RU2431852C2 - Radiometric registration of weak broadband radio signal - Google Patents
Radiometric registration of weak broadband radio signal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2431852C2 RU2431852C2 RU2008108318/09A RU2008108318A RU2431852C2 RU 2431852 C2 RU2431852 C2 RU 2431852C2 RU 2008108318/09 A RU2008108318/09 A RU 2008108318/09A RU 2008108318 A RU2008108318 A RU 2008108318A RU 2431852 C2 RU2431852 C2 RU 2431852C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radio
- power
- noise
- signal
- broadband
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к радиоастрономии и может использоваться в радиометрах, регистрирующих шумовую температуру или мощность принимаемого широкополосного шумового сигнала в полосе пропускания радиометра, т.е. выполняющих радиометрические измерения в континууме. Измеряемыми и регистрируемыми энергетическими параметрами, характеризующими широкополосный радиосигнал от космического источника, являются мощность Ps принятого радиосигнала в полосе пропускания Δf широкополосного канала радиометра и его шумовая температура Ts=Ps/kΔf, где k≈1,38·10-23 Вт/(Гц·К) - постоянная Больцмана. По этим параметрам определяют плотность потока электромагнитной энергии, поступающей от источника радиоизлучения. Современными радиометрами измеряются и регистрируются весьма слабые радиосигналы, шумовая температура Ts которых на несколько порядков (например, на 30-40 дБ) меньше температуры Tc собственных шумов радиотелескопа.The invention relates to radio astronomy and can be used in radiometers that record the noise temperature or power of a received broadband noise signal in the passband of a radiometer, i.e. performing radiometric measurements in a continuum. The measured and recorded energy parameters characterizing the broadband radio signal from a space source are the power P s of the received radio signal in the passband Δf of the broadband channel of the radiometer and its noise temperature T s = P s / kΔf, where k≈1.38 · 10 -23 W / (Hz · K) - Boltzmann constant. These parameters determine the density of the flow of electromagnetic energy coming from the source of radio emission. Very weak radio signals are measured and recorded with modern radiometers, the noise temperature T s of which is several orders of magnitude (for example, 30–40 dB) lower than the temperature T c of the noise of the radio telescope.
Для регистрации слабого широкополосного радиоизлучения применяют радиометры, в которых с помощью амплитудного детектора с квадратичной характеристикой измеряется мощность шумового сигнала в полосе пропускания Δf широкополосного приемного канала. Напряжение на выходе квадратичного амплитудного детектора, пропорциональное мощности шумового сигнала, интегрируется с заданной постоянной времени τ, что позволяет уменьшить флюктуации. Чтобы определить мощность исследуемого сигнала, измеряют суммарную мощность сигнала и собственных шумов радиотелескопа и мощность собственных шумов без сигнала, а затем их сравнивают (взаимно вычитают).To register weak broadband radio emission, radiometers are used in which the noise signal power in the passband Δf of the broadband receiving channel is measured using an amplitude detector with a quadratic characteristic. The voltage at the output of the quadratic amplitude detector, proportional to the power of the noise signal, is integrated with a given time constant τ, which allows to reduce fluctuations. To determine the power of the signal under study, measure the total power of the signal and the noise of the radio telescope and the power of the noise without a signal, and then compare them (mutually subtract).
По принципу действия различают радиометры двух типов: компенсационные и модуляционные. В компенсационных радиометрах детектируется смесь принятых антенной радиосигналов и собственных шумов приемной системы радиотелескопа, выделяется и измеряется постоянная составляющая напряжения на выходе детектора. Затем измеряется напряжение на выходе детектора при отстройке антенны от исследуемого источника радиоизлучения и по разности двух напряжений определяется мощность принятого радиосигнала в полосе пропускания широкополосного приемного канала (до детектора). Из-за нестабильности коэффициента усиления приемного канала и изменений шумов антенны точность измерений шумовой температуры сигнала этим способом оказывается невысокой.According to the principle of action, there are two types of radiometers: compensation and modulation. In compensation radiometers, a mixture of the radio signals received by the antenna and the intrinsic noises of the receiving system of the radio telescope is detected, and the constant component of the voltage at the detector output is extracted and measured. Then, the voltage at the detector output is measured when the antenna is detuned from the studied radio emission source, and the power of the received radio signal in the passband of the broadband receiving channel (to the detector) is determined by the difference of the two voltages. Due to the instability of the gain of the receiving channel and changes in antenna noise, the accuracy of measuring the noise temperature of the signal in this way is not high.
В более совершенных радиометрах модуляционного типа поочередно, с относительно низкой частотой модуляции (около 1 кГц) детектируются и затем сравниваются (вычитаются) с помощью синхронного детектора шумовой сигнал, состоящий из смеси принимаемых радиосигналов и собственных шумов приемной системы радиотелескопа, и шумовой сигнал, вводимый на вход приемного устройства от высокостабильного генератора шума. Разностное напряжение на выходе синхронного детектора пропорционально разности мощностей сигналов в указанные полупериоды модуляции и, следовательно, пропорционально мощности принимаемого антенной радиосигнала. Относительно медленные изменения коэффициента усиления канала при сравнении сигналов синхронным детектором взаимно компенсируются, вследствие чего точность измерений повышается.In more advanced modulation type radiometers, in turn, with a relatively low modulation frequency (about 1 kHz), a noise signal consisting of a mixture of the received radio signals and the intrinsic noise of the receiving system of the radio telescope and the noise signal input to receiver input from a highly stable noise generator. The differential voltage at the output of the synchronous detector is proportional to the difference in the signal powers in the indicated modulation half-periods and, therefore, is proportional to the power of the radio signal received by the antenna. The relatively slow changes in the channel gain when comparing the signals with a synchronous detector are mutually compensated, as a result of which the measurement accuracy is increased.
