Формирование и исследование существующих и перспективных навигационных радиосигналов (лабораторная работа)
Содержание |
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:
- (1)
В случае сигнала BPSK и отсутствии ограничений на значение начальной фазы, низкочастотный эквивалент может быть представлен в виде:
- (2)
- где
- модулирующая функция (см. рисунок 1), принимающая значения
.
- где
В большинстве радиотехнических приложений ось времени можно разбить на равные интервалы, в течение которых смена значений функции не происходит - манипуляция сигнала производится с некоторым периодом
. Тогда функцию
можно описать последовательностью её значений на каждом интервале:
- (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 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.
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)
- Далее входим в меню управления DataList-файлами List Management (см. рисунок 4)
- Инициируем выбор файла для редактирования нажатием кнопки Select Data List To Edit (см. рисунок 5)
- В выпадающем меню выбираем Create Data List для создания нового файла (см. рисунок 6)
- Создаем файл, далее переходим к его редактированию. Для этого следует выбрать Edit Data List (см. 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
(множители модулятора I=-1, Q=0), "0" - отсутствие сдвига фазы (I=1, Q=0).
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
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, который генератор распознает с помощью параметра DATA BITLENGTH.
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)
- В графе Symbol Rate устанавливаем скорость следования символов кода, кодирование отключаем (см. рисунок 11)
- Выбираем требуемый вид манипуляции, в нашем случае - BPSK (binary phase-shift keying, ФМ-2) (см. рисунок 12)
- Выбираем вид фильтра для манипулирующих I,Q сигналов (см. рисунок 13)
- Запускаем расчет квадратур для модулятора нажатием кнопки On
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.
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)
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).
При этом положительный фронт импульса будет приходится на середину интервала первого чипа последовательности (см. рисунок 17).
Рисунок 17 - Осциллограммы сформированного сигнала, синфазной модулирующей функции , 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
для перечисленного набора сигналов.
- Рассчитать и построить графики автокорреляционной функции последовательности
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