ЛЮБИТЕЛЬСКИЙ РАДИОТЕЛЕСКОП - РУКОВОДСТВО ПО СОЗДАНИЮ

[boangri]

После того, как был раскрыт алгоритм подсчета корреляций, мне стал понятен принцип работы РТИ
(для меня критерий понимания - способность вывести формулу чувствительности как функции параметров системы)
Хотелось бы сравнить мою формулу с той, что приведена в упомянутой вами книжке, а также с вашими экспериментальными
данными. Все таки вы можете сказать, какое у вас время накопления одной точки графика?

У меня остается еще один мутный вопрос:

Наш фильтр является ФНЧ (LPF) полосовым фильтром и понятие резонанса для этого фильтра не важно. В нашем случае фильтр пропускает полосу частот от 0 до 3Мгц. Частота дискретизации согласно теоремы Найквиста или Котельникова должна бать не менее чем в два раза больше наибольшей частоты пропускания ФНЧ, т.е не менее 6Мгц. Так у нас и есть.
На самом деле полоса частот ПЧ на выходе тюнера,  т.е. до ФНЧ 30мгц,  которую мы могли бы квантовать с частотой 60Мгц, но CY768013A не справиться с такой частотой для передачи данных. Поэтому мы применяем ФНЧ для уменьшения полосы, под реально возможную частоту дискретизации. И если частоту передачи данных нам придется уменьшать (например  для проведения каких-либо экспериментов) то как следствие будет уменьшаться и частота  дискретизации, значит нужно будет уменьшать полосу путем замены ФНЧ, на ФНЧ с меньшей полосой.

Позвольте, а при чем тут г-н Котельников? Его теорема гласит, что для полного восстановления сигнала ограниченной частот (3МГц) по отсчетам, частота дискретизации должна быть в 2 раз больше. Но мы вовсе не ставим такую задачу, и если у нас чатота дискретизации 6 мгц то это вовсе не означает что мы должны обрезать входящий сигнад до 3мгц!
Какой смысл в применении фильтра 3мгц? Зачем нужна равномерность его характеристик? Совершенно непонятно.
Кстати вы пробовали использовать другие фильтры (благо они у вас на панельках) - с другой полосой или просто работать без фильтра?

[boangri]

. Вы правильно написали, что "В реальных условиях шум конечно всегда больше". Особенно когда в 10км от моего РТИ находится военная РЛС и аэропорт. Поэтому точно оценить отношение сигнал/шум невозможно.

Позвольте не согласиться. Уровень сигнал от радиоисточников известен (вы сами приводили). От солнца так вообще можно посчитать по формуле Планка. Теоретическая формула дает соотношение сигнал/шум в случае чисто теплового шума. Поэтому сравнение реального отношения сигнал/шум с тем, что дает теория, позволит определить реальный уровень шумов, или, если хотите, коэффициент шума - отношение реального шума к тепловому (минимально теоретически возможному). И было бы очень интересно оценить этот коэффициент в вашем случае.

Для этого мне было бы достаточно чтобы вы сообщили следующие данные:
1. число накоплений (N)
2. поток от радиоисточника
3. отношение максимальной амплитуды интерферограммы к характерной ширине (сигме) шумовой дорожки.
 

[boangri]

Можно даже проще поступить - есть формула
P = 2/Пи *(Рсигнала/Ршума)
Зная измеренный коэффициент корреляции Р и мощность радиоисточника, получим мощность шума.

[shicl]

Александр! Меня смущает, что на LPT разъемах не указан корпусной контакт. Наверно должен корпус подключаться.

[Alex Plaha]

На DB-25,  для LPT,  c 18 по 25 контакт все GND(земля). Эти контакты соединяешь между собой. По периметру металлической оправы разъема DB-25, со стороны пайки разъема,  зачищаешь,  лудишь в любой удобной точке и соединяешь с земляными контактами 18-25.

[Alex Plaha]

После того, как был раскрыт алгоритм подсчета корреляций, мне стал понятен принцип работы РТИ
(для меня критерий понимания - способность вывести формулу чувствительности как функции параметров системы)
Хотелось бы сравнить мою формулу с той, что приведена в упомянутой вами книжке, а также с вашими экспериментальными
данными. Все таки вы можете сказать, какое у вас время накопления одной точки графика?

