Імітаційне моделювання цифрового квадратурного приймача сигналів ядерного квадрупольного резонансу

  • A. P. Samila Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича https://orcid.org/0000-0001-8279-9116
  • O. V. Hres Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича http://orcid.org/0000-0002-8465-193X
  • V. B. Rusyn Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича https://orcid.org/0000-0001-6219-1031
  • H. M. Rozorinov Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" https://orcid.org/0000-0002-6095-7539
  • O. H. Arkhiiereieva Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського" http://orcid.org/0000-0002-5729-448X
Ключові слова: імітаційна модель, квадратурне детектування, приймальний тракт, радіозв’язок з програмованими параметрами компонентів, радіоспектрометр, цифрові фільтри, ядерний квадрупольний резонанс, ЯКР

Анотація

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 %.

Біографії авторів

A. P. Samila, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

Саміла А. П., доктор технічних наук, доцент кафедри радіотехніки та інформаційної безпеки

O. V. Hres, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

Гресь О. В., асистент кафедри радіотехніки та інформаційної безпеки

V. B. Rusyn, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

Русин В., кандидат технічних наук, асистент кафедри радіотехніки та інформаційної безпеки

H. M. Rozorinov, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Розорінов Г. М., доктор технічних наук, професор кафедри звукотехніки та реєстрації інформації

O. H. Arkhiiereieva, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Архієрєєва О. Г., аспірант кафедри звукотехніки та реєстрації інформації

Посилання

Перелік посилань

Itozaki Hideo. Nuclear quadrupole resonance for explosive detection / Hideo Itozaki and Go Ota // International journal on smart sensing and intelligent systems. - 2007. - Vol. 1, № 3. - P. 705–715.

Hemnani Preeti. 14N NQR spectrometer for explosive detection: A Review / Preeti Hemnani, Gopal Joshi, A.K. Rajarajan, S.V.G. Ravindranath // IEEE International Conference on Automatic Control and Dynamic Optimization Techniques, Hinjawadi, Pune, India, Sep. - 2016. - pp. 1120–1125.

Butt Naveed R. An Overview of NQR Signal Detection Algorithms / Naveed R. Butt, Erik Gudmundson and Andreas Jakobsson. - Lund: Centre for Mathematical Sciences, Lund University, 2014. - 16p.

Chytil J. Detector for Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy / J. Chytil and R. Kubasek // Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Guangzhou, China, Aug. - 2014. - pp. 1907–1910.

Begus Samo. A miniaturized NQR spectrometer for a multi-channel NQR-based detection device / Samo Begus, Vojko Jazbinsek, Janez Pirnat, Zvonko Trontelj // Journal of Magnetic Resonance. - 2014. - Vol. 247. - pp. 22-30.

Xinwang Z. A low-power compact nuclear quadrupole resonance (NQR) based explosive detection system : Diss. Doctor of Philosophy : El. Eng. / Xinwang Zhang. - Lincoln-Nebraska, 2014. - 205 p.

Apih T. Magnetic Resonance Detection of Explosives and Illicit Materials : NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics / T. Apih, B. Rameev, G. Mozzhukhin, J. Barras, (Eds.). - Springer, 2014. - 168p.

Полiкаровських О. I. Технологiя Software Defined Radio та перспективи її використання / О. I. Полiкаровських, В. Є. Гавронський // Вимiрювальна та обчислювальна технiка в технологiчних процессах. - 2012. - № 1, - C. 165–169.

Хандожко А. Г. Импульсный радиоспектрометр ЯКР с эффективным подавлением переходного процесса / А. Г. Хандожко, В. А. Хандожко, А. П. Самила // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2013. - № 6/12(66). - С. 21-25.

Datasheet of AD9230 12-Bit, 170 MSPS 1.8 V Analog-to-Digital Converter http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9230.pdf

Hotra O. Synthesis of the configuration structure of digital receiver of NQR radiospectrometer / O. Hotra, A. Samila, L. Politansky // Przeglad Elektrotechniczny. - 2018. - Vol. 94, No. 7. - pp. 58–61.

