Современная электроника №7/2019

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 62 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2019 Анализатор спектра поля атмосфериков на реконфигурируемых ПАИС Anadigm В статье приводится описание практического применения совместно используемых реконфигурируемых ПАИС Anadigm и PIC-микроконтроллера в геофизической аппаратуре. На примерах экспериментально полученных данных показаны возможности использования анализатора спектра поля атмосфериков (АСПА) для изучения свойств волновода Земля – ионосфера. Алексей Галахов (galex@pgia.ru) , Валентин Косолапенко, Алексей Ларченко, Сергей Пильгаев (г. Апатиты, Мурманская обл.) В ВЕДЕНИЕ Изучениефизикиатмосферыактуально ивнашидни [1], посколькувсегдаимеет- сяпотребностьвкорректировкефизиче- скоймоделиионосферыспомощьюопе- ративнополучаемыхэкспериментальных данных. Обычнаямодель ионосферыне может охватить и предсказать всех фак- торов, влияющих на состояние плазмы, интенсивностьрентгеновскогоиультра- фиолетовогоизлученияСолнца, уровень галактических космических лучей [2]. Использование низкочастотных элек- тромагнитных колебаний– атмосфери- ков как инструмента изучения физики ионосферыи условийраспространения радиоволнобъясняетсяналичиему них непрерывного спектраизлученияи спо- собностьюраспространятьсявволноводе Земля-ионосферанабольшиерасстояния с малым коэффициентом затухания [3]. Атмосферик – это электромагнитный импульс, формируемый спектромизлу- чаемых молнией волн, на достаточно большомот неё расстоянии. Поле атмос- фериков представляет собойрезультиру- ющее электромагнитное поле, создавае- мое группой атмосфериков. Известно, что спектры атмосфериков несут информацию как о работе мол- ниевых источников, так и о трассе рас- пространения сигнала [3, 4]. При этом на амплитудно-частотные характеристики атмосфериков основное влияние оказы- вают стенки волновода, главным обра- зом, D -слой ионосферы [5], который характеризуются своей изменчивостью в зависимости от гелиогеофизических факторов, таких как интенсивность рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца, уровень галактиче- ских космических лучей [2]. Вобластирасстояний1000…2000 кмот источника разряда в волноводе Земля – ионосфера возбуждается спектр волн, который имеет интерференционный характер, обусловленный суперпози- цией прямой (поверхностной) волны, распространяющейся вдоль поверхно- сти Земли, и волн, отражённых от ниж- него слоя ионосферы [4]. Если для поверхностных волн усло- вия распространения более менее устойчивы, так как волновод не имеет границ в продольном направлении, то пространственные волны возника- ют только из-за отражений от грани- цы неоднородных слоёв ионосферы и проявляются в том случае, если часто- та колебаний выше критической часто- ты волновода F > F кр . Критической часто- той волновода называется наименьшая частота, при которой при модовой тео- рии возможно распространение сигна- ла с модой n ≥ 1 ( n =1, 2 и т. д.) [4]. Ф УНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА АСПА Вотличие от известных способов полу- чения АЧХ атмосфериков [3], таких как регистрация волновой формы в широ- кой полосе частот с последующей циф- ровой обработкой или непосредствен- ное измерение амплитудного спектра с помощью узкополосных фильтров, в лабораторииатмосферыАрктикиПоляр- ного геофизическогоинститута в 2014 г. былразработананализатор спектра поля атмосфериков (АСПА), который прово- дит спектральный анализ не отдельных атмосфериков, а их суммарного поля, усредненного за время анализа спектра. Анализатор спектра поля атмосфе- риков (АСПА), функциональная схе- ма которого представлена на рисун- ке 1, построен на основе ПАИС Anadigm FPAA1,2 (AN221E04) имикроконтроллера PIC18F452. Использование данных про- граммируемыхмикросхемдаёт возмож- ностьиспользоватьрежимдинамической реконфигурации ПАИС, что позволяет полностьюиличастичноменятьпринци- пиальнуюсхемуработающегоустройства в реальном времени. Целесообразность примененияПАИСAnadigmдля создания измерительной геофизической аппара- турыобусловленоеё высокимитехниче- скими характеристиками [6, 7]: ● низкий уровень собственных шумов ( U сш =0,13 мкВ/ ), достигнутый за счёт того, что внутренняя структура микросхем выполнена по дифферен- циальной схеме; ● высокая точность обработки анало- гового сигнала (погрешность уста- новки параметров фильтров не ху- же 1%), которая обусловлена тем, что в отличие от цифровых систем, где сигнал дискретен по времени и кван- тован по уровню, в дискретно-анало- говых системах, к которым относит- ся ПАИС, сигнал дискретен только по времени; ● наличие на входах ПАИС anti-aliasing фильтров (ФНЧ), построенных на дискретных элементах, для устра- нения паразитного эффекта нало- жения спектра; ● возможность проведения динамиче- ской реконфигурации аналоговых блоков ПАИС в реальном времени; ● условия эксплуатации: –40…+40°С. А ЛГОРИТМ РАБОТЫ АСПА В качестве входного сигнала АСПА используется выходной сигнал приём- никаОНЧ-диапазона (400–7500 Гц), где в качестве антенны применена рамоч- ная антенна, включённая по схеме с сим- метричным входом в режиме преобразо- вателя тока в напряжение [9]. Алгоритм работы АСПА включает в себя выпол- нение следующих основных функций. 1. Непрерывный последовательный спектральный анализ входного сигна- ла . Последовательный анализатор спек- тра состоит из преселектора (FPAA1), который формирует частотную поло- су входного сигнала Δ F = 600–7500 Гц, и селектор (FPAA2), включающий в себя перестраиваемый по частоте фильтр (CF) и детектор (D2). Значения резонансных частот пере- страиваемого фильтра CF выбраны рав-