Коррелятор работает с блоками по 132768 отсчетов каждый. Для каждого блока вычисляется коэффициент корреляции. Время накопления напрямую связано с количеством блоков для усреднений т.е. точка на графике появляется только после усреднения очередного количества блоков. В программе количество усреднений задается пользователем. Например,  если я усредняю 6000 блоков для получения одной точки, то наблюдение продолжается примерно 12 часов.

[Alex Plaha]

У меня остается еще один мутный вопрос:

Наш фильтр является ФНЧ (LPF) полосовым фильтром и понятие резонанса для этого фильтра не важно. В нашем случае фильтр пропускает полосу частот от 0 до 3Мгц. Частота дискретизации согласно теоремы Найквиста или Котельникова должна бать не менее чем в два раза больше наибольшей частоты пропускания ФНЧ, т.е не менее 6Мгц. Так у нас и есть.
На самом деле полоса частот ПЧ на выходе тюнера,  т.е. до ФНЧ 30мгц,  которую мы могли бы квантовать с частотой 60Мгц, но CY768013A не справиться с такой частотой для передачи данных. Поэтому мы применяем ФНЧ для уменьшения полосы, под реально возможную частоту дискретизации. И если частоту передачи данных нам придется уменьшать (например  для проведения каких-либо экспериментов) то как следствие будет уменьшаться и частота  дискретизации, значит нужно будет уменьшать полосу путем замены ФНЧ, на ФНЧ с меньшей полосой.

Позвольте, а при чем тут г-н Котельников? Его теорема гласит, что для полного восстановления сигнала ограниченной частот (3МГц) по отсчетам, частота дискретизации должна быть в 2 раз больше. Но мы вовсе не ставим такую задачу, и если у нас чатота дискретизации 6 мгц то это вовсе не означает что мы должны обрезать входящий сигнад до 3мгц!
Какой смысл в применении фильтра 3мгц? Зачем нужна равномерность его характеристик? Совершенно непонятно.
Кстати вы пробовали использовать другие фильтры (благо они у вас на панельках) - с другой полосой или просто работать без фильтра?

Специально нарушать теорему Котельникова я не собирался, но во время наблюдений солнца при частоте дискретизации 6 Мгц я случайно поставил фильтр не 3 Мгц, а 8 Мгц то корреляция вообще пропала. Корреляция была видна и на фильтрах с полосой 1 Мгц, но с меньшим уровнем, а это говорит уже о потере чувствительности системы при сужении полосы.  В общем  экспериментально проверено, что как раз теорема Котельникова при чем!   Наилучший результат был при отношении частоты дискретизации к частоте сигнала как 2 к 1!

А большая неравномерность АЧХ ФНЧ приведет к модуляции по амплитуде полезного сигнала, т.е. к его искажению.

[boangri]

Коррелятор работает с блоками по 132768 отсчетов каждый. Для каждого блока вычисляется коэффициент корреляции. Время накопления напрямую связано с количеством блоков для усреднений т.е. точка на графике появляется только после усреднения очередного количества блоков. В программе количество усреднений задается пользователем. Например,  если я усредняю 6000 блоков для получения одной точки, то наблюдение продолжается примерно 12 часов.

Таким образом N = 132768 x 6000 x 2 = 1600млн (множитель 2 учитывает сигналы I, Q). Я делал оценку (500ян) исходя из N=100млн. Поэтому в вашем случае чувствительность, рассчитанная по моей формуле будет 125 ян. (я исходил из эффективной площади антенн = 1м2) Таким образом объясняется наблюдение галактики (250ян). Коэффициент шума вероятно в районе 2-3, не более.

Что касается книжки корифеев радиоастрономии. Я нашел в ней упомянутую вами формулу флейка (которая мало что дает), но не нашел аналога своей формулы.
В книжке рассматривается общий случай, когда шум и сигнал сопоставимы по уровню. Возникают сложные формулы, двойные интегралы и арксинусы.
У нас же сигнал - 1/10000 от шума, и все считается почти в уме.

По поводу ФНЧ. Мне интуитивно понятно, почему применение фильтра 1Мгц уменьшает корреляцию. Фильтрация приводит к тому, что остаются медленно меняющиеся сигналы, между ними возникает корелляция от отсчета к отсчету (грубо говоря мерим одно и то же) и из за этого эффективно уменьшается число отчетов. А вот медицинский факт с фильтром 8Мгц пока не находит у меня понимания...