Подробную информацию о средствах регистрации слабых широкополосных радиосигналов космического происхождения и о принципах действия радиометров можно найти в книгах: Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. «Радиотелескопы и радиометры». - М.: «Наука», 1973, Кисляков А.Г., Разин В.А., Цейтлин Н.М., «Введение в радиоастрономию», Учебное пособие. В 2-х ч. Ч.1. - М.: Физматлит, 1995.Detailed information on the means of detecting weak broadband radio signals of space origin and on the principles of action of radiometers can be found in the books: Esepkina N.A., Korolkov D.V., Pariysky Yu.N. "Radio telescopes and radiometers." - M .: "Science", 1973, Kislyakov A.G., Razin V.A., Tseitlin N.M., "Introduction to Radio Astronomy", Textbook. In 2 hours,
Все известные радиометры, хоть и различаются по схемотехническим решениям, основаны на: квадратичном детектировании сигналов в полосе пропускания широкополосного приемного канала (до детектора), и на последующем сравнении напряжений, получаемых при прохождении исследуемого сигнала в смеси с собственным шумом приемной системы радиотелескопа и при прохождении только собственного шума системы без исследуемого сигнала. Регистрируемое разностное напряжение пропорционально мощности и шумовой температуре исследуемого сигнала. Измеренное разностное напряжение пересчитывают в шумовую температуру (или мощность) сигнала, наведенного в антенне, для чего применяют традиционные методы калибровки радиометра. Методы калибровки описаны, например, в учебном пособии: Ипатов А.В., Кольцов Н.Е. «Радиометры», СПб: Изд-во СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», 2007, стр.20.All known radiometers, although they differ in circuitry solutions, are based on: quadratic detection of signals in the passband of the broadband receiving channel (to the detector), and on a subsequent comparison of the voltages obtained during the passage of the test signal in a mixture with the intrinsic noise of the receiving system of the radio telescope and when passing only the intrinsic noise of the system without the investigated signal The registered differential voltage is proportional to the power and noise temperature of the signal under study. The measured differential voltage is converted to the noise temperature (or power) of the signal induced in the antenna, for which traditional radiometer calibration methods are used. Calibration methods are described, for example, in the manual: Ipatov A.V., Koltsov N.E. "Radiometers", St. Petersburg: Publishing House of St. Petersburg GETU "LETI", 2007, p. 20.
Один из основных недостатков всех широкополосных радиометров - низкая защищенность от радиопомех, принимаемых антенной и попадающих в полосу пропускания приемного устройства. Такие радиопомехи детектируются вместе с исследуемым сигналом и искажают результаты измерений, причем после детектирования практически невозможно исключить внесенные помехой ошибки. Чувствительность радиометра повышается при расширении полосы пропускания приемно-усилительного канала (до амплитудного детектора) пропорционально корню квадратному из полосы. Поэтому при исследовании широкополосного космического радиоизлучения обычно используют приемные устройства с весьма широкой полосой пропускания (десятки-сотни мегагерц и более). На 32-метровых радиотелескопах комплекса «Квазар», например, приемные устройства имеют полосы 900 МГц, что дает возможность регистрировать широкополосные шумовые радиосигналы, уровень которых в 10000 раз (на 40 дБ) ниже уровня собственных шумов радиотелескопа. При приеме слабых широкополосных сигналов первостепенной становится задача борьбы с радиопомехами, создаваемыми средствами радиосвязи, радиолокации и другими радиотехническими системами, причем с расширением полосы пропускания приемного устройства повышается вероятность попадания в нее мешающих радиосигналов.One of the main disadvantages of all broadband radiometers is the low immunity to radio interference received by the antenna and falling into the passband of the receiving device. Such radio interference is detected together with the signal under study and distort the measurement results, and after detection it is practically impossible to exclude the errors introduced by the interference. The sensitivity of the radiometer increases with the expansion of the passband of the receive-amplifier channel (up to the amplitude detector) in proportion to the square root of the band. Therefore, when studying broadband space radio emission, receivers with a very wide passband (tens to hundreds of megahertz or more) are usually used. On 32-meter radio telescopes of the Kvazar complex, for example, the receiving devices have 900 MHz bands, which makes it possible to register broadband noise radio signals whose level is 10,000 times (40 dB) lower than the level of the noise of the radio telescope. When receiving weak broadband signals, the paramount task is to combat radio interference created by radio communications, radar and other radio systems, and with the expansion of the receiver bandwidth, the likelihood of interfering radio signals getting into it increases.
