Комплект USRP N210 включает в себя следующие компоненты: USRP N210, 2 RF кабеля SMA-Bulkhead, Ethernet-кабель и источник питания.
USRP N210 представляет собой усовершенствованную модель USRP N200, обладающую более мощной FPGA. Это дает возможность пользователям переносить дополнительную функциональность на FPGA, что увеличивает максимальную пропускную способность до 100 МС/с в обоих направлениях и потенциально улучшает задержку обработки.
USRP N210 обеспечивает большую скорость передачи данных и улучшенную динамическую обработку.
Это устройство предназначено для коммуникационных приложений, требующих быстрого развития. Оно оснащено FPGA Xilinx® Spartan® 3A-DSP 3400, двухканальным АЦП со скоростью дискретизации 100 МС/с, двухканальным ЦАП со скоростью дискретизации 400 МС/с, а также гигабитным Ethernet для потоковой передачи данных к хост-процессору. USRP N210 может работать в диапазоне от постоянного тока до 6 ГГц и поддерживает синхронизацию и использование нескольких устройств USRP N210 в конфигурации MIMO через расширительный порт. Для синхронизации с использованием стандарта GPS можно использовать дополнительный модуль GPSDO с точностью до 0,01 ppm. USRP N210 может передавать и принимать данные со скоростью до 50 МС/с. Пользователи могут реализовывать пользовательские функции как в FPGA, так и встроенном 32-разрядном RISC-ядре. Устройство предоставляет более большую FPGA по сравнению с USRP N200, что позволяет использовать дополнительные логические элементы, память и ресурсы DSP. FPGA также обеспечивает возможность обработки данных до 100 МС/с в обоих направлениях. Прошивка FPGA может быть обновлена через интерфейс гигабитного Ethernet.
Принцип функционирования USRP N210 заключается в обработке данных с высокой скоростью передачи и расширенным динамическим диапазоном. Для этого устройство оснащено FPGA Xilinx Spartan 3A-DSP 3400, который является центральным процессором. Внутри USRP N210 имеются два модуля АЦП для приема сигналов и два модуля ЦАП для их передачи. Подключение USRP N210 к хост-процессору осуществляется через гигабитный Ethernet, и скорость передачи данных с хост-приложений может достигать 50 МС/с. Благодаря модульному дизайну, устройство может работать с частотами от постоянного тока до 6 ГГц. Отдельный модуль GPSDO обеспечивает точность времени на уровне 0,01 ppm с использованием информации от спутников GPS. Большая FPGA в USRP N210 дает возможность настройки устройства и реализации собственных функций. Платой также предусмотрено встроенное 32-разрядное RISC-ядро для задач обработки сигналов. Обновление прошивки FPGA может быть осуществлено через гигабитный Ethernet для улучшения функциональности и оптимизации работы устройства. Способность к обработке сигналов до 100 МС/с в обоих направлениях (передача и прием) говорит о высокой производительности и эффективности USRP N210.
USRP N210 представляет собой наиболее производительный тип оборудования в семействе продуктов USRP (Universal Software Radio Peripheral) от Ettus Research™. Оно позволяет инженерам быстро разрабатывать и внедрять мощные и гибкие системы программного радио. Аппаратное обеспечение N210 идеально подходит для задач, требующих высокой производительности в радиочастотной области и большой пропускной способности. Такие задачи включают прототипирование физического уровня, динамический доступ к спектру и когнитивное радио, мониторинг спектра, запись и воспроизведение сигналов, а также развертывание сетевых датчиков. Продукты серии Networked предоставляют возможность MIMO с высокой полосой пропускания и динамическим диапазоном. Интерфейс Gigabit Ethernet служит связующим звеном между N210 и хозяйским компьютером. Это позволяет пользователям работать с реальной пропускной способностью до 50 МБ/с в обоих направлениях одновременно (полнодуплексный режим).
USRP N210 обладает высокой скоростью передачи данных и широким динамическим диапазоном обработки.
Это устройство предназначено для требовательных коммуникационных приложений, которым необходимо быстрое развитие. В его архитектуре присутствует FPGA Xilinx® Spartan® 3A-DSP 3400, двухканальный АЦП с частотой дискретизации 100 МС/с, двухканальный ЦАП с частотой дискретизации 400 МС/с и возможность передачи данных через гигабитное Ethernet к микропроцессору хоста. Модульный дизайн позволяет USRP N210 работать в диапазоне частот от постоянного тока до 6 ГГц, а также использовать несколько устройств серии USRP N210 через расширительный порт для синхронизации в конфигурации MIMO.
USRP N210 имеет возможность передавать и принимать данные с хост-приложениями со скоростью до 50 МБ/с. Пользователи могут реализовывать свои функции в FPGA или встроенном 32-разрядном мягком ядре RISC. FPGA также способна обрабатывать сигналы до 100 МБ/с в обоих направлениях (передача и прием). Прошивка FPGA может быть обновлена через гигабитный Ethernet интерфейс.