[boangri]

Александр, хочу спросить - а вы делали какие либо практические шаги в сторону перехода от РТИ1 к РСДБ, или хотя бы какие нибудь теоретические прикидки?

Поделюсь своими мыслями на этот счет.
Итак, если рассматривать РТИ-1 как ступеньку на пути к РСДБ, то стоит задача разделения "сиамских близнецов" на 2 совершенно автономных РТ, причем работающих
синхронно.

Какие я вижу тут проблемы? Необходимо обеспечить синхронность отсчетов и синхронизацию опорных генераторов тюнеров.
Что касается второго, то, признаюсь, я плохо понимаю роль опорных генераторов тюнеров и совершенно не представляю какие требования по
стабильности и синхронизации к ним предъявляет проект. Предположим поэтому, что эту проблему удастся решить.

О синхронности отсчетов. У нас вероятно единственный способ синхронизовать опорные генераторы ("часы") - это использовать PPS-сигналы от приемников GPS.
Насколько я представляю, точность синхронизации при этом порядка 1 мкс. Поэтому частота отсчетов будет скорее всего порядка 100кгц (это как минимум на порядок хуже чем в РТИ-1)
С другой стороны, время накопления обратно пропорционально базе. Если принять базу 1000км, то период интерферограммы будет пролетать всего за 4 мсек (при лямбде 30см)
и на накопление будет миллисекунда от силы. Т.е. число отчетов будет 100-1000 максимум. Это очень мало, сигнал утонет в шуме.

Другими словами я пока не вижу возможностей для реализации РСДБ на основе РТИ-1. Конечно это всего лишь мнение дилетанта от радиоастрономии.

А вы не хотите для начала поставить какую нибудь более скромную задачу, например с помощию РТИ измерить угловые размеры солнца или крабовидной туманности?

[boangri]

У меня появилось предложение, назовем его проект РТИ-2.
Его можно рассматривать как промежуточный этап перехода от РТИ-1 к РСДБ.

Цель: создание радиоинтерферометра с базой порядка 300м, длиной волны порядка 30см и угловым разрешением 3 минуты.
Он позволит измерить угловые размеры солнца и может быть других протяженных радиоисточников, например крабовидной туманности.

Строится на базе РТИ-1.
Отличия: опорная частота для тюнеров подается от одного кварца, по 2-м тонким коаксиалам длиной 150м каждый;
Тюнеры можно расположить рядом с антенной или даже в облучателе, по коаксиалу передавать сигнал с выхода тюнера (3Мгц)
- он затухает не так быстро как 950-2150Мгц
Далее возможны варианты.
Если удастся передавать сигнал 3Мгц на 150м - остальную схему можно оставить без изменений (1 общий компьютер)
фактически это будет означать несущественную модификацию РТИ-1

Но нам интереснее сделать сбор на 2-х разных компьютерах - это новое качество.
При этом будет необходимо решить проблему синхронизации отсчетов с микросхемы контроллера USB.
Для этого можно задействовать еще один общий опорный кварц, от которого передавать сигналы по кабелям длиной 150м.

Кстати как сейчас (в РТИ-1) задается частота опроса (6мгц) - от какого то генератора или это просто программный цикл, ни с чем не синхронизованный?


 

[shicl]

Это же какую надо иметь частоту опорного генератора, чтобы через 150 м сигнал в фазе приходил?

[boangri]

Это же какую надо иметь частоту опорного генератора, чтобы через 150 м сигнал в фазе приходил?

Если не путаю Алекс называл частоту 16Мгц. Такую частоту вполне реально передать на 150м
даже по тонкому коаксиалу (ИМХО, я не спец в этом). Длина волны - 20м, так что если кабели сделать одинаковой длины
то никакого перекоса фаз не будет. 

[boangri]

Продолжу полет мысли.
Согласен, 300м коаксиала влетят в копеечку. Есть другой вариант - передавать опорный сигнал по радио! Маломощный передатчик излучает сигнал от кварца, а у антенн он принимается и формируются меандры для тюнера и компьютера (для опроса данных). При этом возможно потребуется юстировка для выравнивания фаз, ее проще всего сделать перемещая передатчик между антеннами.  И мы сможем легко наращивать базу РТИ, не будучи привязанными проводами. По сути сихронизация по GPS - то же самое, тоже по радио.