Detlef Reichert. Receiver imperfections and CYCLOPS: An alternative description / Reichert Detlef, Gunter Hempel // Concepts in Magnetic Resonance. Part A. - 2002. - Vol. 14, Issue 2. - pp. 130–139.

Раннев Е.В. Цифровой квадратурный приемник ядерного магнитного резонанс - сигнала низкого разрешения / Е.В. Раннев // Интернет-журнал «Науковедение». - 2014. - № 1. - С. 1–11.

HDL Code Generation for FPGA and ASIC Development. The MathWorks, Inc. - 2017.

References

Itozaki H. and Ota G. (2008) Nuclear quadrupole resonance for explosive detection. International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems, Vol. 1, Iss. 3, pp. 705-715. DOI: 10.21307/ijssis-2017-315

Hemnani P., Joshi G., Rajarajan A. and Ravindranath S. (2016) 14N NQR spectrometer for explosive detection: A review. 2016 International Conference on Automatic Control and Dynamic Optimization Techniques (ICACDOT). DOI: 10.1109/icacdot.2016.7877761

Butt N.R., Gudmundson E. and Jakobsson A. (2014) An Overview of NQR Signal Detection Algorithms. NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics, pp. 19-33. DOI: 10.1007/978-94-007-7265-6_2

Chytil J. and Kubasek R. (2014) Detector for Nuclear Quadrupole Resonance Spectroscopy. Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Guangzhou, China, pp. 1907-1910.

Beguš S., Jazbinšek V., Pirnat J. and Trontelj Z. (2014) A miniaturized NQR spectrometer for a multi-channel NQR-based detection device. Journal of Magnetic Resonance, Vol. 247, , pp. 22-30. DOI: 10.1016/j.jmr.2014.08.002

Zhang X. (2014) A low-power compact nuclear quadrupole resonance (NQR) based explosive detection system , Diss. Doctor of Philosophy : El. Eng., Lincoln-Nebraska, 205 p.

Apih T., Rameev B., Mozzhukhin G. and Barras J. (2014) Magnetic Resonance Detection of Explosives and Illicit Materials : NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics, Springer, 168 p. DOI: 10.1007/978-94-007-7265-6

Polikarovskykh O. I. and Havronskyi V. Ie. (2012) Tekhnolohiia Software Defined Radio ta perspektyvy yii vykorystannia. Vymiriuvalna ta obchysliuvalna tekhnika v tekhnolohichnykh protsessakh, No. 1, pp. 165-169.

Handozhko A. G., Handozhko V. A. and Samila A. P. (2013) Impulsnyiy radiospektrometr YaKR s effektivnyim podavleniem perehodnogo protsessa. Vostochno-Evropeyskiy Zhurnal Peredovyih Tehnologiy, No. 6/12(66), pp. 21-25.

AD9230 12-Bit, 170 MSPS 1.8 V Analog-to-Digital Converter. http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD9230.pdf

Hotra O. (2018) Synthesis of the configuration structure of digital receiver of NQR radiospectrometer. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, Vol. 1, Iss. 7, pp. 60-63. DOI: 10.15199/48.2018.07.14

Reichert D. and Hempel G. (2002) Receiver imperfections and CYCLOPS: An alternative description. Concepts in Magnetic Resonance, Vol. 14, Iss. 2, pp. 130-139. DOI: 10.1002/cmr.10004

Rannev E. (2014) Tsyfrovoi kvadraturnyii pryemnyk yadernoho mahnytnoho rezonans - syhnala nyzkoho razreshenyia. Naukovedenye, No. 1, pp. 1-11.

HDL Code Generation for FPGA and ASIC Development. The MathWorks, Inc..

Опубліковано
2019-03-30
Як цитувати
Samila, A. P., Hres, O. V., Rusyn, V. B., Rozorinov, H. M. і Arkhiiereieva, O. H. (2019) «Імітаційне моделювання цифрового квадратурного приймача сигналів ядерного квадрупольного резонансу», Вісник НТУУ "КПІ". Серія Радіотехніка, Радіоапаратобудування, 0(76), с. 37-43. доступний у: http://radap.kpi.ua/radiotechnique/article/view/1528 (дата звернення: 18Жовтень2019).
Номер
Розділ
Теорія та практика радіовимірювань