פילטרים פעילים שיפור אסטרונומיה רדיו קבלת אותות

אסטרונומיה רדיו תלויה בלכידת פליטות אלקטרומגנטיות חלשות מחפצים שמימיים מרוחקים, לעתים קרובות מיליארדי שנות אור.אות אלה - מפולסרים, גלקסיות, קוואזרים, ואת רקע המיקרוגל הקוסמי - חלשות באופן יוצא דופן עד שהם מגיעים לכדור הארץ, לעתים קרובות קבורים ברעש תרמי והפרעות רדיו מעשה ידי אדם (RF) האתגר העיקרי עבור אסטרונומיה רדיו הוא לנפח את אותם רגעים של אותות ים אמינים של אותות של פילטרים פעילים יותר, תוך שיפור יעיל יותר, תוך שיפור יעיל של כלי רדיו.

הבנה של פילטרים Active filter

מסנן פעיל הוא מעגל אלקטרוני המשתמש בשילוב של רכיבים פסיביים - מתנגדים, קיבולים, ולפעמים אינדוקטורים - יחד עם אלמנט רווח פעיל, בדרך כלל מגבר תפעולי (op-amp) שלא כמו מסננים פסיביים, אשר יכול רק לזרז אותות לצרוך כוח מדרך האות, מסננים פעילים יכולים לספק רווח מתח, תנופה גבוהה, ותפוקה נמוכה זה הופך אותם לתאים במיוחד עבור אותות עיבוד איטי של קרינה.

מסננים פעילים מאופיין על ידי הפונקציה העברת שלהם, אשר מגדיר את טווח התדרים העוברים (פס) ואלה אשר מציגים (stopband) פילטר צורות תגובה משותפת כוללים Butterworth (מקסימום שטוח פס), צ'בישאר (sharper Cutoff עם ript), Bessel (תגובה שלב ליניארי, שמירה על צורה), ו- elliptic (מפרק מאוד עם lash ב-Straprepreshreshrecerecerecerecerecere) דרישות תגובה נמוכה יותר של תזמון קצר לאחר תזמון קצר יותר).

באסטרונומיה רדיו, מסננים פעילים מיושמים לעתים קרובות באמצעות שלבים מרובים של דגימה, כל אחד תורם בסדר המסנן הכולל. Sallen-Key ו- מרובות-feedback (MFB) להתנצלות הם נפוצים כי הם פשוטים, יציבים, ומאפשר התאמה עצמאית של תדירות חיתוך ורווח. עיצובים מתקדמים יותר להשתמש מסננים ארוכי טווח או דו-קולאריים, אשר מציעים שליטה עצמאית של Q (חול) ו-או-או-ה) ו-או-הת-הת-הת-הת-הת-הת-הת-התחבירה (מחדשהת) לדחיית תכועת-הת-הת-הת-הת-התיקים) לסינון, לא צריך לדחות עיצובים-מחדשהתיקים, לא לדחות שימוש בפילטרים-מחדשהתנים מתקדמים יותר, לא צריך לדחות שימוש בפילטרים-מחדשהמתיקים-מחדשניים מתקדמים יותר, לא צריך לדחות שימוש בפילטרים מתקדמים יותר.

סוגים של מסנן פעיל בשימוש באסטרונומיה רדיו

מקלטי אסטרונומיה רדיו דורשים מגוון סוגים של מסנן כדי לקבוע את האות הנכנס בשלבים שונים.ארבע קטגוריות המסנן הבסיסיות - פאס נמוך, פאס גבוה, פס קבוצתי, ולאץ' (פס-פסק) - כל אחד מהם משרת תפקידים נפרדים בשיפור קבלת האות.

פילטר נמוך

מסננים נמוכים (LPFs) מאפשרים לתדרים מתחת לקיצוץ מוגדר לעבור תוך הגדלת תדרים גבוהים יותר.ברדיו אסטרונומיה, הם ממוקמים בדרך כלל לאחר מערבלי הדבקה או לפני ממירים אנלוגיים-ל-דיגיטליים (ADCs) כדי להסיר רעש גבוה ⁇ ולמנוע הרץ פעיל, למשל, בקו מקלט של 1.42 GHz, LPF עשוי להיות מוגדר ל-F של קיצוץ של 10.