[shicl]

Синтезатор в тюнере цифровой, сигнал опорный - меандр. Срабатывает все по фронту или по спаду импульса. Отмерить точно кабель - проблема. Сомнительно все.

Если по радио синхронизировать, то GPS предпочтительнее. В первом варианте - в распространении радиоволн есть что-то мистическое + передатчик, приемник, антенна (все ж самодельное) думаю еще сложнее синхронизацию получить.

В качестве лирического отступления. По молодости при установке контрольного излучателя для проверки самолетной РЛС читаю в технологии - 20м плюс минус 5 см. Спрашиваю у бывалого прапорщика как мерять? Ответ - шагами, включает излучение (1,5 КВт в импульсе) берет руками излучатель, идет в предполагаемое место и требует ему сообщить когда цель появиться.

[shicl]

Сегодня удалось развести все что касается тюнеров - питание, управление на LPT разъемы.

[Alex Plaha]

Александр, хочу спросить - а вы делали какие либо практические шаги в сторону перехода от РТИ1 к РСДБ, или хотя бы какие нибудь теоретические прикидки?

Поделюсь своими мыслями на этот счет.
Итак, если рассматривать РТИ-1 как ступеньку на пути к РСДБ, то стоит задача разделения "сиамских близнецов" на 2 совершенно автономных РТ, причем работающих
синхронно.

Какие я вижу тут проблемы? Необходимо обеспечить синхронность отсчетов и синхронизацию опорных генераторов тюнеров.
Что касается второго, то, признаюсь, я плохо понимаю роль опорных генераторов тюнеров и совершенно не представляю какие требования по
стабильности и синхронизации к ним предъявляет проект. Предположим поэтому, что эту проблему удастся решить.

О синхронности отсчетов. У нас вероятно единственный способ синхронизовать опорные генераторы ("часы") - это использовать PPS-сигналы от приемников GPS.
Насколько я представляю, точность синхронизации при этом порядка 1 мкс. Поэтому частота отсчетов будет скорее всего порядка 100кгц (это как минимум на порядок хуже чем в РТИ-1)
С другой стороны, время накопления обратно пропорционально базе. Если принять базу 1000км, то период интерферограммы будет пролетать всего за 4 мсек (при лямбде 30см)
и на накопление будет миллисекунда от силы. Т.е. число отчетов будет 100-1000 максимум. Это очень мало, сигнал утонет в шуме.

Другими словами я пока не вижу возможностей для реализации РСДБ на основе РТИ-1. Конечно это всего лишь мнение дилетанта от радиоастрономии.

А вы не хотите для начала поставить какую нибудь более скромную задачу, например с помощию РТИ измерить угловые размеры солнца или крабовидной туманности?

На 13 странице в ответе No255 я писал про синхронность и стабильность опорных генераторов для проэкта РСДБ:

"Профессионалы это делают с помощью атомного стандарта частоты, стабильность которого 10Е-14—10Е-15. В нашем варианте будут использованы или рубидиевые стандарты , - 10Е-12, или термостатированные кварцевые генераторы со стабильностью до 10Е-11. Уже в этом направлении ведутся эксперименты.
При меньшей стабильности время когерентности сигналов будет  меньше чем у профи, но время накопления сигнала мы тоже сократим.

Короче во время последних экспериментов по Солнцу,  на двух независимых приемных системах, с разными  термостатированными  опорными  генераторами, интерференционные лепестки наблюдались  более 5 часов. Генераторы изначально синхронизировались, а потом устанавливались каждый на свой приемник. Поворот антенн за Солнцем производился с помощью 2-х актуаторов по азимуту и углу, управляемых микроконтроллерами."

Что касается синхронности отсчетов, то АЦП синхронизированы от тех же опорников, что и гетеродины. А вот начальным сигналом для старта АЦП обоих приемников как раз я использую PPS GPS. Далее получив два независимых потока данных, а их свожу по времени на одном компьютере. Это делает специальная программа для поиска интерференционных лепестков.
Первые эксперименты с угловыми разрешениями будут проводиться с базами до 1км.

[boangri]

Генераторы изначально синхронизировались, а потом устанавливались каждый на свой приемник.

Нельзя ли подробнее описать процедуру изначальной синхронизации?
Верно ли я понимаю, что если мы все таки создадим сеть РСДБ, то нам неизбежно придется
собраться, прихватив свои кварцы,  на сходку в одном месте? Насколько я понимаю, удаленно синхронизоваться не получится. Насколько долго хватит такой синхронизации?

Я кажется понял смысл фильтрации НЧ (3Мгц). Она действительно необходима в РТИ-2 (давайте так
называть конструкцию, где каждое плечо имеет собственный опорник и собственный комп для сбора данных). Дело в том, что в этом случае неизбежно возникает некоторая рассинхронизация моментов измерений. Обозначим это время тау. Для получения корреляций нам надо будет исключить из анализируемого сигнала спектральные компоненты, у которых характерное время корреляций меньше тау (иначе мы никакой корреляции не получим) А это означает фильтрацию высоких частот более характерной частоты 1/тау. Например если тау порядка 100 нан то надо обрезать все что выше 10 мгц.
В случае же РТИ-1 никакого смысла в ФНЧ нет, поскольку там у нас гарантирована синхронность измерений в обоих каналах. А то, что вы получили отсутствие корреляций установив по ошибке фильтр 8Мгц при частоте опроса 6мгц, можно обяснить например неисправностью фильтра или вы работали с  РТИ-2.
Вы не могли бы еще раз перепроверить свои выводы либо научно обосновать необходимость ФНЧ  в РТИ-1?

 
 

[Alex Plaha]

Абсолютная стабильность опорных генераторов для РСДБ не так важна. Намного важнее их  относительная, взаимная стабильность. Есть подозрение, что эта стабильность определяется равномерным дрейфом по фазе у каждого из опорников.  Поэтому я перед наблюдением стабилизирую опорники один относительно другого по фигурам Лисажу или по биениям после сумматора на осциллографе. При этом,  каждый опорник находится в дополнительном термобоксе  с автономным питанием, т.к. после стабилизации даже на доли секунд нельзя выключать питание.
Кстати профессионалы также синхронизируют свои атомные стандарты в одной точке.  А после перемещения в другую точку вводят релятивистские поправки для компенсации относительной временной рассинхронизации связанной с относительностью Эйнштейна.

По поводу ФНЧ для РТИ-1.

Если аналоговый сигнал  имеет ограниченный спектр (в нашем случае граница определена ФНЧ 3Мгц), то он может быть восстановлен однозначно и без потерь по своим дискретным отсчётам, взятым с частотой строго большей удвоенной верхней частоты, т.е. 6Мгц в нашем случае. Это и есть терема  теорема  Котельникова  (в англоязычной литературе — теорема Найквиста — Шеннона или теорема отсчётов).  А вот если расширить спектр больше 3 Мгц, и при этом частоту дискретных отсчетов оставить 6Мгц, то на выходе как раз и появятся те спектральные компоненты (побочные "продукты") искажающие сигнал.

[boangri]

Александр,
как долго 2 генератора будут оставаться синхронизированными в допустимых пределах? Каковы эти пределы?
Что представляет собой термобокс? Каково типичное потребление? Каковы требования к стабильности температуры и напряжения?

Эйнштейн подкинул нам проблем своей теорией... 
А если серьезно, то поправки нужны при отправке часов на орбиту, в системах GPS/Глонасс. Ибо на орбите часы идут немного быстрее чем на Земле. А если часы остаются в одном гравитационном потенциале, то релятивистские поправки не нужны.

По ФНЧ.  У нас не стоит задача восстановления сигнала  в промежутках между дискретными отчетами (а именно об этом говорит теорема К-Ш-Н). У нас стоит задача измерения взаимной корреляции - в моменты отчета. Еще раз сформулирую свою позицию. Частота отсечки ФНЧ определяется не частотой отсчетов, а величиной возможной рассинхронизации моментов измерений в разных каналах и является обратной величиной этого рассогласования. В случае РТИ-1 синхронность отсчетов гарантирована, и необходимость ФНЧ отпадает.

[ROVIAN]

Что представляет собой термобокс?

Надо полагать, что и обычно. термостойкий коробок, внутри генератор + термосхема.  Это либо пельтьеха или схема на мощных транзисторах, которая подогревает бокс внутри и поддерживает заданную температуру.  Схем валом ,хоть с пром аппаратуры, хоть с трансиверов.

ну это примитивно но смысл такой     http://www.cqham.ru/trx85_79.htm