Наиболее близким по назначению и технической сущности является способ регистрации широкополосного космического радиоизлучения, который реализован в радиометрах радиоастрономических обсерваторий комплекса «Квазар». Способ и аппаратура регистрации описаны в статье Ипатов А.В., Кольцов Н.Е., Крохалев А.В. Радиометрическая система радиотелескопа РТФ-32. «Приборы и техника эксперимента», №4, 2005. С.66-75. Этот радиометр модуляционного типа, реализующий предлагаемый способ регистрации космического радиоизлучения, установлен на 32-метровых радиотелескопах комплекса «Квазар» и обеспечивает регистрацию широкополосных сигналов, шумовая температура которых в 103-104 раз меньше температуры собственных шумов радиотелескопа. Он содержит последовательно соединенные широкополосный (900 МГц) приемно-усилительный канал (ШПК), амплитудный квадратичный детектор, узкополосный канал с синхронным детектором и выходное регистрирующее устройство, состоящее из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и компьютера. Ко входу ШПК подключены высокостабильный эквивалент шумов антенны, генерирующий шумовые импульсы с частотой модуляции (около 1 кГц), и генератор шумов небольшого уровня (около 1К), используемый для калибровки радиотелескопа. Напряжение на выходе квадратичного детектора, выделяемое узкополосным каналом, на одном полупериоде модуляции пропорционально суммарной мощности принимаемых антенной сигналов и собственных шумов радиотелескопа, а на другом - мощности собственных шумов. Синхронным детектором, работающим на модулирующей частоте, эти напряжения сравниваются (вычитаются). Полученное разностное напряжение, пропорциональное мощности и шумовой температуре сигналов, принимаемых антенной, регистрируется компьютером. Это напряжение далее известными в радиоастрономии методами пересчитывается в шумовые температуры сигналов, наведенных в антенне источниками радиоизлучений. Коэффициенты пропорциональности, необходимые для пересчета, определяются при калибровке радиометра.The closest in purpose and technical essence is the method of recording broadband space radio emission, which is implemented in the radiometers of the radio astronomy observatories of the Quasar complex. The method and equipment of registration are described in the article Ipatov A.V., Koltsov N.E., Krokhalev A.V. The radiometric system of the RTF-32 radio telescope. "Instruments and experimental techniques", No. 4, 2005. P.66-75. This modulation type radiometer that implements the proposed method for detecting cosmic radio emission is installed on 32-meter radio telescopes of the Kvazar complex and provides registration of broadband signals whose noise temperature is 10 3 -10 4 times lower than the temperature of the noise of the radio telescope. It contains a serially connected broadband (900 MHz) receive-amplifier channel (ShPC), an amplitude quadratic detector, a narrow-band channel with a synchronous detector, and an output recording device consisting of an analog-to-digital converter (ADC) and a computer. A highly stable antenna noise equivalent, generating noise pulses with a modulation frequency (about 1 kHz), and a low-level noise generator (about 1K), used to calibrate the radio telescope, are connected to the input of the BPC. The voltage at the output of the quadratic detector, emitted by the narrow-band channel, on one half-cycle of modulation is proportional to the total power of the signals received by the antenna and the noise floor of the radio telescope, and on the other, the power of the noise floor. With a synchronous detector operating at a modulating frequency, these voltages are compared (subtracted). The resulting differential voltage, proportional to the power and noise temperature of the signals received by the antenna, is recorded by the computer. This voltage is then recalculated by methods known in radio astronomy to the noise temperatures of signals induced in the antenna by radio sources. The proportionality coefficients required for conversion are determined when calibrating the radiometer.
Недостатком известного способа и устройства являются значительные ошибки радиометрических измерений, появляющиеся при воздействии узкополосных радиопомех в рабочей полосе частот радиометра, которые могут создаваться средствами радиосвязи и другими радиотехническими системами. При приеме такие радиопомехи детектируются вместе с исследуемым сигналом и изменяют выходное напряжение радиометра, что ведет не только к значительным ошибкам измерений, но при большом числе радиопомех может даже полностью исключить возможность исследований. Дополнительная мощность, вносимая даже слабыми радиопомехами, уровень которых ниже собственного шума радиотелескопа, может стать соизмеримой с мощностью исследуемого шумового сигнала, что даст значительные ошибки измерений. Поскольку мощности многих радиопомех (например, помех от систем мобильной радиосвязи) меняются, ошибка измерений носит случайный характер. Это крайне затрудняет, например, исследование источников нестационарного космического излучения, так как изменения мощностей радиопомех невозможно отличить от изменений интенсивности излучения (нестационарности) самого исследуемого сигнала.A disadvantage of the known method and device is the significant errors of radiometric measurements that occur when exposed to narrow-band radio interference in the working frequency band of the radiometer, which can be created by radio communications and other radio systems. When receiving such radio interference, they are detected together with the signal under study and change the output voltage of the radiometer, which leads not only to significant measurement errors, but with a large number of radio interference can even completely exclude the possibility of research. The additional power introduced even by weak radio noise, the level of which is lower than the intrinsic noise of the radio telescope, can become comparable with the power of the investigated noise signal, which will give significant measurement errors. Since the power of many radio interference (for example, interference from mobile radio systems) is changing, the measurement error is random. This makes it extremely difficult, for example, to study sources of unsteady cosmic radiation, since changes in the radio noise power cannot be distinguished from changes in the radiation intensity (non-stationarity) of the signal under study.
