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

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 сигнала BPSK с помощью векторного генератора

Описание сигнала с помощью модулирующей последовательности

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.

Формирование сигнала по моделирующей последовательности

Рассмотрим пример использования генератора сигнала R&S SMBV100A для решения практической инженерной задачи - формирования радионавигационного сигнала на промежуточной частоте. Данная задача возникает на этапе разработки и отладки программного обеспечения НАП.

Параметры сигнала:

• промежуточная частота 70 МГц;
• манипуляция BPSK с темпом 5.11 МГц известной периодической последовательностью.

Дополнительно требуется обеспечить выдачу метки начала каждой эпохи последовательности.

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

Создание DataList-файла

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

Процесс создания DataList-файла в программе WinIQSim2:

• В BaseBand выбираем Custom Digital Mode (см. рисунок 3)

Рисунок 3

• Далее List Management (см. рисунок 4)

Рисунок 4

• Далее выбираем Select Data List To Edit (см. рисунок 5)

Рисунок 5

• В выпадающем меню выбираем Create Data List (см. рисунок 6)

Рисунок 6

• Создаем файл, далее можем перейти к его редактированию, если длина последовательности невелика. Для этого следует выбрать Edit Data List (см. рисунок 7)

Рисунок 7

• В редакторе вводим последовательность битов модуляции (см. рисунок 8). Как именно применять эти биты мы скажем генератору 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

Если сохранить введенную последовательность, WinIQSim, для приведенного примера, создаст файл с содержанием, приведенным на рисунке 9.

Рисунок 9

Здесь 8C 00 00 00 00 0 - запись в hex'е введенной строки "100011000......"

Если число символов в ПСП не кратно 4, то в конце строки добавляется специальный код, который IQSim распознает с помощью параметра DATA BITLENGTH.

Если последовательность длинная, её можно вставить с помощью кнопки Paste. Например, предварительно скопировав последовательность 0 и 1 из файла (строка, в которой символы разделены проблемами).

Применение DataList-файла на генераторе

Сохраненный DataList-файл тем или иным образом предоставляем генератору (сеть, флэш и т.п.). Дальнейшие манипуляции проводим с помощью собственного программного обеспечения генератора.

• 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 перебора чипов, кодирование (если не требуется) отключаем (см. рисунок 11)

Рисунок 11

• Выбираем требуемый вид манипуляции, в нашем случае - BPSK (см. рисунок 12)

Рисунок 12

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

Рисунок 13

Остается установить требуемую частоту и мощность - требуемый сигнал готов (см. рисунок 14).

Рисунок 14 - Спектральная плотность мощности сформированного BPSK-сигнала

Настройка метки начала эпохи кода

Перейдем в меню Marker (в некоторых версиях Trigger/Marker):

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.

При этом положительный фронт импульса будет приходится на середину интервала первого чипа последовательности.

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. 2. В данном пособии приведен пример формирования сигнала на промежуточной частоте с заданными параметрами. Излучается ли сигнал с соответствующими параметрами современными СРНС?