High-Passs filter

מסננים גבוהים (HPFs) להעביר אותות מעל תדירות חיתוך לחסום תדרים נמוכים יותר.הם פחות נפוצים באסטרונומיה רדיו מאשר מסננים של פס פסים, אבל הם שימושיים עבור דחיית התערבות בתדר נמוך, כגון לחות קו חשמל (50/60 הרץ) או רטטים מיקרופוניים. HPFs יכול גם להיות משולב עם LPFs כדי ליצור תגובה של פסילה.

Band-Passs filter

מסננים של בנד (BPFs) הם מסנן פעיל ביותר בכל מקום באסטרונומיה רדיו.הם משלבים חלקים נמוכים ופסים גבוהים כדי לבודד טווח תדר מסוים, כגון קו המימן 21 ס"מ (1420.40575177 Mspecyl) או קו הידרוקסיל המשתנה (1665/16 הרץ) משתמשים בשני החזית (לאחר קו המימן נמוך של אסטרונאוטית, או מקבצי רדאר (או מ"מ"מ) לפני שדוחנים פעילים) או ממולכים אחרים, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לדוגמה, BPF) פעילים).

BPF פעיל טיפוסי לאסטרונומיה רדיו עשוי להשתמש בשקדה של סעיפים מסדר שני כדי להשיג הזמנה כוללת של 6 או 8, מתן גלגל חד של 36-48 dB / ctave.הפילטר תוכנן עם רווח קבוע על פני פס ו קרוע מינימלי כדי להימנע משינויים שיכולים לעוות מדידות בסיס ספקטרלי.

מסננים (Band-Stop)

מסננים (נקראים גם להקות-stop או דוחים מסננים) נועדו להסיר להקה תדר צר מאוד בעת עזיבת תדרים הסובבים במידה רבה ללא השפעה. השימוש העיקרי שלהם באסטרונומיה רדיו הוא לחסל חזק, צר-band RFI ממקורות ארציים - כגון לווייני חשמל, משדרי טלוויזיה או תקשורת אלחוטית - ללא ניתוק אותות אסטרונומיים יכול להשיג ערכים גבוהים מאוד (עד 50) או דחייתם) באמצעות רשתות מותאמות לעתים קרובות יותר (T) או דחיית תדרים פעילים יותר (T) או דחייתם) או דחיית רשתות דחיית , או , או דחיית דחייתם של דחיית דחיית דחיית דחיית דחיית דחיית מוטציות עמוקות (T) או סימטריות (T) או מוטציות).

שיקולים ל- Radioאסטרונומיה Filters

תכנון מסננים פעילים לאסטרונומיה רדיו עובר מעבר לתיאורית ספרי לימוד; הרגישות הקיצונית של מכשירים אלה דורשת טיפול יוצא דופן בבחירת רכיב ופריסה.לאחר הם פרמטרים מרכזיים שיש להתאים.

איור ו- Signal-to-Noise Ratio

כל מרכיב פעיל מוסיף רעש, ובשרשרת מקלט טלסקופ רדיו, אפילו חלק קטן של רעש עודף יכול להפחית את היכולת לזהות מקורות חלשים. Op-amps המשמש במסננים פעילים חייב להיות רעש מתח נמוך מועד (לעתים קרובות מתחת 1 nV / ⁇ ) ורעש נוכחי נמוך. ביצועי הרעש של מסנן הוא קריטי במיוחד כאשר הוא ממוקם מוקדם שרשרת, לפני רווח משמעותי כבר בשימוש עיצובים נמוכים, כולל COPFD, כולל ⁇ , כולל ⁇ , כולל ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ , כולל ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

קוארנטיות ו- Dynamic Range

RFI חזק יכול להניע מסננים פעילים לפעולה לא ליניארית, לייצר מוצרי הרמוניות ושילוב ששחיתים את האות האסטרונומי.פילטרים חייבים להיות נועדו לטפל ברמות ההתערבות הצפויות ללא עיוות.טווח דינמי קלט (באופן זמני ביטוי כנקודת הסימון השלישי, IP3) חייב להיות גבוה מספיק כדי למנוע הטמעה.בפרקטיקה, זה לעתים קרובות באמצעות היצע גבוה יותר (> ±V5) ובחירת רמות בקרה אוטומטית (תחמוצפנת) כדי למנוע פילטרים).

