Формирование и исследование существующих и перспективных навигационных радиосигналов (лабораторная работа) — различия между версиями

Версия 16:03, 20 ноября 2013

Содержание

1 Цели работы
2 Состав стенда
3 Формирование навигационного радиосигнала с помощью векторного генератора
4 Домашняя подготовка
5 Лабораторное задание
6 Контрольные вопросы
7 Литература

Цели работы

Расширение представлений о структуре существующих и перспективных навигационных сигналов
Изучение возможностей современных векторных генераторов сигналов по формированию сигналов с произвольной структурой

Состав стенда

Векторный генератор сигналов R&S SMBV100A или аналог
Осциллограф R&S RTO1024 или аналог
Анализатор спектра и сигналов R&S FSV3 или аналог
Тестовый приемник с необходимой периферией
Персональный компьютер с установленным ПО WinIQSim2 (опционально)

Формирование навигационного радиосигнала с помощью векторного генератора

Модулирующая последовательность навигационного радиосигнала

Векторный генератор сигналов R&S SMBV100A способен формировать сигналы произвольного вида, удовлетворяющие ограничениям по полосе (до 60 или 120 МГц в зависимости от опций) и несущей частоте (до 3 или 6 ГГц). Для этого сигнал представляется в виде своего низкочастотного эквивалента, который используется генератором для модуляции несущего колебания в соответствии со следующей математической моделью:

$y\left( t \right)=A \cdot I \left( t \right)\cos \left( \omega _{0}^{{}}t \right) - A \cdot Q \left( t \right)\sin \left( \omega _{0}^{{}}t \right).$

(1)

В случае сигнала BPSK и отсутствии ограничений на значение начальной фазы, низкочастотный эквивалент может быть представлен в виде:

$\left\{ \begin{align} & I\left( t \right)= \cos \left( \pi \cdot \theta \left( t \right) \right); \\ & Q\left( t \right)=0, \\ \end{align} \right.$

(2)

где $\theta \left( t \right)$ - модулирующая функция (см. рисунок 1), принимающая значения $\left\{ 0;1 \right\}$ .

Рисунок 1 - Пример функции $\theta \left( t \right)$

В большинстве радиотехнических приложений ось времени можно разбить на равные интервалы, в течение которых смена значений функции $\theta \left( t \right)$ не происходит - манипуляция сигнала производится с некоторым периодом $\tau_{chip}$ . Тогда функцию $\theta \left( t \right)$ можно описать последовательностью её значений на каждом интервале:

$\theta _{k}^{{}}=\theta \left( t_{k}^{{}} \right).$

(3)

В современных векторных генераторах присутствует возможность формирования соответствующих BPSK-сигналов по записанной в файл или оперативную память последовательности (3).

В свою очередь, манипуляция несущего колебания на $\pi$ позволяет генерировать большинство существующих и перспективных радионавигационных сигналов.

Рассмотрим пример использования генератора сигнала R&S SMBV100A для решения задачи формирования навигационного радиосигнала на несущей частоте. Данная задача возникает на этапе разработки и отладки программного обеспечения НАП.

Для примера воспользуемся сигналов со следующими параметрами (GPS L1 C/A №1):

несущая частота 1575.42 МГц;
ФМ-2 с темпом 1.023 МГц известной периодической последовательностью GPS C/A с первым порядковым номером.

Доплеровский сдвиг частоты положим равным нулю (как для огибающей, так и для несущей).

Дополнительно выдадим метку начала каждой эпохи последовательности посредством импульса на выходе Marker 1 генератора.

Создание DataList-файла с помощью программы WinIQSim2

Для управления генераторами при помощи персонального компьютера компанией Rohde & Schwarz поставляется программное обеспечение, носящее название WinIQSim. Интерфейс (см. рисунок 2) и функции программы аналогичны интерфейсу и функциям программного обеспечения, установленного на приборах. Его использование в данной лабораторной работе обусловлено удобством импортирования модулирующих последовательностей из подготовленных студентами файлов. При отсутствии ПК с установленным WinIQSim аналогичные действия следует проводить непосредственно на приборе.