Применяемые технические средства борьбы с помехами недостаточно эффективны. Не всегда помогают, например, режекторные фильтры на входе приемного устройства, так как количество радиопомех и их частоты могут меняться, а сами фильтры имеют недостаточную избирательность и вносят дополнительные потери, снижающие чувствительность радиотелескопа. Иногда пытаются селектировать по времени выбросы напряжения на выходе детектора, создаваемые достаточно короткими радиоимпульсами (например, радиолокационными), но этот способ может дать какой-то эффект лишь при большой мощности импульсов (больше мощности собственного шума в широкой полосе пропускания приемного канала). Непрерывные радиопомехи и маломощные импульсные помехи этим способом вообще не устраняются. Вокруг некоторых радиотелескопов приходится организовывать защитные зоны, что крайне сложно, а во многих случаях невозможно выполнить.Applied technical means of dealing with interference are not effective enough. For example, notch filters at the input of the receiving device do not always help, since the number of radio noise and their frequencies can vary, and the filters themselves have insufficient selectivity and introduce additional losses that reduce the sensitivity of the radio telescope. Sometimes they try to time-select the voltage surges at the detector output created by sufficiently short radio pulses (for example, radar), but this method can give some effect only with a high pulse power (more than the intrinsic noise power in a wide passband of the receiving channel). Continuous radio interference and low-power impulse noise in this way are not eliminated at all. Around some radio telescopes it is necessary to organize protective zones, which is extremely difficult, and in many cases impossible to fulfill.
Целью изобретения является повышение точности измерения энергетических параметров (шумовой температуры, мощности) широкополосного радиосигнала при воздействии узкополосных радиопомех, в том числе непрерывных и сравнительно маломощных (не превышающих уровень собственных шумов радиотелескопа).The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring energy parameters (noise temperature, power) of a broadband radio signal when exposed to narrow-band radio interference, including continuous and relatively low power (not exceeding the level of the noise of the radio telescope).
Эта цель достигается тем, что в радиометрическом способе регистрации слабого широкополосного радиоизлучения, основанном на измерении разности мощностей сигналов в широкополосном приемном канале, получаемых при настройке на источник радиоизлучения и при отстройке от него, сигналы в широкополосном канале преобразуют в последовательности цифровых выборок и методом быстрого преобразования Фурье вычисляют и накапливают энергетические спектры, после чего исключают спектральные компоненты, превышающие заданное значение, и суммируют оставшиеся спектральные компоненты.This goal is achieved by the fact that in the radiometric method for detecting weak broadband radio emission, based on measuring the difference in the power of the signals in the broadband receiving channel obtained when tuning to the radio source and when detuning from it, the signals in the broadband channel are converted into a sequence of digital samples and by fast conversion Fourier calculates and accumulates energy spectra, after which spectral components exceeding the specified value are excluded and the remaining vshiesya spectral components.
При накоплении вычисляемых реализаций энергетического спектра смеси принимаемого сигнала, собственного шума радиотелескопа и радиопомех уменьшаются отклонения измеренных амплитуд спектральных компонентов от истинных значений (сглаживаются флюктуации спектра). В результате становятся заметными даже слабые узкополосные радиопомехи: амплитуды спектральных компонентов на частотах радиопомех будут превышать уровень остаточных флюктуаций усредненного плоского спектра, характеризующего смесь исследуемого широкополосного сигнала и собственного шума радиотелескопа. Исключение из рассмотрения компонентов спектра на частотах, занятых радиопомехами, и суммирование оставшихся компонентов дает суммарную мощность исследуемого сигнала и собственного шума радиотелескопа в полосе Δf1=Δf-Δfx, где Δfx - суммарная полоса частот, занятых узкополосными помехами. Вычитая из полученной мощности мощность собственного шума радиотелескопа в той же полосе, получаем мощность исследуемого сигнала в полосе Δf1. При этом исключается влияние любых узкополосных радиопомех независимо от их длительности и вида модуляции. Поскольку для узкополосных радиопомех Δfx<<Δf, сужение полосы частот Δf1 по сравнению с исходной полосой Δf невелико и почти не влияет на чувствительность радиометра. Мощность собственного шума радиотелескопа в полосе Δf1 можно измерить аналогично методом БПФ, но, в принципе, можно применить и какой-либо известный способ, так как на подавление радиопомех это не влияет.With the accumulation of calculated realizations of the energy spectrum of the mixture of the received signal, the intrinsic noise of the radio telescope and radio noise, the deviations of the measured amplitudes of the spectral components from the true values decrease (the fluctuations of the spectrum are smoothed out). As a result, even weak narrowband radio interference becomes noticeable: the amplitudes of the spectral components at the radio interference frequencies will exceed the level of residual fluctuations of the averaged flat spectrum, which characterizes the mixture of the studied broadband signal and the noise of the radio telescope. The exclusion from consideration of the spectrum components at frequencies occupied by radio noise and summing up the remaining components gives the total power of the studied signal and the noise of the radio telescope in the band Δf 1 = Δf-Δf x , where Δf x is the total frequency band occupied by narrow-band interference. Subtracting from the received power the noise power of the radio telescope in the same band, we obtain the power of the signal under study in the band Δf 1 . In this case, the influence of any narrow-band radio interference is excluded, regardless of their duration and type of modulation. Since Δf x << Δf for narrowband radio interference, the narrowing of the frequency band Δf 1 compared to the original band Δf is small and almost does not affect the sensitivity of the radiometer. The power of the noise of the radio telescope in the band Δf 1 can be measured similarly by the FFT method, but, in principle, you can apply any known method, since this does not affect the suppression of radio interference.
Предлагаемый способ можно реализовать как радиометрами модуляционного типа, к которым относится прототип, так и компенсационными радиометрами.The proposed method can be implemented as modulation type radiometers, which include the prototype, and compensation radiometers.
На фиг.1 и 2 показаны блок-схемы радиометров, реализующих заявляемый способ регистрации широкополосного радиосигнала. Первый радиометр (фиг.1) работает в модуляционном режиме, второй (фиг.2) - в компенсационном режиме.Figure 1 and 2 shows a block diagram of a radiometer that implements the inventive method of registering a broadband radio signal. The first radiometer (Fig. 1) operates in a modulation mode, the second (Fig. 2) - in a compensation mode.