טמפרטורה יציבות

טלסקופי רדיו פועלים בסביבות מגוונות - ממדברים גבוהים ועד תחנות הקוטב - שבו טמפרטורות מקוטבות יכולות להשתנות על ידי עשרות מעלות צלזיוס. Resistor ו- capacitor ערכים להשתנות עם טמפרטורה, שינוי תדירות הניתוק של מסנן וצורה פס עובר. Precision Active סינון משתמשים באופן פעיל רכיבים עם טמפרטורות נמוכות (למשל, ±25m / C או טוב יותר) פילטרים מסחריים כגון פילטרים קריטיים מתכת.

תגובה ו-Destion Integrity

עבור תצפיות מסוימות - במיוחד אלה הדורשים שמירה על הצורה המדויקת של אות הדופק (למשל, מפולסר) או שמירה על קוהרנטיות במערךים בין-פרומטריים - התגובה של הפילטר חשובה כמו התגובה המפולנית שלה בשלב זה.לא-לינארית שינויים יכולים לעוות את צורת הדופק ואת הדיוק התזמון של התזמון.במקרים כאלה, להיות מסננים (נקראים גם תומסון) הם לעתים קרובות מצריך עיכובים סתמיים קבועים בין מדרונות הפעלה או מנטראקטיביים קבועים.

אינטגרציה לתוך שרשרת האות

מסננים פעילים ממוקמים בנקודות ספציפיות בשרשרת המקלט בהתאם לתפקודם.הבנת זרימת האות הכוללת - מאנטנה ועד דיגיטייזר - מבהירה כיצד מסננים תורמים לשיפור קבלת הפנים של אסטרונומיה רדיו.

(FLT:0) נתיב קצה: FLT:1 האות שנאסף על ידי האנטנה עובר לראשונה דרך להאכיל, ואז מגבר נמוך (LNA) מסנן פס פסים ישירות לאחר LNA (או לפעמים משולב עם זה) מונע אותות חד-צדדיים חזקים לאורך כל השלבים הבאים, אך לעתים רחוקות יותר מפילטרים פעילים, אך ורק לאחר מכן, לא ניתן להשתמש בסימן רגיל זה, אך ורק לאחר מכן, אם כי הם אינם נמצאים בפילטר פעיל יותר, אך ורק לאחר מכן, אם כי הם נמצאים בתדירות גבוהה יותר, אם כי הם נמצאים בשימוש, אם כי הם נמצאים בסימן רגיל, או באופן קבוע, אם כי הם אינם נמצאים בשימוש, אם כי הם נמצאים בפילטרים, אם כי הם נמצאים בתדירות גבוהה יותר, אם כי הם נמצאים בתדירות גבוהה יותר, אם כי הם נמצאים בתדירות גבוהה יותר, או באופן קבוע, אם כי הם אינם נמצאים בפילטרים, אם כי הם אינם נמצאים בשימוש, אם כי הם נמצאים בתדירות גבוהה יותר, לעתים רחוקות יותר, אם כי הם נמצאים בשימוש, אם כי הם נמצאים בשימוש, אם כי הם נמצאים בשימוש, אם כי הם אינם נמצאים בשימוש, אם כי הם נמצאים בפילטר פעיל יותר, לעתים רחוקות יותר, אם כי הם נמצאים בשימוש, לעתים רחוקות יותר, אם כי הם אינם מופעלים

(FLT:0) Back-End Patheur: 1 לאחר תוספת של הדגימה ואולי גם השני של ה- IF נשלח למעבד האחורי-end כאן, מסננים פעילים נמוכים משמשים כפילטרים נגד-aliasing לפני ה- אנלוגי-to-דיגיטלי ממיר (ADC) פעיל מאוד ל-LPF עם חתך חד-פעמי (מסמך 8) של טקסט אלקטרונים פעיל (מסוגים) ו-מסוגים דיגיטליים (מסוגים) למנוע שימוש בפילטרים מתקדמים של טקסט-אולוגי (F) לסינון דיגיטלי (D) לסינון (DVDValcaster (D) ו-SD-SD-CM-CM) לסינון (F).

