Simulation modeling of the digital quadrature receiver of the nuclear quadrupole resonance signals
Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування.
Переглянути архів Інформація| Поле | Співвідношення | |
| Title |
Simulation modeling of the digital quadrature receiver of the nuclear quadrupole resonance signals
Имитационное моделирование цифрового квадратурного приемника сигналов ядерного квадрупольного резонанса Імітаційне моделювання цифрового квадратурного приймача сигналів ядерного квадрупольного резонансу |
|
| Creator |
Samila, A. P.
Hres, O. V. Rusyn, V. B. Rozorinov, H. M. Arkhiiereieva, O. H. |
|
| Description |
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, основанные на действии мощных радиочастотных импульсов возбуждения на исследуемый образец с последующим применением быстрого преобразования Фурье сигналов спада свободной индукции (СВИ) для получения резонансных спектров, позволяет сделать вывод, что в большинстве случаев детектирование обеспечивается переносом резонансного спектра в диапазон низких частот. При обнаружении сигналов СВИ 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 радиосвязи с программируемыми параметрами компонентов (РДПК) и принципа прямой оцифровки сигнала - Digital Down-Converter (DDC), что позволило существенно уменьшить число каскадов аналогового тракта. Цифровая обработка сигнала СВИ происходит в два этапа. Первый этап предусматривает снижение на порядок частоты дискретизации сигналов, полученных с выходов умножителей, второй - фильтрацию компонент высших порядков. Проведен синтез децимуючих 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 РДПК приемника интегрировано алгоритм на основе принципа чотириетапних фазовых циклов CYCLOPS, что обеспечивает уменьшение квадратурных отражений до 1 %. Розроблення надійних методів дистанційного виявлення малих концентрацій резонуючих ядер є на даний час актуальною задачею, вирішення якої потребує розв’язку менш об’ємних конкретних задач, зокрема із залученням спектроскопії ядерного квадрупольного резонансу (ЯКР). Аналіз інваріантності методів спостереження ЯКР, які ґрунтуються на дії потужних радіочастотних імпульсів збудження на досліджуваний зразок із послідуючим застосуванням швидкого перетворення Фур’є сигналів спаду вільної індукції (СВІ) для отримання резонансних спектрів, дозволяє зробити висновок, що у більшості випадків детектування забезпечується перенесенням резонансного спектру в діапазон низьких частот. При виявленні сигналів СВІ виникають деякі труднощі, пов’язані із застосуванням квадратурного детектування. Однією із ключових проблем при цьому є підвищення чутливості вхідного пристрою та приймального тракту радіоспектрометра. Розроблено структуру цифрового квадратурного приймача сигналів ЯКР на основі технології радіозв’язку з програмованими параметрами компонентів (РППК) та принципу прямого оцифровування сигналу – Digital Down-Converter (DDC), що уможливило суттєве зменшення числа каскадів аналогового тракту. Цифрове оброблення сигналу СВІ відбувається у два етапи. Перший етап передбачає зниження на порядок частоти дискретизації сигналів, отриманих з виходів помножувачів, другий – фільтрацію компонент вищих порядків. Проведено синтез децимуючих та компенсаційних фільтрів радіоприймального тракту, частотні характеристики яких отримані шляхом розрахунку коефіцієнтів в MATLAB FDATool. Шляхом імітаційного MATLAB Simulink моделювання сигнальних перетворень в запропонованому приймальному тракті, встановлено, що застосування прямого оцифровування сигналу спаду вільної індукції дозволило істотно скоротити довжину аналогової частини приймача, а отже, зменшити до -100 дБ рівень шумів та позасмугових спектральних складових в діапазоні частот від 1 МГц до 50 МГц. В імітаційну модель РППК приймача інтегровано алгоритм на основі принципу чотириетапних фазових циклів CYCLOPS, що забезпечує зменшення квадратурних відбивань до 1 %. |
|
| Publisher |
National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
|
|
| Date |
2019-03-30
|
|
| Type |
info:eu-repo/semantics/article
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
|
| Format |
application/pdf
|
|
| Identifier |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1528
|
|
| Source |
Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia; No 76 (2019); 37-43
Вестник НТУУ "КПИ". Серия Радиотехника, Радиоаппаратостроение; № 76 (2019); 37-43 Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування; № 76 (2019); 37-43 2310-0389 2310-0397 |
|
| Language |
ukr
|
|
| Relation |
//radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1528/1399
|
|
| Rights |
Авторське право (c) 2019 Саміла, Андрій
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |
|