Рисунок 2 - Интерфейс программы WinIQSim2

Программное обеспечение R&S хранит модулирующую последовательность в DataList-файле (расширение файла .dm_iqd).

Процесс создания DataList-файла в программе WinIQSim2:

В блоке BaseBand с помощью кнопки config выбираем режим Custom Digital Mode (см. рисунок 3)

Рисунок 3

Далее входим в меню управления DataList-файлами List Management (см. рисунок 4)

Рисунок 4

Инициируем выбор файла для редактирования нажатием кнопки Select Data List To Edit (см. рисунок 5)

Рисунок 5

В выпадающем меню выбираем Create Data List для создания нового файла (см. рисунок 6)

Рисунок 6

Создаем файл, далее переходим к его редактированию. Для этого следует выбрать Edit Data List (см. рисунок 7)

Рисунок 7

В редакторе вводим последовательность битов модуляции (см. рисунок 8, последовательность можно вставить из буфера обмена кнопкой Paste). Как именно применять эти биты генератору укажем позже. В случае с модуляцией BPSK: "1" - сдвиг фазы на $\pi$ (множители модулятора I=-1, Q=0), "0" - отсутствие сдвига фазы (I=1, Q=0).

Рисунок 8

При нажатии на кнопку Save формируется необходимый DataList-файл.

Структура DataList-файла

DataList является бинарным файлом, содержащим служебную информацию и последовательность модулирующих бит. Например, если в качестве модулирующей последовательности ввести 44 символа "100011000......", то WinIQSim сформирует файл, содержимое которого представлено на рисунке рисунке 9

Рисунок 9

Здесь 8C 00 00 00 00 0 - запись в hex'е введенной строки "100011000......". Последовательность байт перед этим участком - служебная информация, содержащая тип прибора, длину последовательности (DATA BITLENGTH) и т.д.

Если число символов в ПСП не кратно 4, то после последовательности модулирующих бит добавляется специальный код (тут 0 00 00 7d), который генератор распознает с помощью параметра DATA BITLENGTH.

Структура файла проста, легко составить программу его формирования без использования программы WinIQSim.

Использование DataList-файла для формирования сигнала

Если ПК имеет непосредственный интерфейс с генератором (сеть или USB-кабель), то программа WinIQSim может сама управлять им, в том числе применять созданный DataList-файл. Иначе, тем или иным способом предоставляем файл генератору (флэш-накопитель или т.п.) и используем его встроенным программным обеспечением:

Кнопкой Preset устанавливаем настройки генератора в значения по-умолчанию.

Открываем сгенерированный файл в окне Custom Digital Modulation с помощью кнопки Select Data List (см. рисунок 10)

Рисунок 10

В графе Symbol Rate устанавливаем скорость следования символов кода, кодирование отключаем (см. рисунок 11)

Рисунок 11

Выбираем требуемый вид манипуляции, в нашем случае - BPSK (binary phase-shift keying, ФМ-2) (см. рисунок 12)

Рисунок 12

Выбираем вид фильтра для манипулирующих I,Q сигналов (см. рисунок 13)

Рисунок 13

Запускаем расчет квадратур для модулятора нажатием кнопки On

Рисунок N

При этом загорается табличка Mod on, свидетельствующая о наличии входных сигналов на квадратурном модуляторе.

Выбираем параметры несущей - частоту (Frequency) и мощность (Level). Подаем её на модулятор нажатием кнопки RF on.

Рисунок N1

При этом загорается табличка RF on, на радиочастотном выходе генератора появляется радиосигнал. На экране генератора отображается схема соединения: baseband-генератор формирует квадратурные сигналы для модулятора с помощью которых преобразуется высокочастотное колебание.

Требуемый сигнал готов (см. рисунок 14).

Рисунок 14 - Спектральная плотность мощности сформированного BPSK-сигнала

Формирование метки начала эпохи модулирующей последовательности

Перейдем в меню Marker (в некоторых версиях Trigger/Marker, см. рисунок 15)

Рисунок 15

С помощью граф On Time и Off Time устанавливаем длительность (в чипах последовательности) положения маркера в высоком и низком уровне напряжения соответственно.

