High speed digital synchronized system for antenna array such as Nançay Radioheliograph
Numérisation rapide d'un système synchronisé en sortie d'antennes multi-réparties tel que le Radiohéliographe de Nançay
Résumé
The Nançay Radioheliograph is the only instrument dedicated to the solar corona imaging in the 150-450 MHz frequency band. It operates on the principle of interferometry, using 47 antennas essentially distributed on the east-west (3.2 km) and north-south (2.5 km) axes. This study aims to explore a new technical concept for future radio astronomy, applied to solar interferometer. It deals with the rapid digitization of a synchronized system at the antenna sides. High speed digitization and high accuracy synchronization are the most important aspects for future radio telescopes. They make it possible to simplify radiofrequency reception chains and reduce their power consumption, as well as maintenance costs and complexity. The application to the observation of the sun, however, has some original constraints, such as the great dynamics of the signals, which are not taken into account in the current studies for future radio telescopes. The current radio telescope has an analog receiver with a centralized digitization. The switching time between each frequency (10 frequencies of 1 MHz width) in 150-450 MHz band analyzed introduce latency in solar images processing, also decrease the signal-to-noise ratio. In addition, in metric interferometry, the several lengths of coaxial cables in which the signal is transported from the antennas to the receiver always cause significant errors and fluctuations in the radiofrequency reception chains. Providing full digitization of the band (300 MHz) allows more flexibility in data processing and analyzing (frequency resolution and the ability to observe multiple bands simultaneously). This required high clock accuracy (0.7 ps of jitter) for ADCs clocks (1 GHz clock). Therefore, the main objective of this thesis is to reach a sub-ns global time synchronization of distributed networks such as radio interferometer array as the Nançay Radioheliograph. The technological leap thus induced is a growing challenge in major European and international projects.
Le Radiohéliographe de Nançay est le seul instrument dédié à l'imagerie du soleil en ondes décimétriques-métriques. Il fonctionne sur le principe de l'interférométrie, en utilisant 47 antennes essentiellement réparties sur des axes est-ouest (3,2 km) et nord-sud (2,5 km). Cette étude a pour but d'explorer un nouveau concept de numérisation propre à la radioastronomie du futur, appliquée ici à l'interférométrie solaire. Elle porte sur la numérisation rapide d'un système synchronisé en sortie d'antennes. Ces aspects "numérisation rapide" et "synchronisation" sont d'une importance capitale pour les prochains radiotélescopes du futur. Ils permettent de simplifier les chaînes de réception radiofréquence et de diminuer la consommation électrique ainsi que les coûts d'entretien et de la maintenance. L'application à l'observation du soleil comporte cependant des contraintes originales, comme la grande dynamique des signaux, qui ne sont pas prises en compte actuellement dans les études en cours pour les radiotélescopes du futur. Le radiohéliographe actuel a une chaîne de réception analogique avec une numérisation centralisée. La commutation entre les différentes fréquences dans la bande 150-450~MHz est réalisée d'une façon analogique et temporelle. Ceci nécessite beaucoup de calibrations analogiques et oblige de figer la gamme des fréquences (10 fréquences de largeur 1~MHz). De plus, en interférométrie métrique, les très grandes longueurs de câbles coaxiales sont onéreuses. Les signaux transmis des antennes au récepteur sont toujours sources d'erreurs et des fluctuations importantes réduisent l'information radiofréquence. Toutefois, apporter une numérisation complète de la bande (300~MHz) permet d'avoir de la souplesse dans le traitement et l'analyse des données (résolution fréquentielle et la possibilité d'observer plusieurs bandes simultanément, traitement des parasites). Ceci engendre la nécessité d'avoir une très grande précision des horloges (0,7~ps d'erreur de phase) pour cadencer des ADC (Analog-to-Digital-Converter) large bande (1~GHz d'horloge). L'objectif principal de la thèse est d'étudier la synchronisation pour l'application à un réseau d'antennes multi-réparties. Le saut technologique ainsi induit et les concepts étudiés sont un enjeu grandissant dans les grands projets européens et internationaux.
Domaines
Astrophysique [astro-ph]| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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