Ricevitori a pseudo-correlazione, caratteristiche di...

9 ottobre 2013 Laboratorio di strumentazione spaziale I Lezione 03

Ricevitori a pseudo-correlazione, caratteristiche di rumore

Aniello Mennella

Università degli Studi di MilanoDipartimento di Fisica


L'idea di base del ricevitore a pseudo-correlazione

Cielo

Segnale di riferimento



Cielo


x(t)

y(t)

Un accoppiatore (detto “ibrido”) accoppia i due segnali sfasando di 180° metà di uno dei due segnali



Cielo


Due amplificatori amplificano i segnali risultanti (qui assumiamo che gli amplificatori non introducano sfasamento o che lo sfasamento sia lo stesso per

tutti e due gli amplificatori)



Cielo


y(t)



Cielo


Se g1 = g2 = g si ha che


● L'idea alla base del ricevitore è che sia il segnale del cielo che quello del riferimento vengono amplificati da entrambi gli amplificatori, per cui le fluttuazioni di guadagno saranno correlate sia nel segnale del cielo che nel segnale di riferimento cosi' che nella differenza vengono cancellate



Sensibilità del ricevitore a pseudo-correlazione

● La sensibilità di un ricevitore a pseudo-correlazione è sqrt(2) migliore del ricevitore Dicke switched in quanto il cielo viene continuamente osservato

● Inoltre nel ricevitore a pseudo correlazione non vi sono componenti attivi a monte del primo stadio di amplificazione, ma solo componenti passivi (l'antenna, il trasduttore di ortomodo (OMT) e il primo ibrido, che possono essere realizzati con perdite resistive molto basse

● I ricevitori di WMAP e Planck-LFI sono ricevitori a pseudo-correlazione basati su un design molto simile


Caratteristiche di rumore● Un ricevitore ideale sarebbe caratterizzato da un rumore “bianco” ovvero

con uno spettro piatto (uguale potenza a tutte le frequenze)

Seg

nal

e n

el d

om

inio

del

tem

po


Caratteristiche di rumore● Un ricevitore ideale sarebbe caratterizzato da un rumore “bianco” ovvero

con uno spettro piatto (uguale potenza a tutte le frequenze)

Sp

ettr

o (

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min

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Caratteristiche di rumore● In realtà esiste sempre una componente a bassa frequenza che è il risultato

di fluttuazioni di guadagno correlate. È il cosiddetto rumore 1/f perché la potenza cresce al decrescere della frequenza

Seg

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Caratteristiche di rumore● In realtà esiste sempre una componente a bassa frequenza che è il risultato

di fluttuazioni di guadagno correlate. È il cosiddetto rumore 1/f perché la potenza cresce al decrescere della frequenza

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req

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Frequenza di ginocchio● È la frequenza alla quale i contributi del rumore bianco e del rumore 1/f si

eguagliano.


Frequenza di ginocchio

● La frequenza di ginocchio deve essere la più bassa possibile, idealmente nulla, in realtà inferiore alla frequenza di spin del satellite

● Se allora si può supporre che qualunque variazione del segnale in un singolo cerchio sia determinata dal cielo (a parte il rumore bianco). Eventuali differenze fra un cerchio e il successivo sono degli “offset” che possono facilmente essere riconosciuti e rimossi

● Se è possibile ancora normalizzare l'effetto utilizzando algoritmi di “destriping”


Esempio reale di ricevitore a pseudo-correlazione - Planck-LFI



L'amplificazione del segnale viene divisa in due stadi: uno freddo (per ottimizzare le proprietà di rumore degli amplificatori) ed uno caldo. La divisione è necessaria per non sovraccaricare termicamente la parte fredda dello strumento

A valle del secondo stadio di amplificazione troviamo un filtro, il diodo, un amplificatore DC e l'elettronica di digitalizzazione del segnale (a 14 bit) ed una parte elettronica di trattamento digitale e pacchettizzazione del segnale



● Poiché lo sbilanciamento fra il segnale del cielo (~2.73 K) e quello di riferimento (~4.5 K) non è ottimale, la differenza viene effettuata utilizzando un opportuno fattore di “modulazione di guadagno” (gain modulation factor)

Dove il fattore r viene scelto in modo da azzerare (in media) Pout

, ovvero



Questa immagine mostra che sia utilizzando la differenza diretta che quella con modulazione di guadagno le fluttuazioni 1/f vengono in gran parte rimosse

Utilizzando il parametro di modulazione di guadagno, però, la rimozione è più efficace.


Lo strumento Planck LFI

Back-end – 300 K

50 K

150 K

100 K Thermal interfaces(V-Grooves)

Composite waveguides

LFI focal planeunit (20 K)


Lo strumento Planck LFITelescope

(50 K)

seco

ndar

y m

irror

primary mirror

50 K

150 K100 K V-grooves

Service Module(300 K)

LFI-HFI



Feed horn corrugatoOMT

Front-end module (hibrido – amplificatori – phase switch - ibrido)

Antenne affacciate ai reference load a 4 K

Guide d'onda composite

Back-end module (amplificatore - filtro - diodo)


Esempio reale di ricevitore a pseudo-correlazione - WMAP


Esempio reale di ricevitore a pseudo-correlazione - WMAP

Lo schema dei ricevitori di WMAP è simile a quello di LFI. Le principali differenze sono:

1. Il segnale di riferimento è costituito dal segnale del cielo proveniente da un direzione diversa

2. I phase switch sono posti a valle del secondo stadio di amplificazione (nella parte calda)

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