Например, для генерирования положительного импульса длительностью n чипов в начале каждого периода повторения последовательности (на каждой эпохе) устанавливаем в поле On Time значение n, а в поле Off Time значение L-n, где L - длительность модулирующей последовательности (см. рисунок 16).

Рисунок 16

При этом положительный фронт импульса будет приходится на середину интервала первого чипа последовательности (см. рисунок 17).

Рисунок 17 - Осциллограммы сформированного сигнала, синфазной модулирующей функции $I\left( t \right)$ , метки начала эпохи модулирующей последовательности

Домашняя подготовка

Ознакомиться с методикой формирования сигналов с помощью векторного генератора.
Ответить на контрольные вопросы
Подготовить текстовые файлы, содержащие модулирующую последовательность (дальномерный код) для сигналов (в виде строки символов 0 и 1, разделенных пробелами; не учитывать модуляцию навигационным сообщением и т.п.):
- NAVSTAR GPS L1 C/A;
- NAVSTAR GPS L2 C/A;
- NAVSTAR GPS L5 C;
- ГЛОНАСС L1 CТ (L1OF);
- ГЛОНАСС L2 CТ (L2OF);
- ГЛОНАСС L3 CТ (L3OC);
- BOC(1, 1);
- BOC(5, 2.5).
Рассчитать и построить графики дискретного преобразования Фурье последовательности $\theta _{k}^{{}}$ для перечисленного набора сигналов.
Рассчитать и построить графики автокорреляционной функции последовательности $G_{k} = 2(\theta _{k}^{{}} - 0.5)$ для перечисленного набора сигналов.

Лабораторное задание

Для каждого сигнала из домашней подготовки выполнить с составлением отчета:

Сформировать сигнал и метку начала модулирующей последовательности.
При наличии приемника соответствующего сигнала проверить успешность исполнения алгоритмов поиска и слежения.
Получить осциллограммы сформированного сигнала, модулирующей функции и метки начала модулирующей последовательности.
Измерить спектральную плотность мощности сформированного сигнала, полосу по первым нулям спектра.

Контрольные вопросы

1. Возможно ли формирование сигнала GPS L1 C/A на несущей частоте с помощью векторного генератора R&S SMBV100A?

2. Каков период и скорость следования чипов дальномерного кода сигналов современных СРНС? Запишите математические модели этих сигналов.

Литература

1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под. ред. Перова А.И., Харисова В.Н.. — изд. 4-е, перераб. и доп.. — М.: Радиотехника, 2010. — 800 с. (подробнее...)
2. ИКД ГЛОНАСС
3. ИКД NAVSTAR GPS

@@ Строка 97: / Строка 97: @@
 DataList является бинарным файлом, содержащим служебную информацию и последовательность модулирующих бит. Например, если в качестве модулирующей последовательности ввести 44 символа "100011000......", то WinIQSim сформирует файл, содержимое которого представлено на рисунке [[#pic9|рисунке 9]]
-{{pic|20111003_HEX_1.png|Рисунок 9|pic9}}
+{{pic|20111003_HEX_2.png|Рисунок 9|pic9}}
 Здесь <code>8C 00 00 00 00 0</code> - запись в hex'е введенной строки "100011000......". Последовательность байт перед этим участком - служебная информация, содержащая тип прибора, длину последовательности (''DATA BITLENGTH'') и т.д.

Формирование и исследование существующих и перспективных навигационных радиосигналов (лабораторная работа) — различия между версиями

Версия 16:03, 20 ноября 2013

Содержание

Цели работы

Состав стенда

Формирование навигационного радиосигнала с помощью векторного генератора

Модулирующая последовательность навигационного радиосигнала

Создание DataList-файла с помощью программы WinIQSim2

Структура DataList-файла

Использование DataList-файла для формирования сигнала

Формирование метки начала эпохи модулирующей последовательности

Домашняя подготовка

Лабораторное задание

Контрольные вопросы

Литература

Персональные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

SRNS Wiki

Рабочие журналы

Приватный файлсервер

QNAP Сервер

Инструменты