Каждое устройство серии Networked имеет разъем MIMO, расположенный на передней панели. Для создания конфигурации 2x2 MIMO можно соединить две единицы серии Networked с использованием опционального кабеля MIMO. Кроме того, можно использовать внешний вход PPS и вход для эталонного сигнала для создания больших многоканальных систем. Для всех продуктов Ettus Research доступен программный драйвер USRP Hardware Driver™. Драйвер USRP Hardware работает на операционных системах Linux®, Mac OSX® и Windows®.
Все товары Ettus, доступные через Digilent, поставляются с базовой гарантией от Ettus.
Аннотация
В GSI SIS18 разработан и введен в эксплуатацию генератор сигналов для поперечного возбуждения пучков заряженных частиц. При этом использован новый подход с применением программно-определяемой радиосистемы и экосистемы GNU Radio с открытым исходным кодом. Это позволяет создать недорогую и в то же время очень гибкую установку для создания настраиваемых и регулируемых спектров возбуждения. Благодаря открытому исходному коду она обладает потенциалом долгосрочной поддерживаемости и интегрируемости в среду ускорителя. Кроме того, это открывает возможность легкого обмена алгоритмами генерации волновых форм между ускорителями.
В качестве первого применения прибор используется для управления когерентностью и амплитудой поперечных колебаний путем экс-цитации вблизи боковых полос бетатрона. Это позволяет измерять такие параметры пучка, как отстройка и цветность. В более отдаленной перспективе он будет использоваться для решения более сложных задач, таких как формирование, экстракция пучка и автоматическое сканирование параметров этих сложных процессов.
ПРОГРАММНО-ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ РАДИОСТАНЦИИ
Программно-определяемое радио (SDR) - это технология радиочастотных приемопередатчиков, в которых обработка сигнала реализуется программно. Она широко используется в системах радиосвязи, но имеет потенциальные возможности применения во многих областях. Как правило, SDR состоит из фронтальной части с АЦП и ЦАП и тыловой части, выполняющей цифровую обработку сигнала (ЦОС). В данном случае для генерации радиосигналов использовалась универсальная программная радиопериферия (USRP). Для реализации ЦОС был выбран фреймворк GNU Radio [1] с открытым исходным кодом, который позволяет графически оформлять блок-схемы обработки сигналов. Большая гибкость и низкая стоимость модификации делают устройство естественным выбором не только для создания прототипов [2], но и для экспериментов и регулярного использования в среде ускорителя. Общей проблемой ЦОС является неизбежная задержка обработки. Однако, как будет показано в данном материале, современные компьютерные технологии и активное управление потоком данных позволяют преодолеть это препятствие.
НОВЫЙ ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ
ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПУЧКА
Для поперечного возбуждения обычно требуется два независимых сигнала для горизонтальной и вертикальной плоскости, которые связаны с изменением частоты вращения ускоряемого пучка. Кроме того, должна быть предусмотрена возможность запуска сигнала с помощью триггера. На рис. 1 показан принцип работы генератора сигналов, удовлетворяющего этим требованиям. УСРП оцифровывает опорный сигнал частоты оборотов (синусоидальный с частотой ????rev) и получает триггер (TTL-импульс) через входы/выходы общего назначения (GPIO). Потоковая передача данных через Gigabit Ethernet осуществляется на промышленный ПК, где GNU Radio выполняет ЦОС. Сформированные сигналы поступают обратно в USRP и подаются на два радиочастотных порта.
Мы используем модель N210 и низкочастотные дочерние платы с параметрами, приведенными в табл. 1. ЦАПы обеспечивают частоту дискретизации до 400 МС/с. Однако на практике это ограничено скоростью обработки данных порядка 10 МС/с, что позволяет обрабатывать и генерировать частоты до 5 МГц.
Таблица 1: Технические характеристики USRP N210
Минимизация задержки сигнала
Сложность использования SDR в приложениях, требующих обратной связи и триггера, заключается в том, чтобы добиться низкой задержки обработки сигнала. Граф потока GNU Radio состоит из блоков, выполняющих дискретные операции над потоком данных сигнала. Данные обрабатываются кусками и буферизуются между этими блоками, что повышает эффективность, но вносит искусственную задержку. Хотя GNU Radio способна оптимизировать использование буфера и обработку данных, чтобы найти компромисс [3], она требует времени установления и не является оптимальной, если важна минимальная задержка обработки. В нашем приложении данные поступают от АЦП к ЦАП, которые имеют фиксированную частоту дискретизации. Пока первая выборка данных не будет обработана GNU Radio и передана обратно в USRP, в буфере ЦАП не хватает выборок, и он не может выработки сигнала (недовыбор). В то время как средняя скорость обработки устанавливается в соответствии с частотой дискретизации, скачки времени обработки могут привести к дальнейшему недовыходу. При каждом таком скачке увеличивается объем буферизуемых выборок, который, умноженный на частоту дискретизации, определяет задержку сигнала. Поскольку выборки никогда не отбрасываются, их количество никогда не уменьшается, и задержка может быстро накопиться до нескольких 100 мс без принятия мер по ее устранению.