На фиг.1 и 2 обозначено:In figures 1 and 2 are indicated:
1. - Широкополосный приемно-усилительный канал (ШПК).1. - Broadband receive-amplifier channel (ShPC).
2. - Высокоскоростной аналого-цифровой преобразователь напряжения (АЦП).2. - High-speed analog-to-digital voltage converter (ADC).
3. - Высокоскоростной вычислитель спектра мощности.3. - High speed power spectrum calculator.
4. - 1-й накопитель спектров.4. - 1st storage of spectra.
5. - Амплитудный селектор спектральных компонентов.5. - Amplitude selector of spectral components.
6. - Сумматор спектральных компонентов.6. - Adder of spectral components.
7. - Устройство регистрации (записи) сигналов.7. - Device for recording (recording) signals.
8. - Программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС).8. - Programmable logic integrated circuit (FPGA).
9. - Компьютер.9. - Computer.
10. - 2-й накопитель спектров.10. - 2nd spectral accumulator.
11. - Вычитающее устройство.11. - Subtracting device.
12. - Эквивалент шумов антенны.12. - Equivalent to antenna noise.
13. - Переключатель.13. - Switch.
В устройстве по схеме (фиг.1) ШПК 1, АЦП 2, вычислитель 3, накопитель 4, амплитудный селектор 5, сумматор 6 и регистрирующее устройство 7 соединены последовательно. АЦП 2 и вычислитель 3, вычисляющий реализации спектра по методу быстрого преобразования Фурье (БПФ), работают на частоте, которая должна в 2 раза превышать максимальную частоту широкополосного сигнала на выходе ШПК. Поэтому их быстродействие должно быть очень высоким. В настоящее время на рынке радиокомпонентов имеются АЦП, работающие на частотах до 2 ГГц и даже выше. На таких частотах могу работать и ПЛИС, приспособленные для вычисления спектра методом БПФ. Поэтому вычислитель 3 и накопитель вычисленных реализации спектра 4 можно выполнить на одной ПЛИС 8. Дальнейшая обработка усредненных спектров не требует очень больших скоростей, и, следовательно, функции селектора 5, сумматора 6 и регистрирующего устройства 7 может выполнить обычный компьютер 9.In the device according to the scheme (Fig. 1),
Устройство, собранное по схеме (фиг.2), отличается от рассмотренного устройства (фиг.1) тем, что содержит второй накопитель спектров 10, соединенный с вычислителем 3, разностное устройство 11, соединенное с выходами накопителей 4 и 10 и селектором 5, а также эквивалент шумов антенны 12, подключенный ко входу приемного канала 1 через переключатель 13, управляющий вход которого соединен с вычислителем 3. Структура современной ПЛИС 8 (например, ПЛИС типа XC4VLX25) дает возможность разместить в ней второй накопитель 10 и разностное устройство 11 вместе с вычислителем 3 и первым накопителем 4.The device assembled according to the scheme (Fig. 2) differs from the considered device (Fig. 1) in that it contains a second
Реализация обоих устройств не вызывает принципиальных трудностей, так как имеется необходимая элементная база. Широкополосные каналы 1 выполняются на высокочастотных микросхемах, используемых в радиоприемной технике. При регистрации сигналов в сравнительно неширокой полосе (до 32 МГц) можно использовать, например, АЦП AD9218 и ПЛИС XC4VLX25. При регистрации сигналов в широкой полосе (сотни мегагерц) можно применить, например, 10-разрядный АЦП AT84AS008, работающий в полосе частот до 2,2 ГГц. Амплитудный селектор 5 и сумматор 6, на которые усредненный спектр поступает с невысокой скоростью (обычно период накопления tнак составляет десятые доли-единицы секунд), можно выполнить даже на сравнительно низкочастотных микросхемах. Если в качестве регистрирующего устройства 7 используется компьютер, то функции амплитудного селектора 5 и сумматора 6 можно возложить на этот компьютер.The implementation of both devices does not cause fundamental difficulties, since there is the necessary elemental base.
В устройстве (фиг.1) принятый антенной широкополосный шумовой сигнал космического источника излучения в аддитивной смеси с собственным шумом радиотелескопа усиливается ШПК 1 и поступает на АЦП 2. Если имеются радиопомехи, то они также усиливаются в ШПК вместе с широкополосным сигналом. В ШПК обычно переносят полосу исследуемых радиочастот к более низким (промежуточным) частотам, поскольку АЦП во избежание потерь информации о сигнале должен работать на частоте, вдвое превышающей максимальную частоту fmax входного шумового сигнала. Но наличие или отсутствие преобразователя частоты в ШПК 1 в данном случае не имеет значения.In the device (Fig. 1), the broadband noise signal of a cosmic radiation source received by the antenna in an additive mixture with the intrinsic noise of the radio telescope is amplified by the
АЦП 2 преобразует шумовой сигнал на выходе ШПК 1 в последовательность цифровых выборок с достаточно высокой скоростью, при которой исключаются потери информации (частота считывания сигнала в 2 раза больше его максимальной частоты). Вычислитель спектра 3, выполненный на ПЛИС, в реальном времени (циклически) вычисляет реализации спектра мощности. Каждая реализация спектра мощности представлена в виде набора компонентов на дискретных частотах fi в пределах полосы пропускания ШПК, которые разнесены на заданный интервал Δf частотного разрешения.
