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 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) $\theta _{k}^{{}}$ 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