Для уменьшения задержки сигнала были предприняты две меры: Во-первых, было улучшено общее время обработки графа потока GNU Radio за счет включения планирования в реальном времени, генерации базовых сигналов с пониженной частотой дискретизации, установки максимального размера буфера и снижения общей сложности графа потока.
Во-вторых, триггерный режим работы позволил реализовать активное управление потоком с помощью нового блока out-of-tree (OOT) [4]. Будучи последним блоком в цепочке обработки сигнала, он может безопасно отбрасывать поступающие выборки в ожидании триггера. Таким образом, буферы опустошаются, а количество буферизованных выборок, а значит, и задержка сигнала, сокращается до минимума. После срабатывания триггера поступающие выборки передаются в USRP. Для уменьшения нехватки времени, связанной со скачками времени обработки, перед фактическим потоком данных вставляется детерминированное количество выборок (1 мс). Кроме того, используется режим пакетной передачи USRP путем добавления в поток данных соответствующих меток начала и окончания пакета.
На рис. 2 показано, как за счет реализации этих мер задержка сигнала между входом и выходом USRP сократилась примерно до 2 мс. Без модификации изображения ПЛИС уровень триггера может только опрашиваться, что вносит наблюдаемый джиттер, соответствующий частоте опроса 1 кГц. Как видно из сравнения задержек сигнала в начале и через 5 с, нарастание и накопление задержек, вызванное недобегом, успешно снижается. Также не было зафиксировано ни одного превышения, зафиксированного USRP. Оставшаяся задержка достаточна для применения, как описано в следующем разделе, но ожидается, что она будет улучшена при использовании более новой модели USRP с поддержкой ЦОС непосредственно на ПЛИС.
Рисунок 2. Результаты бенчмаркинга генерации триггерного сигнала с обратной связью на промышленном компьютере (процессор 2,1 ГГц, 8 ядер, 32 ГБ ОЗУ), на котором запущен наш потоковый граф GNU Radio со скоростью 10 MS/s. Бокс-диаграммы и оценки плотности ядра основаны на 7428 событиях, полученных в течение примерно 20 часов.
Блок-схема для синтеза сигналов
Для формирования сигналов возбуждения было реализовано несколько потоковых диаграмм GNU Radio. Сигнал возбуждения требуемого типа и полосы пропускания формируется в базовой полосе частот на пониженной частоте дискретизации (рис. 3). Реализованы три основных типа сигналов (рис. 4): двоичная последовательность, случайным образом перелистывающаяся в диапазоне ±1, что дает случайную двоичную фазосдвигающую модуляцию (RBPSK); однородный белый шум с полосовой фильтрацией; синусоидальная частотная модуляция (chirp). Базовый сигнал дискретизируется и сдвигается по частоте до нужных боковых полос на частоте переворота. Последняя определяется из подаваемого опорного ВЧ-сигнала с помощью фазовращателя (PLL) для отслеживания темпа изменения частоты при разгоне, либо может быть задана оператором вручную (рис. 5). Поскольку полоса возбуждения Δ постоянна, относительная ширина при ускорении уменьшается, а значит, увеличивается спектральная плотность мощности. Это компенсирует увеличение жесткости балки.
ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОНАЛЬНОСТИ И
ИЗМЕРЕНИЯ ЦВЕТНОСТИ
Для измерения настройки бетатрона с помощью мониторов положения пучка (МПП) необходимо установить когерентность колебаний бетатрона с помощью поперечного возбуждения [5] на частоте бетатрона. На рис. 5 показан график потока возбуждения для этой цели, который поддерживает возбуждение вблизи двух различных боковых полос бетатрона на частоте с оборотом
Рисунок 3: Графики потоков GNU Radio для сигналов базовой полосы.
Рисунок 4: Частотные спектры сигналов базовой полосы.
Рисунок 5. Блок-схема GNU Radio для возбуждения бетатронных колебаний в обеих плоскостях. Частота колебаний восстанавливается из сигнала на ВЧ-входе 1, а базовый сигнал сдвигается по частоте на соответствующие боковые полосы, соответствующие мелодиям. Выделенный пользовательский блок OOT используется для запуска и подачи сигналов на ВЧ-выходы.
Рисунок 6: Интерфейс управления измерениями настроек.