Реализации спектра вычисляются следующим образом. С частотой 2fmax АЦП 2 считывает цифровые выборки сигнала, которые поступают на высокоскоростной вычислитель спектра 3, вычисляющий спектр мощности методом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Для этого последовательно набираются пакеты выборок сигнала объемом N=2fmax/Δf Каждый пакет выборок аналогового шумового сигнала на входе АЦП набирается за время t1=1/Δf; После набора каждого пакета выборок по нему вычисляется реализация спектра мощности шумового сигнала на входе АЦП. Время, затрачиваемое на вычисления реализации спектра, не превышает значения t1, т.е. за время набора очередного пакета выборок вычисляется реализация спектра мощности по предыдущему пакету выборок. Вычисление реализации спектра идет циклически с периодом t1. При этом сигнал на выходе ШПК считывается без перерывов и потерь времени приема исследуемого сигнала нет. Реализация такого быстродействия возможна при выполнении вычислителя спектра на ПЛИС.Spectrum realizations are calculated as follows. With a frequency of 2f max, the
Вычисленные реализации спектра поступают в накопитель спектров 4, который набирает реализации спектров на заданном временном интервале накопления (например, tнaк=1 с) и усредняет их по ансамблю. Каждая реализация спектра выражена N спектральными компонентами. Компонент спектра - это отсчет мощности сигнала на входе АЦП, которая определена в элементарной частотной полосе Δf около дискретной частоты fi, где i=1, 2,…, N. Среднеквадратическое отклонение (СКО) отсчетов мощностей шумового сигнала в одной реализации спектра достаточно большое, и каждая реализация спектра выглядит как сильно зашумленная дорожка (широкая «шумовая дорожка»). Поэтому слабая узкополосная помеха не просматривается на ее фоне.The calculated realizations of the spectrum enter the
СКО каждого компонента спектра, не содержащего помехи, определяется, в основном, сравнительно сильным собственным шумом радиотелескопа. Но далее реализации спектра в накопителе 4 усредняются в течение заданного интервала времени tнак. СКО каждого компонента в усредненном спектре уменьшается в корень из m раз, где m=tнак/t1 - число накопленных реализации спектра. При достаточно большом значении m усредненный спектр мощности широкополосного шумового сигнала с равномерным (или близким к равномерному) спектром выглядит как прямая линия с небольшими флюктуациями. Узкополосные помехи, если они попадали в полосу пропускания ШПК 1, на фоне усредненного спектра четко просматриваются в виде выбросов (пиков).The standard deviation of each component of the spectrum that does not contain interference is determined mainly by the comparatively strong intrinsic noise of the radio telescope. But then the implementation of the spectrum in the
Амплитудный селектор 5 запрещает прохождение и дальнейшую обработку тех компонентов усредненного спектра, которые превышают по амплитуде заданный порог. Порог в накопителе 5 устанавливается на уровне верхнего края (или немного выше) «шумовой дорожки» на линии усредненного спектра. После исключения частотных компонентов, содержащих узкополосные радиопомехи, оставшиеся компоненты усредненного спектра суммируются. В результате, полученный на выходе сумматора 6 код будет соответствовать суммарной мощности исследуемого широкополосного сигнала и собственных шумов радиотелескопа в полосе частот ΔF=(N-n)Δf, где n - число исключенных компонентов спектра, содержащих радиопомехи. Этот код регистрируется устройством записи 7 и используется при дальнейшем анализе известными в радиоастрономии методами.The
Чтобы определить мощность исследуемого радиосигнала, необходимо вычесть мощность собственного шума радиотелескопа. Для измерения последней отстраивают антенну радиотелескопа от источника космического радиоизлучения и вычисляют мощность описанным способом. Мощность, полученная в результате сравнения двух измеренных мощностей, несет информацию только об исследуемом широкополосном радиоизлучении и не зависит от узкополосных радиопомех.To determine the power of the studied radio signal, it is necessary to subtract the power of the noise of the radio telescope. To measure the latter, the antenna of the radio telescope is tuned from the source of cosmic radio emission and the power is calculated in the manner described. The power obtained by comparing the two measured powers carries information only about the studied broadband radio emission and does not depend on narrow-band interference.
Как и во всяком радиометре компенсационного типа, в рассмотренном устройстве (фиг.1) на точность измерений влияют изменения коэффициента усиления и уровня собственного шума ШПК 1 в процессе проводимых наблюдений. Указанный недостаток устраняется при использовании устройства модуляционного типа (фиг.2). В этом устройстве ШПК 1 периодически (с относительно низкой частотой порядка 1 кГц) подключается то к антенне, то к эквиваленту шумов 12, причем эти переключения синхронизированы с циклами вычисления реализаций спектров. При подключении антенны устройство (фиг.2) работает так же, как устройство (фиг.1), и накопитель 4 усредняет реализации спектра шумового сигнала, содержащего шумы радиотелескопа, исследуемый сигнал и помехи. При подключении эквивалента шумов антенны устройство работает аналогично, но реализации спектра, полученные с вычислителя 3, усредняет второй накопитель 10. Этот усредненный спектр отображает только собственные шумы радиотелескопа (без исследуемого сигнала и радиопомех). После вычитания спектров устройством 11 остается спектр исследуемого широкополосного сигнала и узкополосных радиопомех. После селекции компонентов спектра, относящимся к радиопомехам, остается только спектр исследуемого сигнала. Далее энергетические параметры широкополосного сигнала вычисляются традиционным способом.As in any compensation type radiometer, in the considered device (Fig. 1), the accuracy of measurements is affected by changes in the gain and intrinsic noise level of
Использование патентуемого способа дает возможность исключить влияние на радиометр, работающий в широкой полосе частот, узкополосных радиопомех, в том числе сравнительно слабых радиопомех, уровень которых ниже уровня собственного шума радиотелескопа. За счет этого исключаются потери реальной чувствительности радиометра и точности измерений, связанные с радиопомехами. При этом не имеют значения и изменения мощности при модуляции радиопомехи или при движении источника помехи.Using the patented method makes it possible to exclude the influence on the radiometer operating in a wide frequency band of narrow-band radio interference, including relatively weak radio interference, the level of which is lower than the level of the noise of the radio telescope. This eliminates the loss of real sensitivity of the radiometer and measurement accuracy associated with radio interference. In this case, the power changes during the modulation of the radio noise or during the movement of the interference source do not matter either.
