Ученые ЛЭТИ доказали эффективность установки на радиотелескопах цифровых систем преобразования сигналов

Ученые ЛЭТИ доказали эффективность установки на радиотелескопах цифровых систем преобразования сигналов

Ученые Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» совместно с коллегами из Института прикладной астрономии РАН предложили использовать технологию цифрового выделения узкополосных сигналов из полосы промежуточных частот для модернизации радиотелескопов.

03.07.2020 588

В последние годы главным трендом в радиоастрономии является переход от радиотелескопов с аналоговыми системами регистрации сигналов к цифровым комплексам нового поколения, которые обладают небольшими габаритами и широким спектром функций. В этой связи возникает проблема интеграции новых небольших радиотелескопов в действующие сети радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ-сети), где регистрируются сигналы видеочастот. Ученые СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в сотрудничестве с коллегами из Института прикладной астрономии Российской академии наук (ИПА РАН, г. Санкт-Петербург) предложили эффективный способ цифрового выделения узкополосных сигналов, который позволит повысить надежность и эксплуатационные характеристики радиотелескопов. Результаты сравнения радиоинтерферометров с аналоговыми и цифровыми системами выделения регистрируемых сигналов опубликованы в журнале «Известия вузов России. Радиоэлектроника», где уже в течение ряда лет публикуются результаты исследований СПбГЭТУ«ЛЭТИ» и Института прикладной астрономии, направленных на создание современных цифровых систем преобразования и регистрации радиоастрономических сигналов.

Радиотелескопами комплексов радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ) обычно регистрируются несколько сигналов с относительно узкими (до 32 МГц) полосами, которые выделяются видеоконверторами из аналогового шумового сигнала промежуточной частоты (ПЧ) с полосами до 1 ГГц. При обработке данных применяется синтез полосы частот. На новых небольших радиотелескопах (например, РТ-13) оцифровываются широкополосные сигналы ПЧ. Чтобы интегрировать радиотелескопы с широкополосными каналами в действующие РСДБ-сети, где регистрируются и обрабатываются узкополосные сигналы видеочастот, необходимо из высокоскоростного цифрового сигнала ПЧ выделять на заданных частотах сигналы с относительно узкими полосами и преобразовывать их к видеочастотам.

Такую задачу решает модуль цифрового выделения узкополосных сигналов, разработанный в Институте прикладной астрономии в 2019 году – он обеспечивает возможность подключения радиотелескопа РТ-13 к РСДБ-комплексу «Квазар-КВО» и к международным РСДБ-сетям.

«Необходимо выяснить, в какой мере замена аналоговой СПС модулем цифрового выделения сигналов может повлиять на чувствительность радиоинтерферометра и на точность измерений интерференционных групповых задержек принимаемого радиоизлучения, – обозначил проблему профессор базовой кафедры радиоастрономии (РА) СПбГЭТУ «ЛЭТИ», доктор технических наук, Заслуженный деятель науки РФ Николай Ефимович Кольцов. – Эта информация нужна для рационального планирования РСДБ-наблюдений с использованием разнотипных систем преобразования сигналов и для выбора опорных источников радиоизлучения. Она же полезна и для разработки многофункциональной цифровой системы преобразования сигналов, которая проводится с целью модернизации радиотелескопов РТ-32 и оснащения новых малогабаритных радиотелескопов».

Группа ученых под руководством профессора Н.Е. Кольцова поставила цель – определить точность измерения интерферометрической групповой задержки сигнала радиоинтерферометром с цифровым модулем выделения регистрируемых сигналов и сравнить чувствительность интерферометров с аналоговыми и с цифровыми системами выделения сигналов.

Для этого рассчитали потери чувствительности интерферометров с разными системами выделения регистрируемых сигналов. На примере аналого-цифровых систем преобразования сигналов Р-1002М, установленных на радиотелескопах РТ-32 РСДБ-комплекса «Квазар-КВО», выяснилось, что данный показатель составляет в совокупности примерно 3%. Суммарные потери чувствительности, вносимые цифровым модулем выделения узкополосных сигналов, не превышают 0.5 %.

Разработчики также сравнили точность многоканального интерферометра с синтезом полосы частот и интерферометра, регистрирующего цифровые широкополосные сигналы ПЧ без синтеза полосы. Как показали исследования, точность определения интерференционной задержки сигнала пятиканальным интерферометром с полосами 8 МГц при синтезе полосы частот 512 МГц будет в 2.5 раза хуже точности одноканального интерферометра с полосой 512 МГц. Точность пятиканального интерферометра с полосами 16 МГц при синтезе полосы частот 1 ГГц будет на 30 % ниже точности интерферометра с двумя широкополосными каналами, которые перекрывают полосу пропускания РПУ.

Целесообразность использования цифровой системы преобразования сигналов на радиотелескопах была подтверждена в ходе испытаний, проведенных на наблюдательных пунктах «Зеленчукская» и «Бадары», которые входят в состав РСДБ сети «Квазар-КВО».

«При замене штатных систем преобразования сигналов цифровыми точность измерения интерференционных групповых задержек принимаемых сигналов практически не меняется, а чувствительность интерферометра даже немного (примерно на 4 %) улучшается. Достаточно сложные каналы усиления и передачи широкополосных аналоговых сигналов промежуточных частот (ПЧ) заменяются волоконно-оптическими линиями передачи цифровых сигналов. При использовании разработанной цифровой системы появляется возможность работы радиотелескопов в режиме регистрации широкополосных сигналов ПЧ, что позволит значительно повысить чувствительность интерферометра и расширить список доступных опорных источников, используемых при РСДБ-наблюдениях».

Профессор базовой кафедры радиоастрономии (РА) СПбГЭТУ «ЛЭТИ», Заслуженный деятель науки РФ Николай Ефимович Кольцов

Способ цифрового выделения узкополосных сигналов из полосы промежуточных частот, разработанный учеными базовой кафедры радиоастрономии СПбГЭТУ «ЛЭТИ», будет внедрен в новую многофункциональную систему преобразования и регистрации сигналов, создаваемую в Институте прикладной астрономии РАН. С ее помощью планируется модернизировать действующие радиотелескопы комплекса «Квазар-КВО». Также она войдет в конструкцию малогабаритных радиотелескопов нового поколения. Передовые антенные облучатели и сверхширокополосные приемные устройства повысят точность радиоастрономических измерений и откроют для исследователей космоса новые возможности.

Разработка, выполненная учеными, логично вписывается в национальный проект «Наука» и направлена на реализацию задач в рамках приоритетного направления научно-технологического развития Российской Федерации «Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта».