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.

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.

Модуль цифрового выделения узкополосных сигналов

Модуль цифрового выделения узкополосных сигналов

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», — отмечает 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».