Разработка подсистемы приема сигнала некогерентного рассеяния, его записи и обработки на промежуточной частоте

Abstract

Разработана и внедрена подсистема приема, записи на промежуточной частоте и обработки сигнала, которая реализует предложенный способ корреляционной обработки сигнала некогерентного рассеяния и позволяет избавиться от недостатков, присущих системам с фиксированным алгоритмом обработки. Для дискретизации сигнала используются импульсы опроса с периодом следования, равным четверти периода сигнала синхронного гетеродина, частота которого равна промежуточной частоте приемника с точностью до доплеровского сдвига спектра сигнала рассеяния, вызванного движением ионосферной плазмы. Таким образом, соседние отсчеты сигнала находятся в квадратурной зависимости. Это позволяет определять ординаты квадратурных составляющих корреляционной функции принятого сигнала с временными сдвигами (аргументами), кратными периоду сигнала промежуточной частоты и оптимальными для конкретных условий. Предложено использовать для каждого дискретного аргумента корреляционной функции одну ординату в качестве косинусной и две ординаты, симметрично сдвинутые относительно нее на один период импульсов опроса, в качестве синусных составляющих. Это позволяет исключить смещение в определении скорости движения плазмы и повысить точность определения огибающей корреляционной функции, по которой оцениваются параметры ионосферы. Рассмотрены аппаратурно-методические особенности подсистемы и обработки сигнала. Основными элементами подсистемы являются усилитель промежуточной частоты с возможностью бланкирования принимаемого сигнала во время зондирования, быстродействующий аналого-цифровой преобразователь на базе модуля L-card E20-10, персональный компьютер и устройство формирования опросных импульсов аналого-цифрового преобразователя. Предложен оригинальный способ формирования импульсов опроса, основанный на выделении 4-й гармоники сигнала из последовательности импульсов с оптимальной скважностью. Приведена принципиальная схема разработанного устройства формирования опросных импульсов. Представлены экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность предложенного способа корреляционной обработки и разработанной подсистемы. Основные преимущества разработки: исключение аналоговых цепей для формирования квадратурных сигналов позволяет избежать возможного влияния ряда аппаратурных факторов на точность определения квадратурных составляющих корреляционной функции сигнала; адаптация шага временного сдвига и количества ординат измеряемой корреляционной функции к некогерентно рассеянному сигналу при различном состоянии ионосферы позволяет уменьшить погрешности оценки корреляционной функции полезного сигнала и, следовательно, параметров ионосферы; запись большого количества отсчетов сигнала с малыми интервалами между ними позволяет дополнительно к корреляционному анализу использовать спектральную обработку, а также апробировать и использовать различные алгоритмы обработки, наиболее приемлемые для конкретных условий измерений; появляется возможность исключения помех на ранней стадии обработки, анализируя непосредственно отсчеты сигнала.

The subsystem of signal reception, recording at intermediate frequency and processing, which implements the proposed method of the incoherent scatter signal correlation processing and eliminates the shortcomings of systems with a fixed processing algorithm, has been developed and implemented. For sampling the signal, reading pulses are used with a repetition period equal to a quarter of the period of the synchronous heterodyne signal, whose frequency is equal to the intermediate frequency of the receiver up to the Doppler shift of the spectrum of the scattered signal caused by the movement of the ionospheric plasma. Thus, the adjacent signal samples are in quadrature dependence. This allows us to determine the ordinates of the quadrature components of the correlation function of a received signal with time shifts (arguments), multiple to the period of the intermediate frequency signal and optimal for specific conditions. For each discrete argument of the correlation function, we proposed to use one ordinate as a cosine and two ordinates, symmetrically shifted relative to it by one period of the reading pulses, as sine components. This allows us to eliminate the bias in estimating the plasma velocity and improve the accuracy of determining the correlation function envelope that is used to estimate the parameters of the ionosphere. The hardware and methodical features of the subsystem and signal processing are considered. The main elements of the subsystem are the intermediate frequency amplifier with the possibility of blanking the received signal during sounding, a high-speed analog-to-digital converter based on the L-card E20-10 module, a personal computer, and unit for shaping analog-to-digital converter reading pulses. An original method for generating reading pulses based on extracting the 4th harmonic of a signal from a requence of pulses with an optimal relative pulse duration is proposed. A schematic diagram of the developed unit for shaping reading pulses is given. Experimental results confirming the effectiveness of the proposed correlation processing method and developed subsystem are presented. The main advantages of the development: exclusion of analog circuits for shaping quadrature signals allows us to avoid the possible influence of a number of instrumental factors on the accuracy in determination of the quadrature components of the signal correlation function; adapting the time shift step and the number of ordinates of the measured correlation function to the incoherently scattered signal at different states of the ionosphere reduces errors of estimation of the useful signal correlation functions and, therefore, the parameters of the ionosphere; recording a large number of signal samples with small intervals between them make it possible, in addition to correlation analysis, to use spectral processing, as well as test and use various processing algorithms that are most appropriate for specific measurement conditions; it is possible to eliminate interference at early stage of processing by analyzing the signal samples directly.