Universität zu Köln

Conversion from linear to circular polarization in FPGA in real time

Das, Koyel (2013) Conversion from linear to circular polarization in FPGA in real time. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    ABSTRACT Radio astronomical receivers are now expanding their frequency range to cover large (octave) fractional bandwidths for sensitivity and spectral flexibility, which makes the design of good analogue circular polarizers challenging. Better polarization purity requires a flatter phase response over increasingly wide bandwidth, which is most easily achieved with digital techniques. They offer the ability to form circular polarization with perfect polarization purity over arbitrarily wide fractional bandwidths, due to the ease of introducing a perfect quadrature phase shift. In analogue systems the quadrature phase shift is not accurate in the regions away from the design point or frequency. In digital systems on the contrary, it is possible to introduce the exact quadrature phase shift vectorially to each frequency point in the band thus producing a perfect quadrature phase shift throughout the band. Further, the rapid improvements in field programmable gate arrays provide the high processing power, low cost, portability and reconfigurability needed to make practical the implementation of the formation of circular polarization digitally. It will be possible to carry out broadband polarization observations. Circular polarization is used in very long baseline interferometry (VLBI) due to geometrical and stability considerations. VLBI is often used to explore polarization of radio emission, which often occurs due to synchrotron mechanism, Zeeman effect in atoms and molecules, cyclotron radiation and plasma oscillations in the solar atmosphere. Also VLBI finds application in methods like rotation measure synthesis that can be used to find the magnetic field strength and whose multiwavelength observations determine the direction of magnetic field. So a digital circular polarizer would find a considerable application in VLBI systems. Here I explore the performance of a circular polarizer implemented with digital techniques. I designed a digital circular polarizer in which the intermediate frequency signals from a receiver with native linear polarizations were sampled and converted to circular polarization. The frequency-dependent instrumental phase difference and gain scaling factors were determined using an injected noise signal and applied to the two linear polarizations to equalize the transfer characteristics of the two polarization channels. This equalization was performed in 512 frequency channels over a 500 MHz bandwidth. Circular polarization was formed by quadrature phase shifting and summing the equalized linear polarization signals. I obtained polarization purity of -58 dB corresponding to a D-term of 0.0012 over the whole bandwidth. This value of D-term is an upper limit. This technique enables construction of broad-band radio astronomy receivers with native linear polarization to form circular polarization for VLBI.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Zukünftige Radioastronomische Empfänger werden über einen erweiterten Frequenzbereich und damit auch eine höhere Bandbreite (Oktave) verfügen, um die Empfindlichkeit zu steigern und mehr Flexibilität bei der Auswahl des Frequenzspektrums zu haben. Dies stellt hohe Anforderungen an das Design eines analogen Frontends. Um bessere Polarisationseigenschaften zu bekommen, ist eine flacher Phasenverlauf über immer größere Bandbreiten nötig, was am einfachsten mit digitalen Methoden zu erreichen ist. Hier besitzt man die Möglichkeit eine zirkulare Polarisation mit perfekter Polarisationsverteilung über eine vorgegebenen Bandbreite zu formen, da mit digitalen Mitteln einfacher eine quadratur Phasenverschiebung zu erzeugen ist. In analogen Systemen ist die nötige Phasenverschiebung nicht exakt, sobald man von dem Frequenzpunkt abweicht für den das System entworfen wurde. Im Gegensatz dazu besteht bei digitalen Systemen die Möglichkeit, die exakte Phasenverschiebung durch Verrechnung der Signalvektroren jedes einzelnen Frequenzpunktes innerhalb des Frequenzbandes zu erzeugen. Daraus resultiert dann eine perfekte quadratur Phasenverschiebung innerhalb des kompletten Bandes. Der schnelle Fortschritt bei Field Programmable Gate Arrays (FPGA) bringt neben der nötigen Rechenleistung, einem günstigen Preis und der Portierbarkeit auch die Möglichkeit zur einfachen und schnellen Rekonfiguration des Systems, wodurch das Formen einer zirkularen Polarisation mit digitalen Mitteln auch praktisch sinnvoll wird. Dieses System kann dann für breitbandige Polarisationsmessung genutzt werden. Zirkulare Polarisation wird aus Geometrischen- und Stabilitätsgründen bei der Radiointerferometrie mit sehr langen Basislängen (very long baseline interferometry, VLBI) genutzt. VLBI wird häufig bei der Untersuchung der Polarisation von Radiowellen verwendet. Die Polarisation dieser Wellen wird durch Syncrotron Effekte, Zeeman Effekte innerhalb von Atomen und Molekülen, Zyklotron Strahlung und Plasma Schwingungen in der solaren Atmosphäre hervorgerufen. Außerdem findet VLBI Anwendung bei Methoden der Synthese der Rotationsmessung, welche verwendet werden kann um die magnetische Feldstärke zu ermitteln. Weiterhin kann durch Beobachtung verschiedener Wellenlängen die Richtung des magnetischen Feldes bestimmt werden. Daher würde ein digital arbeitender Polarisator eine Vielzahl von Anwendungen in VLBI Systemen finden. In dieser Arbeit untersuche ich die Effizienz eines digitalen zirkularen Polarisators. Wir entwarfen einen digitalen zikularen Polarisator in dem die Zwischenfrequenzsignale eines Empfängers mit ursprünglich linearer Polarisation abgetastet wurden. Diese wurden nach dem Abtasten in eine zirkulare Polarisation gewandelt. Die frequenzabhängige Phasen- und Amplitudendifferenz des Systems wurde mit Hilfe eines zugeführten Rauschsignals bestimmt. Dieses wurde auf beide linearen Polarisationen gegeben um die Übertragungsfunktion der beiden Polarisationskanäle abzugleichen. Dieser Abgleich wurde mit 512 Frequenzpunkten über eine Bandbreite von 500 MHz durchgeführt. Die zirkulare Polarisation wurde durch eine quadratur Phasenverschiebung und anschließende Summation des Signale erzeugt. Hierbei erzeugten wir über das ganze Band eine Polarisationsreinheit von -58 dB, was einem D-Wert von 0.0012 entspricht. Dieses D-Wert eine Obergrenze Diese Technik ermöglicht die Entwicklung eines zirkularen Polarisators für VLBI, der mit einem breitbandigen radioastronomischen Empfänger mit linearer Polarisation arbeiten kannGerman
    Creators:
    CreatorsEmail
    Das, Koyelkoyel.aphy@gmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-52010
    Subjects: Natural sciences and mathematics
    Physics
    Technology (Applied sciences)
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    instrumentation: polarimeters, instrumentation: spectrographs, techniques: polarimetric, techniques: interferometric, telescopesEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Language: English
    Date: 28 June 2013
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 28 June 2013
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 11 Jul 2013 11:43:18
    Referee
    NameAcademic Title
    Eckart, AndreasProf. Dr.
    Zensus, AntonProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5201

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