Преимущества патентуемого способа можно проиллюстрировать на примере радиометра модуляционного типа с полосой пропускания ΔF и временем накопления tнак=1 с. При ΔF=900 МГц и отсутствии радиопомех радиометр способен регистрировать широкополосное космическое радиоизлучение с шумовой температурой Ts min≈9·10-5Tc, где Tc - температура собственных шумов радиотелескопа (шумы антенны и ШПК, пересчитанные по входу радиометра). При тех же условиях радиометр с полосой ΔF=32 МГц регистрирует сигналы с шумовой температурой Ts min≈5·10-4Tc. Если на радиометр воздействуют слабые узкополосные помехи, которые занимают, например, 10% полосы пропускания и в среднем на 10 дБ ниже уровня собственного шума радиотелескопа, то в известном радиометре такие помехи вносят погрешность измерений, равную 10-2Тc. Вносимая радиопомехами ошибка в 111 раз превышает уровень потенциальной (без радиопомех) чувствительности Ts min для радиометра с полосой 500 МГц и в 20 раз для радиометра с полосой 32 МГц. Во столько же раз ухудшается реальная чувствительность радиометра и точность измерения шумовой температуры исследуемого сигнала. Поскольку мощности радиопомех обычно изменяются во времени и их уровень априори не известен, их невозможно учесть в известном радиометре. При этом даже увеличение времени накопления не дает никакого улучшения реальной чувствительности и точности.The advantages of the patented method can be illustrated by the example of a modulation type radiometer with a passband ΔF and an accumulation time t nak = 1 s. At ΔF = 900 MHz and in the absence of radio noise, the radiometer is capable of detecting broadband cosmic radio emission with a noise temperature T s min ≈ 9 · 10 -5 T c , where T c is the temperature of the noise of the radio telescope (antenna and BPC noise counted at the input of the radiometer). Under the same conditions, a radiometer with a band ΔF = 32 MHz registers signals with a noise temperature T s min ≈5 · 10 -4 T c . If the radiometer is affected by weak narrow-band interference, which occupy, for example, 10% of the passband and on average 10 dB lower than the level of the noise of the radio telescope, then in the known radiometer such interference introduces a measurement error of 10 -2 T c . The error introduced by radio interference is 111 times higher than the potential (without radio interference) sensitivity T s min for a radiometer with a band of 500 MHz and 20 times for a radiometer with a band of 32 MHz. The real sensitivity of the radiometer and the accuracy of measuring the noise temperature of the signal under investigation deteriorate by the same amount. Since the radio interference power usually varies over time and their level is not known a priori, they cannot be taken into account in a known radiometer. Moreover, even an increase in accumulation time does not give any improvement in real sensitivity and accuracy.
Патентуемый способ в рассматриваемой ситуации дает совершенно иные результаты. Если, например, вычислитель 3 дает спектр, состоящий из 2048 компонентов (дискретных частот), что нетрудно реализовать на ПЛИС, то в радиометре с полосой 100-1000 МГц (ΔF=900 МГц) одна реализация спектра будет получена за время t1=1/(ΔF/N)≈2,28 мкс. При накоплении на интервале 1 с усредняются m=438000 реализаций спектра, что повысит отношение мощностей спектральных компонентов радиопомех к остаточным флюктуациям усредненного спектра в m0.5=660 раз (на 24,3 дБ). Средний уровень этих компонентов более чем на 14 дБ превысит остаточную шумовую дорожку на линии спектра, что вполне обеспечивает их селекцию по амплитудному принципу. При этом исключаются все названные выше негативные эффекты от воздействия радиопомех. При исключении спектральных компонентов на частотах радиопомех на 10% сужается частотная полоса анализа, что приводит к снижению чувствительности радиометра (увеличению Ts min) всего на 5%. Эти потери ничтожны по сравнению с потерями реальной чувствительности известных радиометров даже при слабых радиопомехах (до 111 раз в рассматриваемом случае). В радиометре относительно неширокой полосой (ΔF=32 МГц) при том же числе компонентов спектра (2048) из-за уменьшения интервала частотного разрешения Δf время вычислений увеличивается до 64 мкс и в течение 1 с будут усреднены 15622 реализации спектра. Это улучшит отношение мощностей флюктуациям спектра в 124 раза (на 21 дБ). Этого достаточно, чтобы селектировать помехи по амплитудам спектральных компонентов. При необходимости можно увеличить время накопления, например, до 4-5 с, чтобы достичь такого же увеличения отношения помеха/шум, как и в радиометре с полосами 500-900 МГц.The patented method in the situation under consideration gives completely different results. If, for example,
