Iмiтацiйне моделювання цифрового квадратурного приймача сигналiв ядерного квадрупольного резонансу

Autor: Самiла, А. П., Розорiнов, Г. М., Архiєрєєва, О. Г.
Jazyk: ukrajinština
Rok vydání: 2019
Předmět:
радiозв’язок з програмованими параметрами компонентiв
NQR
software defined radio
radio spectrophotometer
simulation model
ядерный квадрупольный резонанс
quadrature detection
приемный тракт
приймальний тракт
receiving path
цифровi фiльтри
621.396.621.5
ядерний квадрупольний резонанс
цифровые фильтры
имитационная модель
радиоспектрометр
квадратурне детектування
digital filters
радiоспектрометр
радиосвязь с программируемыми параметрами компонентов
квадратурное детектирование
iмiтацiйна модель
SDR
nuclear quadrupole resonance
ЯКР
Zdroj: Вісник НТУУ «КПІ». Радіотехніка, радіоапаратобудування: збірник наукових праць, Вип. 76
Popis: Розроблення надiйних методiв дистанцiйного виявлення малих концентрацiй резонуючих ядер є на даний час актуальною задачею, вирiшення якої потребує розв’язку менш об’ємних конкретних задач, зокрема iз залученням спектроскопiї ядерного квадрупольного резонансу (ЯКР). Аналiз iнварiантностi методiв спостереження ЯКР, якi ґрунтуються на дiї потужних радiочастотних iмпульсiв збудження на дослiджуваний зразок iз послiдуючим застосуванням швидкого перетворення Фур’є сигналiв спаду вiльної iндукцiї (СВI) для отримання резонансних спектрiв, дозволяє зробити висновок, що у бiльшостi випадкiв детектування забезпечується перенесенням резонансного спектру в дiапазон низьких частот. При виявленнi сигналiв СВI виникають деякi труднощi, пов’язанi iз застосуванням квадратурного детектування. Однiєю iз ключових проблем при цьому є пiдвищення чутливостi вхiдного пристрою та приймального тракту радiоспектрометра. Розроблено структуру цифрового квадратурного приймача сигналiв ЯКР на основi технологiї програмно-визначених радiосистем (SDR) та принципу прямого оцифровування сигналу – Digital Down-Converter (DDC), що уможливило суттєве зменшення числа каскадiв аналогового тракту. Цифрове оброблення сигналу СВI вiдбувається у два етапи. Перший етап передбачає зниження на порядок частоти дискретизацiї сигналiв, отриманих з виходiв помножувачiв, другий – фiльтрацiю компонент вищих порядкiв. Проведено синтез децимуючих та компенсацiйних фiльтрiв радiоприймального тракту, частотнi характеристики яких отриманi шляхом розрахунку коефiцiєнтiв в MATLAB FDATool. Шляхом iмiтацiйного MATLAB Simulink моделювання сигнальних перетворень в запропонованому приймальному трактi, встановлено, що застосування прямого оцифровування сигналу спаду вiльної iндукцiї дозволило iстотно скоротити довжину аналогової частини приймача, а отже, зменшити до -100 дБ рiвень шумiв та позасмугових спектральних складових в дiапазонi частот вiд 1 МГц до 50 МГц. В iмiтацiйну модель SDR приймача iнтегровано алгоритм на основi принципу чотириетапних фазових циклiв CYCLOPS, що забезпечує зменшення квадратурних вiдбивань до 1 %. Introduction. The study of physical properties of substances using pulsed electromagnetic radiation has become widespread in optical and radio wave spectroscopy. Pulsed Fourier spectroscopy of nuclear quadruple resonance (NQR) is based on powerful radio frequency excitation pulses and the use of highly sensitive equipment. In response to the short broadband δ-pulse, this method ensures the excitation of all resonance frequencies of the NQR spectrum. The method of detecting free induction decay signals (FID) requires a thorough analysis, since its implementation governs the accuracy of visualization of complex resonance spectra, especially when it comes to multi-pulse experiments. Recently, in the developed countries of the world, much work is in progress on the development of radiotechnical systems that are referred to collectively as Software Defined Radio (SDR). The choice of NQR detecting methods. It is known that in the pulsed NQR, the FID signals are detected by transferring the resonance spectrum to the low frequency (LF) range by subtracting the reference frequency, which is close to the frequency of the resonating nucleus. The features of the Fourier transform create additional problems when selecting the reference frequency for the synchronous detector. Another option is to apply a quadrature detection of FID which allows an increase in the signal-to-noise ratio by a factor of square root. Apart from increasing sensitivity, the use of quadrature detection imposes some restrictions. In reality there are small residual signals - quadrature reflections in the spectra. Simulation modeling of the receive path of radiospectrometer developed on the principle of direct digitization of a signal. The structure and MATLAB Simulink model of a digital quadrature receiver of nuclear quadruple resonance signals were developed. The synthesis of compensating filters and computer simulation of signal transformations in the receive path of radiospectrometer were performed. It was established that the application of the principle of direct digitization of the free induction decay signal made it possible to significantly reduce the length of the analog portion of the receiver, and, consequently, reduce the noise of the useful signal and the level of out-of-band higher order spectral components. In particular, with a sampling frequency of 17 MHz and a cutoff frequency of the compensating LPF of 1 MHz, the level of side and out-of-band emissions in the effective bandwidth of the SDR is not more than -100 dB. Algorithm of phase cycles CYCLOPS. An algorithm based on the principle of four-phase cycles CYCLOPS is integrated into the SDR receiver simulation model, which ensures the reduction of quadrature reflections to 1 %. The concept of proposed model realization on the basis of DSP libraries System Toolbox and FDATool makes possible its efficient implementation on the basis of field-programmable gate arrays. In this case, the FPGA of Intel (Altera) or Xilinx are effective, since CAD systems of their configuration structures are closely integrated with MATLAB. Разработка надежных методов дистанционного обнаружения малых концентраций резонирующих ядер является в настоящее время актуальной задачей, решение которой требует расчета менее объемных конкретных задач, в частности с привлечением спектроскопии ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР). Анализ инвариантности методов наблюдения ЯКР, основанных на действии мощных радиочастотных импульсов возбуждения на исследуемый образец с последующим применением быстрого преобразования Фурье сигналов спада свободной индукции (ССИ) для получения резонансных спектров, позволяет сделать вывод, что в большинстве случаев детектирование обеспечивается переносом резонансного спектра в диапазон низких частот. При обнаружении сигналов ССИ возникают некоторые трудности, связанные с применением квадратурного детектирования. Одной из ключевых проблем при этом является повышение чувствительности входного устройства и приемного тракта радиоспектрометра. Разработана структура цифрового квадратурного приемника сигналов ЯКР на основе технологии програмно-определенных систем (SDR) и принципа прямой оцифровки сигнала - Digital Down-Converter (DDC), что позволило существенно уменьшить число каскадов аналогового тракта. Цифровая обработка сигнала ССИ происходит в два этапа. Первый этап предусматривает снижение на порядок частоты дискретизации сигналов, полученных с выходов умножителей, второй - фильтрацию компонент высших порядков. Проведен синтез децимирующих и компенсационных фильтров радиоприемного тракта, частотные характеристики которых получены путем расчета коэффициентов в MATLAB FDATool. Путем имитационного MATLAB Simulink моделирования сигнальных преобразований в предложенном приемном тракте, установлено, что применение прямой оцифровки сигнала спада свободной индукции позволило существенно сократить длину аналоговой части приемника, а следовательно, уменьшить до -100 дБ уровень шума и внеполосных спектральных составляющих в диапазоне частот от 1 МГц до 50 МГц. В имитационную модель SDR приемника интегрировано алгоритм на основе принципа чотириетапних фазовых циклов CYCLOPS, что обеспечивает уменьшение квадратурных отражений до 1 %.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: