CC BY
55
РАДИОФИЗИКА
УДК 536.587
В. С. Гречишкин, А. А. Шпилевой, А. А. Персичкин
СИСТЕМА ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ МЕТОДА ДВОЙНОГО ЯДЕРНОГО КВАДРУПОЛЬНОГО РЕЗОНАНСА
Предложен метод, позволяющий расширить возможности двойного ядерного квадрупольного резонанса за счет комплекса мер, использующих нелинейные процессы в бистабильных электронных цепях, аддитивное сложение выходных сигналов и оптимизацию способов их дополнительной обработки. Для реализации метода разработана универсальная система приема-обработки сигналов двойного резонанса, включающая необходимые аппаратные и программные средства.
The method, that provide the development of double nuclear quad-rupole resonance abilities is proposed. This method based of nonlinear processes in the bistable circuits, the output signals addition and the optimization of definitive transformation. The special receive-proc-essing system for it realization is elaborated. It consist of instrumental and program parts.
Точность измерения спектральных характеристик ядер легких изотопов в поликристаллических соединениях с помощью ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР), в том числе и косвенными методами [1], в значительной степени определяется чувствительностью устройств, обеспечивающих регистрацию квадрупольного сигнала. Величина фазовой ошибки в общем случае характеризуется отношением сигнал / шум (п), и при малых значениях этой величины (r¡ < 0,5) наблюдается быстрое ухудшение работы синхронного или квадратурного детектора, а начинающиеся срывы синхронизма являются причиной возникновения импульсного шума. Если фаза опорного напряжения стабильна и поддерживается синтезатором, то фаза сигнала с шумом по мере уменьшения приобретает ошибку, что резко ухудшает процесс накопления. Сложности с выделением слабых сигналов возникают также ввиду дисперсии сигнала под шумом D, что приводит к уширению линий спектра и их сдвигу в область низких частот. Теоретическое обоснование наличия дисперсии следует из решения уравнения Фоккера — Планка — Колмогорова. Вместе с тем экспериментальные результаты свидетельствуют о явной зависимости чувствительности приемного тракта спектрометра (в частности, зависимости величины отношений сигнал / шум на его выходе и входе соответственно) от характеристик шума, поступающего на его вход. Например, при «белом» шуме и его линейных производных («розовый» и т. д.), для любых вариаций пара-
Вестник РГУ им. И. Канта. 2008. Вып. 4. Физико-математические науки. С. 47 — 50.
В. С. Гречишкин, А. А. Шпилевой, А. А. Персичкин
48
метров значение отношения сигнал / шум п = / ВЫЯ1п всегда
меньше единицы. Для шума, содержащего импульсные компоненты, возможна ситуация, когда ц > 1.
По нашему мнению, такие результаты объясняются режимом стохастического резонанса [2] в приемной электронной цепи. Как известно, подобный эффект присущ практически всем системам, обладающим пороговыми свойствами [3]. В данном случае одним из условий его проявления служит наличие в цепи нелинейного бистабильного элемента [4; 5], в качестве которого может служить, в частности, триггер Шмитта [6]. При наличии на выходе нелинейной цепи импульсного шума, подчиняющегося распределению Пуассона и длительности импульсов в, результирующее отношение сигнал/шум для гармонического сигнала равно:
Р8 = 16-п-в-/02-Д2 • В2
=
Р
N
- ехр
20
(1)
Полученное выражение качественно определяет наличие эффекта стохастического резонанса в аналогичных триггеру Шмитта бистабильных системах. Графически результат выражения (1) представлен на рис. 1.
Рис. 1. Графическое представление зависимости отношения г|, определяемого выражением (1), от дисперсии и величины порога срабатывания системы Д
Как показали наши предыдущие исследования [6], имеется возможность улучшения условий приема слабых периодических сигналов, смешанных с шумами, за счет эффекта стохастического резонанса в результате сложения сигналов, образованных самой бистабильной цепью, а также путем оптимизации средств их дальнейшей обработки. Все три направления следует рассматривать как составляющие одного метода, нацеленного на увеличение отношения сигнал / шум в радиоэлектронных системах. Обобщенно можно назвать его методом стохастического усиления. У такого метода в принципе нет ограничений по частоте. Требуется только иметь в спектре иссле-
дуемого сигнала некоторый запас по шумовой полосе для того, чтобы обеспечить условия стохастического резонанса.
Особенности конкретной реализации метода определяются спецификой решаемых задач. При обнаружении слабых радиочастотных сигналов, характерных для дистанционного наблюдения, необходим высокий коэффициент передачи приемного тракта, следовательно, в стохастический усилитель необходимо ввести схему подстройки порога срабатывания, при котором будет обеспечиваться режим максимального усиления. В случае косвенных методик [1] должно с максимальной точностью определяться отношение п для сигнала ядерной индукции при частотном прохождении ЯКР-спектра. Соответственно порог срабатывания бистабильного элемента задается постоянным во всем диапазоне значений, соответствующих эффекту стохастического усиления.
Исходя из этого предлагается использовать систему приема и обработки сигналов ЯМР-релаксометра для метода двойного ядерного квадрупольного резонанса, состоящую из двух функциональных частей: программной и аппаратной.
В программную часть входят:
• генератор импульсов и интервалов блока управления измерительным комплексом;
• модуль обработки сигналов с аналогово-цифровым преобразованием;
• функциональная часть, реализующая эффект стохастического усиления и спектрального анализа корреляционным методом;
• система усреднения спектров квадратурных сигналов;
• средства визуализации полученных результатов.
Предлагаемая часть собрана на основе готовых технических средств
обработки и преобразования сигналов, с использованием среды компьютерного моделирования МаАаЪ 7.0.1, обеспечивающей возможность доступа к портам персонального компьютера с МТ-подобной операционной системой.
Структура аппаратной части узла представлена на рисунке 2.~~
ПШІЇР4С »6рэгш
Рис. 2. Структурная схема аппаратной части узла приема и обработки сигналов
50
В. С. Гречишкин, А. А. Шпилевой, А. А. Персичкин
В нее вошли следующие функциональные компоненты: 1 — генератор гармонических сигналов с частой Fs + £ где Fs — частота резонанса ЯМР протонов (в нашем случае 20 МГц), f — частотный сдвиг (единицы килогерц); 2 — фазовращатель квадратурного детектора; 3, 4 — балансные смесители; 5, 6 — фильтры НЧ с частотой среза 30 кГц; персональный компьютер; блок управления спектрометром (БУС).
В качестве АЦП, учитывая характерную ширину спектральной линии ЯМР < единиц килогерц, используется звуковая карта компьютера, два канала которой использованы для ввода сигналов квадратурного детектора. Полосы шума 10 кГц при этом достаточно для реализации стохастического усиления.
Использованный в конструкции фазовращатель рассчитан на волновые сопротивления по входу и выходу 50 Ом, для согласования которых и устранения влияния друг на друга применен гибридный разветвитель. Такая конструкция обеспечивает широкую полосу частот, ограниченную только рабочими параметрами используемых ферритов.
В качестве фазоинвертора служит четвертьволновая коаксиальная линия задержки, обеспечивающая 90-градусный сдвиг фазы. Аналогичные конструкции характеризуются высокой надежностью, стабильностью к внешним факторам и возможностью перестройки, в случае изменения рабочей частоты ЯМР-тракта спектрометра. Квадратурные смесители, подключенные к выходу малошумящего усилителя, собраны на имеющейся элементной базе.
Описанная система приема-обработки сигналов предназначается для использования в экспериментах по чувствительной регистрации сигналов ЯКР легких ядер с целочисленными спинами косвенным резонансным методом.
Список литературы
1. Гречишкин В. С., Шпилевой А. А. // Изв. вузов. Физика. 1997. № 10. С. 121.
2. Neman A., Shimansk-Geler L., Moss F. // Phys. Rev. 1997. E 57, R 9. P. 256.
3. Анищенко В. С., Постнов Д. Э. // Радиотехника и электроника. 1994. Вып. 12.
С. 2004.
4. Камилов И. К., Алиев К. М. и др. // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. В. 4. С. 25—32.
5. Карташов В. М., Котов А. Ф. и др. // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. В. 5. С. 67—
75.
6. Персичкин А. А., Шпилевой А. А. // Вестник РГУ им. И. Канта. 2007. № 3.
С. 64 — 67.
Об авторах
В. С. Гречишкин — д-р физ.-мат. наук, проф., засл. деятель науки РФ, РГУ им. И. Канта, [email protected].
А. А. Шпилевой — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта А. А. Персичкин — асп., РГУ им. И. Канта, [email protected].