В настоящее время разработаны схема и конструкция радиометров с полосами 32 МГц и 500 МГц. Был изготовлен макет радиометра с полосой 32 МГц, испытания которого подтвердили работоспособность в условиях воздействия узкополосных радиопомех (как относительно слабых, так и достаточно сильных). Достигнутый в экспериментах положительный эффект практически совпадает с расчетным показателем. Начато изготовление опытного образца радиометра с полосой 500 МГц, реализующего заявляемый радиометрический способ регистрации сигналов.At present, the design and construction of radiometers with 32 MHz and 500 MHz bands have been developed. A prototype of a radiometer with a band of 32 MHz was made, tests of which confirmed its operability under the influence of narrow-band interference (both relatively weak and reasonably strong). The positive effect achieved in the experiments almost coincides with the calculated indicator. The production of a prototype radiometer with a band of 500 MHz, which implements the inventive radiometric method for recording signals, has begun.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008108318/09A RU2431852C2 (en) | 2008-03-03 | 2008-03-03 | Radiometric registration of weak broadband radio signal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008108318/09A RU2431852C2 (en) | 2008-03-03 | 2008-03-03 | Radiometric registration of weak broadband radio signal |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008108318A RU2008108318A (en) | 2009-09-10 |
| RU2431852C2 true RU2431852C2 (en) | 2011-10-20 |
Family
ID=41166103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008108318/09A RU2431852C2 (en) | 2008-03-03 | 2008-03-03 | Radiometric registration of weak broadband radio signal |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2431852C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516763C1 (en) * | 2012-10-15 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова" | Method of expanding signal spectrum estimation bandwidth |
| CN108234753A (en) * | 2017-12-20 | 2018-06-29 | 中国科学院新疆天文台 | A APP softwares that can be eliminated mobile phone signal and radio telescope signals are interfered |
| RU2806802C1 (en) * | 2022-12-28 | 2023-11-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук" | Method for expanding dynamic range of receiver |
-
2008
- 2008-03-03 RU RU2008108318/09A patent/RU2431852C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ИПАТОВ А.В. и др. Радиометрическая система радиотелескопа РТФ-32. Приборы и техника эксперимента. 2005, №4, с.66-75. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516763C1 (en) * | 2012-10-15 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный университет им. П.Г. Демидова" | Method of expanding signal spectrum estimation bandwidth |
| CN108234753A (en) * | 2017-12-20 | 2018-06-29 | 中国科学院新疆天文台 | A APP softwares that can be eliminated mobile phone signal and radio telescope signals are interfered |
| CN108234753B (en) * | 2017-12-20 | 2020-06-16 | 中国科学院新疆天文台 | Method for eliminating signal interference of mobile phone signal to radio telescope |
| RU2806802C1 (en) * | 2022-12-28 | 2023-11-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук" | Method for expanding dynamic range of receiver |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008108318A (en) | 2009-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107395227B (en) | Microwave radiation source signal power measurement method and device under non-stationary broadband interference | |
| CN105490760B (en) | Variable frequency sensor and system for providing at least radio frequency signal parameters | |
| CN102868402A (en) | Test method for testing main performance indices of analog-to-digital converter (ADC) | |
| Mor et al. | Estimation of charge, energy and polarity of noisy partial discharge pulses | |
| CN104777375A (en) | Cross-correlation phase noise detecting device | |
| Feldhaus et al. | A 1 MHz to 50 GHz direct down-conversion phase noise analyzer with cross-correlation | |
| CN203798907U (en) | Multi-channel broadband microwave radiometer with self-calibration function | |
| RU2431852C2 (en) | Radiometric registration of weak broadband radio signal | |
| KR20120132598A (en) | Device and method about PD signal measurement | |
| Adami et al. | HPM detector system with frequency identification | |
| CN114994418A (en) | Time domain measurement method for field intensity of repetition frequency change or frequency hopping pulse signal radiation field | |
| RU2460081C2 (en) | Multichannel null radiometer | |
| Ubaichin et al. | Dynamics of internal thermal processes in dielectric materials and the method of its measurement in microwave hyperspectral mode | |
| CN102868403A (en) | Testing system for testing main performance indexes of analog-to-digital converter | |
| RU2316775C1 (en) | Method for measuring energy spectrum of narrowband space radio-frequency radiation | |
| RU64386U1 (en) | SYSTEM ANALYSIS OF SPECTRA OF NARROWBAND SPACE RADIO EMISSIONS | |
| JP6727600B1 (en) | Broadband digital microwave radiometer | |
| RU101842U1 (en) | BROADBAND RADIOMETER WITH RADIO INTERFERENCE SELECTION | |
| Nosov et al. | A multifunctional digital converter for radio-astronomy signals with a bandwidth of up to 512 MHz | |
| Qiao et al. | Comparison of the traditional ionosonde and the digital ionosonde based on direct digitization | |
| Braun et al. | Requirements and solutions for emission measurements in time-domain according to international EMC standards | |
| Grenkov et al. | A digital signal converter for radio astronomical systems | |
| Jakubowski | A study on the calibration of an HPM meter based on a D-dot sensor and logarithmic RF power detector | |
| Schaefer | Understanding impulse bandwidth specifications of EMI receivers | |
| RU196816U1 (en) | SPACE RADIO SYSTEM FOR REGISTRATION OF SPACE RADIO EMISSIONS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| RH4A | Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation |
Effective date: 20121224 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140304 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150510 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170304 |