עבור תצפיות רחבות מאוד (למשל, 0.5-15 GHz), טכניקה הנקראת בנק סינון דיגיטלי (DFB) עיבוד משמש, אבל גם כאן, מסננים פעילים אנלוגיים מועסקים כדי לחלק את הלהקה לתוך תת-פסים שניתן לנהל, כל אחד עם מסנן אנטי-פלילינג משלה. גישה אנלוגית-דיגיטלית היברידית זו היא כעת סטנדרטית בכלים כמו Array גדול מאוד (VLA) ו Atacama / מילימטר גדול (מיל).

דוגמאות מעשיות: פילטרים פעילים בפעולה

כדי להמחיש את ההשפעה בעולם האמיתי, לשקול את החיפוש של קו מימן 21 ס"מ, המשמש למפות את ההפצה של מימן נייטרלי בדרכי החלב וגלקסיות חיצוניות. טלסקופ יחיד טיפוסי כמו FLT:0 טלסקופ ירוק (GBT)igitalFLT:1 משתמש באטומים פעילים מלוטשים ב -1420.4 מ"מ עם רוחב פס של M.

דוגמה נוספת היא מסנן ה-tch הפעיל המועסק ב-FLT:0. [Breakcio דרך תקשיב לפרוייקט 1 ב- GBT. כלי הסריקה של אותות צר-band שעשוי להצביע על מקור מלאכותי.עם זאת, סביבת הרדיו מלאה ב-FLT1 ספקים צרים ממטוסים, לוויינים ומגדלי תאים. בנק של 100 מסננים פעילים שלא ניתן לתכנת, כל אחד עם גורם של 50, משמש רק לאבחון דיגיטלי, לעומת זאת, תוך כדי שמירה על פני טווח זה רק על פני ה- 60% של תאים.

במצפה אצטווה (לפני התמוטטותו), מסננים פעילים היו מכריעים בניסויים של מערך התזמון הפולסרים. Pulsars פולטים דופקי רדיו רגילים מאוד, אך האות הורחבה על ידי פיזור בין כוכבי הלכת ו מזוהמים על ידי RFI. Active Band-pass מסננים עם צופה רוחב פס קבוע המאפשר לסחור בין יחס אותות לרעש ופתרון זמני.

אתגרים ושיקולים

למרות היתרונות הרבים שלהם, מסננים פעילים מציגים אתגרים כי מהנדסי אסטרונומיה רדיו חייבים לטפל. צריכת חשמל היא אחד: שלבים מסנן פעילים רבים דורשים דגימות מרובות, כל ציור עשרות מ"ח.במיילדות מרוחקות המופעלות על ידי השמש או גנרטורים, זה יכול להיות מעצורים.

יציבות היא דאגה שנייה.פילטרים פעילים יכולים להתבודד אם לא תוכנן עם שולי שלב נאותים. סובלנות משלימה (למשל, ±1% מתנגדים, ±5% capacitors) לגרום לסטיות מהתגובה האידיאלית. בייצור, מסננים לעתים קרובות בנוי עם רכיבים מדויקים ולאחר מכן trated (באמצעות רב עוצמה או התנגדות לייזר) כדי לענות על טמפרטורה נמוכה, אפילו תצפיות על ידי טמפרטורות מעטות.

קליברציה היא דרישה מתמשכת נוספת.פילטרים פעילים יכולים להיות ולהסחף עם הזמן, במיוחד קפיצינים אלקטרוליטיים (למרות שפילטרים מודרניים משתמשים בקרמיקה או בסרט קפקאים בלבד) אבק, לחות, והשפלה המחברת יכולים לשנות את התנהגות המסנן.לכן, טלסקופים רדיו רבים משלבים אות כי הוא מוזרק לפני כל תצפית, ומאפשר את התגובה של המסנן ושלב כדי להיות נמדד ותקן בתוכנה.

