CC BY
36
УДК 520.272.5: 621.396.62: 004.72
СИ. Иванов, А.В. Ипатов, С.К. Круглов, А.П. Лавров, В.В. Мардышкин, А.Г. Михайлов
выходной модуль радиометра с дистанционным
доступом для радиотелескопа рт-32
В 50-60-е гг. в Главной (Пулковской) обсерватории АН СССР под руководством С.Э. Хайкина сформировалась одна из ведущих отечественных радиоастрономических школ. Неля Александровна Есепкина, постоянно работая в Политехническом институте, развивала связи с Академией наук, активнейшим образом участвуя во всех работах по тематике антенн переменного профиля -вначале Большого Пулковского радиотелескопа, а затем и радиотелескопа РАТАН-600 в Специальной астрофизической обсерватории АН. Достижения Пулковской школы радиоастрономии отражены в фундаментальной монографии [1].
Н.А. Есепкину отличало острое чувство нового, умение находить точки соприкосновения и объединять интересы людей из разных организаций, разных областей профессиональных интересов. Эту сторону ее способностей характеризует и одна из разработок в области радиоастрономического приборостроения - создание узлов радиометра, выполненная благодаря организованному Нелей Александровной взаимодействию сотрудников лаборатории РПУ ИПА РАН, факультета технической кибернетики и радиофизического факультета СПбГПУ.
Н.А. Есепкина первой обратила наше внимание на перспективность применения цифровых сигнальных процессоров (ЦСП) в выходных узлах радиометров и волоконно-оптических линий связи и всячески поддерживала исследования в этих направлениях. Актуальность применения волоконно-оптических линий определяется тем, что на больших полноповоротных радиотелескопах регистрирующая аппаратура обычно размещается вне антенны, что требует наличия длинной линии передачи между приемным и выходным устройствами. Такая линия вносит заметные потери и является причиной появления различных помех и паразитных сигналов в регистрируемых данных.
Нелей Александровной была высказана идея создания цифрового выходного устройства радиометра, размещаемого на антенне в непосред-
ственной близости от приемных устройств, способного передавать информацию по цифровым линиям связи, защищенным от влияния помех. В данной статье приведены результаты разработки такого выходного устройства для радиометра радиотелескопа РТ-32 комплекса «Квазар-КВО».
В состав современных радиотелескопов, как правило, входит комплекс сложного радиоэлектронного оборудования для радиометрии -радиометры, предназначенные для измерения и регистрации энергетических характеристик радиоизлучения исследуемых космических источников [1, 2]. В радиометрах нового поколения для радиотелескопов РТ-32 используются цифровые выходные модули, осуществляющие более сложную и гибкую цифровую последетекторную обработку сигналов [3].
Нами разработан цифровой выходной модуль радиометра (ВМР), имеющий расширенные функции, включающие алгоритмы демодуляции (синхронного детектирования) и накопления (интегрирования) сигнала; фильтрацию помех и переходных процессов в тракте радиометра; коррекцию нелинейности, температурной и временной нестабильности узлов приемника; регистрацию, визуализацию и определение параметров сигнала в режиме реального времени. Важным преимуществом нового цифрового выходного модуля радиометра является возможность его использования в режиме удаленного доступа данных, когда цифровой модуль расположен в надзеркальной кабине радиотелескопа РТ-32, а передача данных и управление режимом работы радиометра осуществляется по цифровому каналу, например, по волоконно-оптической линии связи. Тем самым исключается трудно устранимое влияние аналоговых каналов связи отдельных узлов приемной аппаратуры, пространственно разнесенных на большие расстояния (до 200 м) [4].
Аппаратная часть ВМР. Структурная схема аппаратной части представлена на рис. 1.
Сетевой контроллер IIM7010A
С
Схема управления
сетевого контроллера
vW
ППЗУ
1Z БПДП
Я!
Таймер
цеп
ADSP -2181
I Общая I ,„„„„
ОЗУ
I илппа
I____________l_i
___________________________________________1
Локальная сеть Ethernet
Конвертер F1-OEC32M12
Q.
Конвертер F1-OEC32M12
к ПК
воле
Рис. 1. Структурная схема системы сбора и обработки данных
Для реализации рабочего прототипа ВМР был выбран цифровой сигнальный процессор типа ADSP-2181, который обладает высоким быстродействием (33 Моп/с), большим внутренним ОЗУ (80 Кбайт), встроенным таймером, оптимизированной системой команд для цифровой обработки сигналов и позволяет разрабатывать программное обеспечение как на Ассемблере, так и на языке высокого уровня - Си. Быстродействие ЦСП дает возможность формировать управляющие сигналы и обработку поступающих данных в масштабе реального времени. Для хранения исполняемых программ ВМР было использовано перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ), что обеспечивает старт системы сразу после ее включения. В ППЗУ может храниться как начальный загрузчик программного обеспечения (ПО) из центрального компьютера, так и один из вари-
антов исполняемого ПО ВМР. ППЗУ подключено к ЦСП через быстродействующий байтовый порт прямого доступа к памяти (БПДП).
