Обработка сигналов в радиоастрономии

Обработка сигналов является важнейшим этапом в наблюдениях с использованием радиотелескопов. Этот процесс определяет оборудование, используемое после установки, и, следовательно, влияет на стоимость проекта. Некоторые радиотелескопы оснащены несколькими параллельными линиями обработки для работы с более сложными приложениями.

Зачем обрабатывать сигнал?

Обработка сигнала на выходе из приемника необходима, поскольку электроника сбора данных слишком медлительна для анализа сигналов с частотой в гигагерцах напрямую. Карты, используемые для сбора данных, представляют собой аналого-цифровые преобразователи, подключенные к компьютеру или серверу через порт PCI Express, который выполняет быстрое преобразование Фурье (FFT). Некоторые радиотелескопы применяют FPGA (программируемые вентильные матрицы), которые представляют собой интегрированные аналого-цифровые преобразователи на программируемых электронных платах. Они выполняют FFT для получения спектра и отправляют данные на сервер. Существуют карты, способные обрабатывать сигналы с очень высокой частотой, но их стоимость зачастую чрезмерна. Например, стоимость одной такой микросхемы AD9208BBPZ-3000 составляет 1340 евро. Поэтому более целесообразно обрабатывать сигнал и затем анализировать его, переводя на более низкую частоту. Это также облегчает транспортировку сигнала, так как передача высокочастотных сигналов по кабелю сложнее, а использование усилителей может ухудшить качество сигнала.

Для решения этих проблем спектр сигнала необходимо преобразовать на более низкую частоту.

Как преобразовать спектр сигнала на другую частоту?

Сначала нужно определить частоту, на которую будет преобразован сигнал. Доступные карты сбора данных для любителей обычно работают на частотах около 150 МГц и называются DAQ (карты сбора данных). Если необходимо наблюдать сигнал на частоте около 1240 МГц, потребуется преобразовать спектр на 70 МГц. Для этого используется микшер:

Микшер от компании Mini-circuits принимает на вход сигнал, который нужно преобразовать, и опорный сигнал. Он обозначается кругом с перекрестьем в центре.

Опорный сигнал генерируется локальным осциллятором, о котором будет рассказано ниже.

Смешивание сигналов создает два сигнала:

• Sa: сигнал с антенны,
• Sr: опорный сигнал,
• Sm: сигнал микшера.

Формулы выглядят следующим образом:

• Sm = (Sa + Sr)
• Sm = (Sa – Sr)

Таким образом, получается сигнал с более низкой частотой и другой с более высокой.

Карты сбора данных

Карты PCI Express:

Карты сбора данных PCI Express представляют собой аналого-цифровые преобразователи (ADC), работающие на высокоскоростной шине. Поскольку они напрямую подключены к серверу, инфраструктура становится более простой. Сервер запускает программу сбора данных, которая управляет картами и получает сигнал, после чего выполняет FFT с помощью графического процессора.

FPGA:

FPGA — это программируемые карты, оснащенные процессорами. Модели таких карт были разработаны для крупных радиотелескопов, таких как Нанси. Они включают ADC и могут выполнять вычисления, включая FFT. После завершения FFT результаты отправляются на центральный сервер для объединения данных.

RTLSDR ключи:

Ключи RTLSDR очень просты в использовании. Они совместимы с множеством платформ (Linux, Windows и даже Android). В Интернете доступно много ресурсов, программ и библиотек для их использования. Их стоимость составляет всего несколько десятков евро, хотя более продвинутые модели могут стоить около 200 евро.

Фильтры

При работе с радиосигналами необходимы фильтры. В линии обработки используется несколько фильтров. На выходе антенны фильтруется сигнал, чтобы оставить только ту полосу частот, которую мы хотим наблюдать. После преобразования сигнала он снова фильтруется, чтобы удалить второй сигнал, созданный в процессе.

Полная линия обработки

Вот схема полной линии обработки:

Треугольники представляют собой усилители.

Круг с волной в центре обозначает локальный осциллятор.

Центральный квадрат получает опорный сигнал и отправляет его на микшеры, но один из выходов имеет сдвиг на 90°. Таким образом, два ADC одновременно считывают сигнал, и эти данные конкатенируются, создавая квадратный сигнал или IQ сигнал.

Другие квадраты представляют собой фильтры, которые исключают частоты, которые мы не хотим наблюдать, чтобы избежать помех.

Теперь мы можем перейти к следующему этапу — обработке данных.