоплением (ММАС).

Несмотря на то, что ЦСП способны работать с большей тактовой частотой по сравнению с ПЛИС, они уступают им в производительности. Главное преимущество ПЛИС – это возможность выполнять параллельные вычисления. В отличие от ЦСП, где за период тактовой частоты выполняется одна команда (или иногда несколько команд), в ПЛИС за один цикл может одновременно и независимо выполняться множество операций. При частоте считывания Fсч = 64 МГц и числе частотных каналов N = 2048 время считывания пакета выборок сигнала tсч = 62 мкс. За такое время вычислить реализацию спектра и обеспечить непрерывный режим считывания могут только ПЛИС.

В данной главе обоснованы принципы построения и проектирования высокоскоростного двухканального БПФ-спектрометра на ПЛИС для радиоастрономической системы регистрации в спектральных линиях и определены требования к его основным компонентам – АЦП и ПЛИС. Исходя из определенных в главе 1 требований к системе, показано, что для БПФ-спектрометра системы регистрации в ДМВ-СМВ диапазонах подходит двухканальный 10-разрядный АЦП LTC 2288 с рабочей тактовой частотой 64 МГц и ПЛИС XC4VLX25 или XC4VSX35. Производительность первой ПЛИС примерно 4100 MMAC (при операциях над 32-разрядными числами), число умножителей – 48, объем встроенной памяти около 168 кбайт. Это дает возможность создать БПФ-спектрометр с N = 2048. Вторая ПЛИС, имеющая 192 встроенных умножителя и объем памяти около 432 кбайт, позволяет создать БПФ-спектрометр с N = 16384.

Для управления системой регистрации с высокоскоростным спектрометром на ПЛИС используется разработанное в главе 3 специальное программное обеспечение.

Основные параметры системы регистрации с БПФ-спектрометром на ПЛИС: число каналов – 1 или 2; диапазон частот сигналов на входе СПС 1001000 МГц; полоса анализа Bан = 0.12532 МГц; интервал частотного разрешения при использовании ПЛИС XC4VLX25: f = Bан/1024 в двухканальном режиме и f = Bан/2048 в одноканальном режиме, а при использовании ПЛИС XC4VSX35 f = Bан/8192 в двухканальном режиме и f = Bан/16384 в одноканальном; время получения одной реализации спектра tсч = 1/f.

Pages:     ||
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.