Схема управления и приема данных с АЦП выполнена нами на базе ПЛИС фирмы ALTERA EPM7128S, в которую входит регистр управления, дешифратор команд и регистр данных (см. рис. 1). Возможности используемой ПЛИС помогли на ее основе выполнить схему синхронизации работы ВМР и СВЧ приемника (дешифратор команд, регистр состояний) и схему управления сетевым контроллером. Применение ПЛИС в составе ВМР позволяет гибко изменять уровень аппаратно-программного взаимодействия в ВМР, переносить часть операций, выполняемых программно, из ЦСП в ПЛИС и выполнять эти операции уже аппаратно с более высоким быстродействием. Освободившиеся от выполнения
рутинных операций ресурсы ЦСП используются для реализации более сложных алгоритмов обработки сигнала в реальном времени.
Необходимость дистанционного обмена данными с ВМР (на расстояниях более 100 м) потребовала разработки специального канала связи между центральным компьютером радиотелескопа (ЦКР) и ВМР. За основу аппаратной реализации канала связи была выбрана специализированная микросхема W3100A компании WIZnet, в которой аппаратно реализованы как стек сетевых протоколов TCP/IP, так и протокол канального уровня Ethernet. Это помогло разработать и реализовать связь ВМР с центральным компьютером по локальной сети Ethernet 10/100BaseT. Для увеличения расстояния от центрального компьютера радиотелескопа до ВМР в состав системы были включены конверторы F1-OEC32M12, обеспечивающие передачу данных по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), что позволило увеличить расстояние между ЦКР и ВМР до 2000 м. На первом этапе разработки также тестировалась передача данных по линии связи с технологией VDSL с использованием конверторов VDSL/Ethernet.
ВМР представляет собой программно-аппаратный комплекс, в котором многие функции управления реализованы программно, что дает возможность оперативно изменять режим работы ВМР без изменения в его аппаратной части. Поэтому программное обеспечение ВМР должно удовлетворять следующим основным условиям: иметь открытую структуру; работать в режиме реального времени; формировать управляющие сигналы в соответствии с временными диаграммами работы ВМР в составе модуляционного радиометра; осуществлять предварительную обработку принимаемых данных (накопление, синхронное детектирование, фильтрацию помех и др.); выполнять дистанционное управление режимами работы ВМР; иметь удобную систему регистрации данных, поддерживающую различные форматы данных как при тестировании работы ВМР, так и в процессе наблюдений; реализовывать временную интерактивную развертку наблюдений и непрерывное отображение в режиме реального времени результатов наблюдений.
Программное обеспечение (ПО). ПО для ВМР написано как сетевое приложение и является двухуровневым: нижний уровень - ПО для
ЦСП выполняет функции сервера; верхний уровень - ПО для персонального компьютера, которое работает как клиент. Структура ПО для ВМР представлена на рис. 2. ВМР может работать как автономно, под управлением собственного компьютера, так и под управлением центрального компьютера с программным обеспечением MarkIV Field System в составе штатного оборудования приемного комплекса радиотелескопа РТ-32.
Программное обеспечение верхнего уровня реализовано в двух вариантах. Первый вариант (Клиент А) предназначен для автономной работы ВМР и решает следующие задачи: реализует временную интерактивную развертку наблюдений; обеспечивает интерфейс с оператором (наблюдателем) за счет использования начального диалога, «горячих» клавиш, отображения информации о принимаемом сигнале и этапах наблюдения; осуществляет загрузку ПО нижнего уровня в цифровой сигнальный процессор по сети Ethernet, отслеживает состояние ВМР и прием информации с него; осуществляет непрерывное отображение в реальном времени принятого и обработанного сигнала; проводит регистрацию данных в файл для последующей обработки. ПО «клиента A» представляет собой многооконное, многопоточное приложение, которое обеспечивает прием данных от ВМР и передачу команд управления на сервер. ПО написано на языке Visual C++.
Второй вариант ПО верхнего уровня (Клиент B) представляет собой программный модуль, интегрированный в общую структуру ПО ЦКР комплекса «Квазар-КВО» [5]. Модуль обеспечивает использование данных ВМР штатными программными средствами ЦКР, предназначенными для проведения радиометрических наблюдений, работ по измерению параметров радиотелескопа и радиоастрономической юстировки антенной системы. Данные ВМР графически отображаются в реальном времени и регистрируются вместе с данными о положении антенны в файле стандартного формата для последующей обработки. ПО ЦКР работает под управлением операционной системы Linux.
