Формирование и исследование существующих и перспективных навигационных радиосигналов (лабораторная работа)

Цели работы

• Расширение представлений о структуре существующих и перспективных навигационных сигналов
• Изучение возможностей современных векторных генераторов сигналов по формированию сигналов с произвольной структурой
• Получение опыта работы с векторным генератором, анализатором спектра, осциллографом и навигационным приемником

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 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 WinIQSim. Удобнее воспользоваться R&S CDM Tool.

Использование DataList-файла для формирования сигнала

DataList-файл создан, теперь его необходимо использовать в векторном генераторе (SMBV, SMJ) для манипуляции 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, можно предоставить файл генератору через флэш-накопитель и воспользоваться встроенным программным обеспечением:

• Кнопкой Preset устанавливаем настройки генератора в значения по-умолчанию.

• Интерфейс встроенного ПО генератора повторяет интерфейс программы WinIQSim. Для применения созданного DataList-файла следует перейти в config блока Baseband (см. рисунок 101), где выбрать подпункт Custom Digital Modulation.

Рисунок 101

• В окне Custom Digital Modulation расположен блок настроек Data Source с помощью которого устанавливает источник данных для манипуляции сигнала. По-умолчанию в качестве источника указан генератор псевдослучайной последовательности PRBS, вместо него следует выбрать DataList (см. рисунок 102). При этом появится кнопки выбора файлов Select Data List и Select Control List.

Рисунок 102

• Открываем сгенерированный DataList-файл 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 (см. рисунок 14).

Рисунок 14

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 15

При этом загорается табличка RF on (см. рисунок 15), 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.

Формирование метки начала последовательности

Сформируем на дополнительном выходе генератора Marker импульс, синхронизированный с началом нового периода модулирующей последовательности.

Перейдем в меню Marker (в некоторых версиях ПО Trigger/Marker, см. рисунок 16)

Рисунок 16

Поля On Time и Off Time позволяют установить длительность (в символах последовательности) положения маркера в высоком и низком уровне напряжения соответственно. Если для дальномерного кода GPS С/A установить On Time в значение 1, а Off Time в 1022, то в течение первого символа кода уровень будет высоким, после чего на 1022 символа сменится на низкий. По прошествии этих 1022 символов уровень вновь поднимется, что совпадет с новым периодом последовательности, т.к. её длина составляет 1023 символа. Таким образом, положительный перепад будет совпадать с началом последовательности.

Рисунок 17

Осциллограммы сформированных сигналов

Лаборатория кафедры РТС оснащена 4-х канальными осциллографами серии RTM с полосой анализа 500 МГц. Частота модулирующей последовательности порядка единиц МГц, поэтому данные приборы позволяют получить точные осциллограммы метки начала последовательности и модулирующего низкочастотного сигнала $I(t)$. Сформированный радиосигнал имеет несущую частоту порядка полутора ГГц, что выходит за рамки полосы анализа. Тем не менее, удается получить искаженную осциллограмму радиосигнала - с заметными переходными процессами при смене модулирующих символов.

Векторный генератор сигналов и осциллограф следует соединить посредством коаксиальных проводов в соответствии со схемой на рисунке 191.

При этом положительный фронт импульса будет приходится на середину интервала первого символа последовательности (см. рисунок 18) при использовании генераторов серии SMJ и на начало символа - при использовании генераторов серии SMBV (см. рисунок 19).

Рисунок 19 - Осциллограммы синфазной модулирующей функции $I\left( t \right)$ и метки начала эпохи модулирующей последовательности при формировании сигнала GPS C/A L1 #1

Спектр сформированного сигнала

Мощность навигационного сигнала мала, его спектральная плотность мощности меньше спектральной плотности мощности шумов спектроанализатора. Поэтому непосредственное наблюдение сигнала номинальной мощности невозможно. Но в лабораторных условиях мы имеем возможность увеличить мощность сигнала. Последовательно увеличивая мощность можно добиться четкого графика спектральной плотности мощности сформированного сигнала (см. рисунок 14).

Рисунок 14 - Спектральная плотность мощности сформированного BPSK-сигнала

Домашняя подготовка

• Ознакомиться с методикой формирования сигналов с помощью векторного генератора.
• Для заданного преподавателем сигнала подготовить текстовый файл, содержащий модулирующую последовательность (дальномерный код) $\theta _{k}^{{}}$ (в виде строки символов 0 и 1, разделенных пробелами; не учитывать модуляцию навигационным сообщением и т.п.). В отчете привести первые 10 и последние 10 символов последовательности. Варианты сигналов:
  • 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 $\theta _{k}^{{}}$.
• Рассчитать и построить графики автокорреляционной функции последовательности $G_{k} = 2(\theta _{k}^{{}} - 0.5)$.

Лабораторное задание

Для 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.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

• Введение с обозначением объекта, предмета и цели исследования;
• Результаты домашней подготовки;
• Результаты лабораторного исследования;
• Выводы о полученных результатах.

Контрольные вопросы

1. Возможно ли формирование сигнала ГЛОНАСС L2 СТ на несущей частоте с помощью векторного генератора R&S SMBV100A (без учета навигационного сообщения)?

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