гармоника ℎ и настройка.. В отсутствие связи с соответствуют горизонтальной и вертикальной наводкам; но можно также возбуждать одну плоскость на двух разных частотах, задавая ненулевые уровни перекрестных сигналов. Интерфейс оператора, построенный с помощью GNU Radio для запуска потоковой диаграммы и настройки параметров возбуждения, изображен на рис. 6.
Для каждой плоскости сформированный сигнал возбуждения делится делителем на 180° на два сигнала противоположной полярности, каждый из которых усиливается ВЧ-усилителем мощностью 50 Вт и передается на стриплайн [6], E- и B-поля которого отклоняют луч, причем их вклады имеют одинаковый порядок величины.
Магнитная и электрическая жесткости пучка, Δ - напряжение между электродами, 37 см - длина электродов,
07 Измерения параметров машины
Для фактического измерения тональности станка положение луча на повороте регистрируется с помощью емкостных датчиков типа "коробка с обувью" и сигнальных процессоров Libera Hadron [7]. Затем с помощью Фурье-анализа находятся собственные частоты поперечного движения, нормированные на частоту оборотов, в интервале 0 < rev < 0,5, где наблюдается резонансный пик перестройки. Дробные перестройки при х > 0,5 видны на уровне 1 - х из-за алиасинга. Аналогичным образом, перестройка может быть измерена как функция времени с помощью кратковременного преобразования Фурье (STFT).
Новая система возбуждения была введена в эксплуатацию на синхротроне тяжелых ионов SIS18 в GSI в мае 2022 года с использованием пучка урана U28+ с энергией 195,7 МэВ/u. При этой максимальной жесткости 18 Тм максимальный угол отклонения, обеспечиваемый системой возбуждения для синусоидального сигнала, составляет Δх′ = 0,19 мкрад и Δх′ = 0,38 мкрад.
На рис. 7 показаны измеренные отклики при нагнетании и разгоне с использованием новой системы возбуждения. Возбуждение дает четкий отклик вплоть до максимальной жесткости пучка. При 0,25 с возбуждение отключается, что приводит к затуханию отклика, так как поперечные колебания затухают и становятся некогерентными.
Непрерывное измерение тональности при ускорении с использованием шумового возбуждения с полосой пропускания 16 кГц (пунктирные линии) и среднеквадратичным уровнем сигнала 0,088 В (до усиления). На нижнем графике показано увеличение жесткости балки.
При скорости 8 Т/с, предусмотренной для SIS100, задержка сигнала в 2 мс является некритичной для возбуждения на первых боковых полосах: Результирующее максимальное смещение полосы возбуждения в начале рампы составило 0,008 единицы тона, что легко компенсируется полосой пропускания. Было установлено, что возбуждение на боковой полосе 0 + ???? также дает наибольшее отношение сигнал/шум, поэтому оно предпочтительнее для возбуждения.
Возбуждение сигналом RBPSK и полосовым шумовым сигналом не выявило систематических различий для исследуемых полос пропускания, однако возбуждение чирпом оказалось менее подходящим из-за его импульсного отклика. По сравнению с ранее использовавшимся генератором фиксированного псевдослучайного шума новый возбуждающий сигнал с переменной спектральной мощностью привел к более однородной амплитуде в спектрах отстройки на протяжении всего темпа ускорения.
На рис. 8 показано влияние мощности шумового возбуждения на индуцированные потери пучка и достигнутый уровень сигнала перестройки. Эффективность пучка и ускорения машины, настроенной для данного измерения, без возбуждения составляла около 66 %. Малые уровни возбуждения < 0,9 не приводят к дополнительным потерям и при этом создают достаточно большие бетатронные осцилляции для наблюдения перестройки в спектрах. Измерение размеров пучка показало отсутствие раздувания за пределы разрешения измерений 2 мм.
Возбуждение также используется для измерения хроматичности . Здесь импульс пучка изменяется путем перестройки частоты ВЧ резонатора с помощью запрограммированного линейного темпа. Полученное изменение отстройки измеряется во времени, как показано на рис. 9, а цветность рассчитывается по линейной подгонке.
ДАЛЬНЕЙШИЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Новый генератор возбуждающих сигналов уже успешно использовался для измерений отстройки в экспериментальном накопительном кольце ESR в GSI.
Определение цветности путем непрерывного измерения настроек при изменении импульса пучка с помощью радиочастотной отстройки.
для дальнейшего применения, например, для выделения радиочастотного нокаута (RF-KO). Реализуемость этого подхода была впервые продемонстрирована в Гейдельбергском центре ионно-пучковой терапии (HIT) [2], а недавно также продемонстрирована на GSI SIS18.
Новые разработки для использования в системах обратной связи и триггерных приложениях, описанные в данной статье, доступны через репозиторий [4] и могут быть использованы и внедрены в других установках. Репозиторий также предоставляет простой способ обмена потоковыми диаграммами GNU Radio для генерации сигналов возбуждения.