Программное обеспечение нижнего уровня выполняет следующие функции: накопление (суммирование) принимаемых данных; синхронную демодуляцию сигнала; синхронизацию рабо-
ВЕРХНИМ УРОВЕНЬ
Клиент В
ВЕРХНИМ УРОВЕНЬ
Клиент А
Графический интерфейс пользователя
Диалог
Контроль параметров модуля
Регистрация данных
Ввод параметров модуля
Отображение данных
Обслуживание сети Ethernet
НИЖНИИ УРОВЕНЬ
Накопление данных
Синхронное детектирование
Тестирование подсистем ввода
Управление буферами обмена
Синхронизация работы подсистем модуля
Инициализация контроллера сети Ethernet
Генерация управляющих сигналов АЦП
Предварительная обработка полученных отсчетов
Прием/ Передача данных в ПК
Рис. 2. Структура прогр
ты АЦП и ЦСП (генерация сигналов пуска АЦП, считывание оцифрованного результата из выходного регистра АЦП и т. д.); нормировку данных при передаче их в ЦКР; синхронизацию работы ВМР с сигналами внешней модуляции ^м).
ПО нижнего уровня имеет два модуля. Первый модуль ПО, обеспечивающий формирование управляющих сигналов и первичную обработку данных, написан языке Ассемблера ADSP2181. Второй модуль ПО, обеспечивающий прием и передачу данных с ВМР на персональный компьютер через сетевой контроллер IIM7010A, написан на языке Си. Оба модуля ПО выполняются параллельно в двухпоточном режиме. Переключение между потоками происходит с использованием внутреннего таймера ЦСП и определяется временем опроса АЦП. Формат передаваемых данных задается режимом работы ВМР и представляет последовательность из 13 байт, которые включают в себя: заголовок, текущее время, данные. Данные поступают с периодом, определяемым постоянной времени накопления ВМР, которая может изменяться в пределах от 0,1 с до 10 мин.
ПО нижнего уровня может быть встроенным (записанным в ППЗУ) или загружаться в процес-
много обеспечения ВМР
се работы системы [6]. В разработанной системе используются обе эти возможности.
Экспериментальные исследования. Возрастающие требования к точности радиометрических измерений делают необходимой разработку принципиально новых широкополосных СВЧ детекторов мощности с улучшенной тангенциальной чувствительностью и расширенным диапазоном квадратичного детектирования. В разработанном цифровом радиометрическом модуле детектор мощности (квадратичный детектор) выполнен на современном СВЧ транзисторе, одновременно исполняющем роль и нелинейного элемента, и усилителя НЧ колебаний [7]. В детекторе для стабилизации рабочей точки активного элемента использовалась глубокая отрицательная обратная связь, а также источник опорного напряжения в качестве источника питания малошумящего операционного усилителя. Проведена оптимизация характеристик детектора как аналитическими методами, так и схемотехническим моделированием в пакете Microwave Office.
На рис. 3 приведен график отклонения передаточной характеристики разработанного транзисторного СВЧ детектора от линейного закона
w
st
tS
о о
X «
(U
X s
Ц
(U
к
0,5 0,25
0,0
-0,25 -0,5
г- Уровень собствен! юго
шума
-70 -60 -50 -40 -30 -20 Мощность вх. сигнала, дБм
Рис. 3. Отклонение от квадратичной передаточной характеристики детектора
детектирования мощности входного модулированного СВЧ сигнала. Видно, что детектор обладает тангенциальной чувствительностью около -65 дБм и диапазоном квадратичного детектирования (по уровню компрессии 1 дБ) более 40 дБ, что существенно превышает аналогичные параметры диодных детекторов СВЧ мощности, например, детектор 8471D фирмы «Agilent Technologies» имеет -50 дБм и 30 дБ, соответственно.
С целью проверки работоспособности ВМР и определения его предельных параметров было проведено тестирование разработанной системы, в т. ч. и в составе штатной аппаратуры приемного комплекса РТ-32 в обсерватории «Светлое» РСДБ комплекса «Квазар-КВО». Тестирование показало, что по основным характеристикам и параметрам (таким, как минимальная и максимальная частота модуляции и дискретизации сигнала, общее время наблюдения, динамический диапазон квадратичного детектирования) разработанный ВМР удовлетворяет требованиям, предъявляемым к подобным устройствам в составе прием-
ных комплексов современных радиотелескопов в радиометрическом режиме работы.
В качестве примера на рис. 4 приведены результаты наблюдения источника DR21 на радиотелескопе РТ-32 в обсерватории «Светлое» с использованием разработанного цифрового выходного модуля радиометра.