לבסוף, את ההחלפה בין חדות סינון לבין עיוות שלב יש לנהל בזהירות.פילטרים מסדר גבוה להשיג גליל מהיר אבל להציג עכבות קבוצתיות משמעותיות מעבר לפס המעבר.עבור ספקטרוסקופיה, זה יכול ליצור קו בסיס הטיה שיש להסיר במהלך הפחתת נתונים.כמה observatories מעדיפים מסנן פעיל מסדר נמוך יותר (למשל, 4th) עם מסלול איטי יותר, סריקה דיגיטלית, כדי לספק פילטרים דיגיטליים.

פיתוח עתידי

טכנולוגיית סינון פעילה ממשיכה להתקדם, מונעת על ידי דרישות רוחב פס רחב יותר, כוח נמוך יותר, וגמישות רבה יותר.אחד מבטיח כיוון הוא השימוש במסננים פעילים מעבורת, אשר קובעים תדרי חיתוך באמצעות אות שעון ולא על ידי ערכים מנוגדים.פילטרים אלה יכולים להיות מתוכנתים במיקרו-IIs, המאפשר למקלט לעבור במהירות בין מצבים ללא שינוי פיזי.

חידוש נוסף הוא שילוב של מסננים פעילים ישירות על מעגלים משולבים מיקרוגל מונוליטי (MMICs) אלה מסננים פעילים קומפקטי לפעול בתדרים גבוהים יותר (עד עשרות GHz) וניתן להציב אותם ישירות לאחר LNA, צמצום מספר החיבורים וההפסדים.גליום ניטריד (GaN) ו-סיליקון-germanium (SiGe) הם נחקרים עבור רעש נמוך וגבוה.

עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) הוא יותר ויותר משתלט על משימות סינון אשר טופלו באופן מסורתי על ידי מסננים פעילים אנלוגיים.עם זאת, מסננים דיגיטליים טהורים לא יכולים להחליף את כל המסננים הפעילים האנלוגיים כי הטווח הדינמי של ADC וקצב הדגימה מוגבלים. גישה היברידית - באמצעות מסנן פעיל הזמנה צנוע עבור אנטי-aliasing ופילטר דיגיטלי עבור תקשור - הופך לסטנדרט עתידי.

מסקנה

מסננים פעילים הם אבן הפינה של אסטרונומיה רדיו מודרנית, המאפשרים את החילוץ של לחשים קוסמיים מעולם חזק, מפר את העולם. על ידי מתן רווח, סלקטיבית וגמישות, הם משפרים באופן דרמטי את יחס האות-ל-לא-אין-רעש ומאפשרים לאסטרונומים לחקור עמוק לתוך היקום.ממממעבור פילטרים אנטי-מסלולאריים פשוטים, עוזרים לפילטרים מורכבים לסינון לא-מסוגים מתוחכמות, לסינון, לטכנולוגיות אינטראקטיביות-מחדשות-מחדשניות, להמשיך את היכולת הבין-מחדשת של מערכות מולדות-מחדשניות, כמו גם לסינון-מחדשות-מחדשות-מחדש-מסוגריות-מסוגרות-מחדשות-מסוגליות-מחדשניות-מסוגליות-מחדשניות-מחדשניות-מחדשניות-מחדשות-מחדשות-מחדשות-מחדשות-מחדשות-מחדשות-מחדשניות-מחדשות-מחדשות-מחדשות-מחדשות-מסוגרות-מסוגרות-מסוגיות-מסוגל-מחדשות-מחדשות-מחדשות-מ

(ב) [ה] לקראת יתר על המידה בטכניקות אסטרונומיה, ראה את ההקדמה של ה-FLT:1 [NRAO] לאסטרונומיה רדיו:2 או לחקור את היסודות של FLT 3אקטיביים עיצוב סינון בוויקיפדיה:503:5]