Обробка сигналів у радіоастрономії

Обробка сигналів є ключовим етапом у спостереженнях за допомогою радіотелескопів. Вона визначає апаратуру, яка використовується на етапі після установки, що, у свою чергу, впливає на вартість проекту. Деякі радіотелескопи обладнані кількома паралельними лініями обробки, які дозволяють працювати з більш складними застосуваннями.

Чому важливо обробляти сигнал?

Обробка сигналу, отриманого з приймача, є необхідною, оскільки електроніка збору даних часто не здатна аналізувати сигнали з частотою в ГГц безпосередньо. Плата збору даних є аналогово-цифровим перетворювачем, який з'єднується з комп'ютером або сервером через порт PCI Express, що виконує швидке перетворення Фур'є (FFT). Деякі радіотелескопи використовують FPGA (програмовані логічні інтегральні схеми), які є вбудованими аналогово-цифровими перетворювачами на програмованих електронних платах. Вони виконують FFT для отримання спектра та надсилають дані на сервер. Хоча існують плати, здатні обробляти сигнали з дуже високими частотами, їх вартість є надто високою. Наприклад, чіп AD9208BBPZ-3000 коштує 1340 євро лише за одиницю. Тому більш вигідно обробляти сигнал і аналізувати його, трансформуючи на нижчу частоту. Це також має переваги в транспортуванні сигналу, оскільки передача сигналів високих частот через кабелі є складнішою, а використання підсилювачів може погіршити якість сигналу.

Для вирішення цих проблем ми можемо трансформувати спектр сигналу на нижчу частоту.

Як трансформувати спектр сигналу на іншу частоту?

Спочатку потрібно визначити, на яку частоту буде трансформовано сигнал. Доступні плати збору даних, які підходять навіть для аматорів, мають частоту близько 150 МГц, також відомі як DAQ (Data Acquisition Card). Якщо ми хочемо спостерігати сигнал на частоті приблизно 1240 МГц, нам потрібно буде трансформувати спектр сигналу на 70 МГц. Для цього використовується мікшер:

Цей мікшер від компанії Mini Circuit приймає на вхід сигнал, що підлягає трансформації, і сигнал посилання. Він зображується у вигляді кола з хрестом у центрі.

Сигнал посилання генерується локальним осцилятором, про який буде сказано далі.

Змішування сигналів створює два нові сигнали:

• Sa: сигнал з антени,
• Sr: сигнал посилання,
• Sm: сигнал мікшера.

Формули виглядають так:

• Sm = (Sa + Sr)
• Sm = (Sa – Sr)

Таким чином, утворюється сигнал з нижчою частотою та інший з вищою частотою.

Плати збору даних

Плати PCI Express:

Ці плати збору даних у форматі PCI Express фактично є АЦП на високошвидкісній шині. Оскільки вони безпосередньо підключені до сервера, інфраструктура, що з цього випливає, є більш простою. Сервер запускає свою програму збору даних, яка керує платами, отримує сигнал, а потім виконує FFT за допомогою графічної карти.

FPGA:

FPGA — це програмовані плати, оснащені процесорами. Моделі були розроблені для великих радіотелескопів, наприклад, у Нансеї. Вони містять АЦП і завдяки своїм процесорам можуть виконувати обчислення, такі як FFT. Після завершення FFT вони можуть надсилати свої результати на центральний сервер, який об'єднує дані.

RTLSDR ключі:

RTLSDR ключі дуже прості у використанні. Вони сумісні з багатьма платформами (Linux, Windows і навіть Android). В Інтернеті є багато ресурсів, програм і бібліотек для їх використання. Вартість таких ключів складає всього кілька десятків євро. Деякі моделі є більш розвиненими та коштують трохи дорожче — близько 200 євро.

Фільтри

У радіообробці фільтри є невід'ємною частиною. Лінія обробки містить кілька фільтрів. На виході з антени фільтруємо, щоб отримати лише ту смугу частот, яку ми хочемо спостерігати. Після трансформації сигналу його знову фільтруємо, щоб усунути другий сигнал, створений цією операцією.

Повна лінія обробки

Ось схема повної лінії обробки.

Трикутники представляють підсилювачі, а коло з хвилею в центрі — локальний осцилятор.

Центральний квадрат отримує сигнал посилання і надсилає його до мікшерів. Але один з виходів затримується на 90 градусів. Таким чином, два АЦП одночасно отримують сигнал, дані з яких конкатенуються, формуючи квадратичний сигнал або IQ сигнал.

Інші квадрати — це фільтри, які виключають частоти, які ми не хочемо спостерігати, щоб уникнути завад.

Далі переходимо до етапу обробки даних.