Результаты измерений характеристик разработанного макета цифрового ВМР показали перспективность использования выбранной элементной базы (цифровых сигнальных процессоров и ПЛИС) для создания цифровых систем сбора и обработки данных для радиоастрономических приемных комплексов. Предложенная и реализованная структура ВМР позволяет гибко изменять алгоритмы обработки сигналов, проводить первичную обработку данных в масштабе реального времени и обеспечивает дистанционное управление, в т. ч. через глобальную сеть Интернет.
Результаты экспериментальных исследований по дистанционному обмену данными по ВОЛС
Рис. 4. Регистрация источника на РТ-32 с применением ЦВУ
были использованы при разработке перспективной цифровой системы преобразования сигналов для радиоинтерферометрических наблюдений [8].
Авторы с большим уважением относятся к памяти Н.А. Есепкиной - крупного специалиста
в области радиоастрономии, доброжелательного и богатого на идеи человека. Мы - ее коллеги и ученики - благодарны ей за очень продуктивное совместное сотрудничество, ценим и помним ее вклад в наши результаты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Есепкина, Н.А. Радиотелескопы и радиометры [Текст]/Н.А. Есепкина, Д.В. Корольков, Ю.Н. Парий-ский. -М.: Наука, 1973.-416 с.
2. Ипатов, А.В. Радиометры [Текст]/А.В. Ипатов, Н.Е. Кольцов. -СПб.: Изд-во СПбГЭТУ, 2007.-92 с.
3. Ильин, Г.Н. Четырехканальный цифровой радиометрический модуль ЦРМ-1: отчет [Текст]/ Г.Н. Ильин, А.Г. Михайлов, А.С. Лавров. -СПб.: ИПА РАН, 2007.-14 с.
4. Иванов, С.И. Цифровая система сбора и обработки данных с дистанционным управлением для радиометрического режима работы радиотелескопа [Текст]/С.И. Иванов, С.К. Круглов, А.В. Митрофанов// Вычислительные, измерительные и управляющие системы: Субъект. науч. тр.-СПб.: Изд-во Политехн. унта, 2006.-С. 54-59.
5. Михайлов, А.Г. Программное обеспечение цен-
трального управляющего компьютера наблюдательного пункта РСДБ-сети КВАЗАР [Текст]/А.Г. Михайлов// Тр. ИПА РАН.-2005.-Вып. 12.-С.68-92.
6. Esepkina, N.A. Data acquisition systems based on DSP for multichannel radioastronomical receivers [Текст]/Ы.Л. Esepkina, S.K. Kruglov, S.A. Molodyakov V.D. Khaikin//Astronomy & Astrophysics Transactions. -2000.-Vol. 19. № 3-4.-P. 616-623.
7. Иванов, С.И. Разработка и исследование транзисторного СВЧ детектора мощности для модуляционного радиометра [Текст]/С.И. Иванов, А.П. Лавров, Ю.А. Матвеев//Матер. науч.-практ. конф.-СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2008.-С. 234-235.
8. Fedotov, L. The Digital Data Acquisition System for the Russian VLBI Network of New Generation. [Текст]/Ь. Fedotov, E. Nosov, S. Grenkov//6th IVS General Meeting. -2010. -Hobart, Australia.
УДК: 53.087 533.9.07
Г.А. Гаврилов, Г.Ю. Сотникова
приборы с зарядовой связью в технике физического эксперимента
Прошло всего 40 лет с тех пор, как У. Бойл и Дж. Смит в 1969 г. изобрели устройство преобразования оптических изображений в электрический сигнал, получившее название ПЗС (прибор с зарядовой связью), до вручения им и Ч. Као в 2009 г. Нобелевской премии по физике «За выдающийся вклад в технологию волоконной оптики и преобразования изображения в цифру». Масштабность изобретения состоит в том, что, казалось бы, простое техническое достижение переросло в уникальное явление, преобразившее все сферы человеческой деятельности. Являясь чисто прикладным изобретением, оптико-волоконные и ПЗС-технологии оказали столь мощное влияние
на познавательные, коммуникационные и производительные возможности человека, что позволили поставить их в один ряд с выдающимися фундаментальными открытиями, расширяющими и обогащающими физическую картину мира, удостоенными высочайшего мирового признания.
В стремительном завоевании мира ПЗС-фотоприемниками (ФПЗС) Россия (тогда еще Советский Союз) не оказалась в стороне, и к концу 70-х гг. в нашей стране уже выпускались собственные линейные и матричные ПЗС-сенсоры в НПО «Пульсар» (Москва) и в НПО «Электрон» (Ленинград).
