Просмотр исходного текста страницы 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 [[SMBV_(серия приборов)|R&S SMBV100A]] или аналог
* Осциллограф [[RTO_(серия приборов)|R&S RTO1024]] или аналог
* Анализатор спектра и сигналов [[FSV_(серия приборов)|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 [[SMBV_(серия приборов)|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: 

::<math>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).</math>  {{eqno|1}}

В случае сигнала BPSK и отсутствии ограничений на значение начальной фазы, низкочастотный эквивалент может быть представлен в виде:
::<math>\left\{ \begin{align}
  & I\left( t \right)= \cos \left( \pi \cdot \theta \left( t \right) \right); \\ 
 & Q\left( t \right)=0, \\ 
\end{align} \right.</math> {{eqno|2}}

::где <math>\theta \left( t \right)</math> - модулирующая функция (см. [[#pic1|рисунок 1]]), принимающая значения <math>\left\{ 0;1 \right\}</math>.

<!-- Исходник в 20111003_Theta_function.vsd -->
{{pic|20111003_Theta_function.png|Рисунок 1 - Пример функции <math>\theta \left( t \right)</math>|pic1}}


В большинстве радиотехнических приложений ось времени можно разбить на равные интервалы, в течение которых смена значений функции <math>\theta \left( t \right)</math> не происходит - манипуляция сигнала производится с некоторым периодом <math>\tau_{chip}</math>. Тогда функцию <math>\theta \left( t \right)</math> можно описать последовательностью её значений на каждом интервале:
::<math>\theta _{k}^{{}}=\theta \left( t_{k}^{{}} \right).</math> {{eqno|3}}

В современных векторных генераторах присутствует возможность формирования соответствующих BPSK-сигналов по записанной в файл или оперативную память последовательности {{eqref|3}}.

В свою очередь, манипуляция несущего колебания на <math>\pi</math> позволяет генерировать большинство существующих и перспективных радионавигационных сигналов.


Рассмотрим использования генератора сигнала [[SMBV|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. [[#pic2|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. 

{{pic|2013_WinIQSim0.png|Рисунок 2 - Интерфейс программы WinIQSim2|pic2}}


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. [[#pic3|рисунок 3]])

{{pic|2013_WinIQSim00.png|Рисунок 3|pic3}}


* Далее входим в меню управления DataList-файлами ''List Management'' (см. [[#pic2|рисунок 4]])

{{pic|2013_WinIQSim1.png|Рисунок 4|pic4}}


* Инициируем выбор файла для редактирования нажатием кнопки ''Select Data List To Edit'' (см. [[#pic5|рисунок 5]])

{{pic|2013_WinIQSim2.png|Рисунок 5|pic5}}


* В выпадающем меню выбираем ''Create Data List'' для создания нового файла (см. [[#pic6|рисунок 6]])

{{pic|2013_WinIQSim3.png|Рисунок 6|pic6}}


* Создаем файл, далее переходим к его редактированию. Для этого следует выбрать ''Edit Data List'' (см. [[#pic7|рисунок 7]])  

{{pic|2013_WinIQSim5.png|Рисунок 7|pic7}}


* В редакторе вводим последовательность битов модуляции (см. [[#pic8|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 <math>\pi</math> (множители модулятора I=-1, Q=0), "0" - отсутствие сдвига фазы (I=1, Q=0). 

{{pic|2013_WinIQSim6.png|Рисунок 8|pic8}}


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 [[#pic9|рисунке 9]]

{{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. 

Если число символов в ПСП не кратно 4, то после последовательности модулирующих бит добавляется специальный код (тут <code>0 00 00 7d</code>), 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. [[#pic101|рисунок 101]]), где выбрать подпункт ''Custom Digital Modulation''.

{{pic|smbv20131115013.png|Рисунок 101|pic101}}


* 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. [[#pic102|рисунок 102]]). При этом появится кнопки выбора файлов ''Select Data List'' и ''Select Control List''.

{{pic|smbv20131115028.png|Рисунок 102|pic102}}


* Открываем сгенерированный DataList-файл с помощью кнопки ''Select Data List'' (см. [[#pic10|рисунок 10]]).

{{pic|2013_smbv20131115029.png|Рисунок 10|pic10}}


* В графе ''Symbol Rate'' устанавливаем скорость следования символов кода, кодирование отключаем (см. [[#pic11|рисунок 11]]).

{{pic|2013_smbv20131115031.png|Рисунок 11|pic11}}


* Выбираем требуемый вид манипуляции, в нашем случае - ''BPSK'' (''binary phase-shift keying, ФМ-2'') (см. [[#pic12|рисунок 12]]).

{{pic|smbv20131115021.png|Рисунок 12|pic12}}


* Выбираем вид фильтра для манипулирующих I,Q сигналов (см. [[#pic13|рисунок 13]]).

{{pic|smbv20131115022.png|Рисунок 13|pic13}}


* Запускаем расчет квадратур для модулятора нажатием кнопки ''On'' (см. [[#pic14|рисунок 14]]).

{{pic|smbv20131115033.png|Рисунок 14|pic14}}

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''.

{{pic|smbv20131115035.png|Рисунок 15|pic15}}

При этом загорается табличка ''RF on'' (см. [[#pic15|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. [[#pic16|рисунок 16]]) 

{{pic|smbv20131120000.png|Рисунок 16|pic16}}


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. 

{{pic|smbv20131115023.png|Рисунок 17|pic17}}


=== 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 <math>I(t)</math>. 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 [[#pic191|рисунке 191]].

При этом положительный фронт импульса будет приходится на середину интервала первого символа последовательности (см. [[#pic18|рисунок 18]]) при использовании генераторов серии SMJ и на начало символа - при использовании генераторов серии SMBV (см. [[#pic19|рисунок 19]]).

{{pic|201311_RTO_vect.png|Рисунок 19 - Осциллограммы синфазной модулирующей функции <math>I\left( t \right)</math> и метки начала эпохи модулирующей последовательности при формировании сигнала GPS C/A L1 #1|pic19}}

=== Обработка сформированного сигнала навигационным приемником === 


=== 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. [[#pic14|рисунок 14]]).

{{pic|20131120_FSU.png{{!}}600px|Рисунок 14 - Спектральная плотность мощности сформированного BPSK-сигнала|pic14}}

== Домашняя подготовка ==

* Ознакомиться с методикой формирования сигналов с помощью векторного генератора.
* Для заданного преподавателем сигнала подготовить текстовый файл, содержащий модулирующую последовательность (дальномерный код) <math>\theta _{k}^{{}}</math> (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 <math>\theta _{k}^{{}}</math>.
* Рассчитать и построить графики автокорреляционной функции последовательности <math>G_{k} = 2(\theta _{k}^{{}} - 0.5)</math>.

== 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 [[SMBV|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. {{Публикация:Перов_2010_ГЛОНАСС}} <br>
2. [[Blog:Boldenkov/15.09.2011_Интерфейсные_документы_навигационных_сигналов#ГЛОНАСС|ИКД ГЛОНАСС]] <br>
3. [[Blog:Boldenkov/15.09.2011_Интерфейсные_документы_навигационных_сигналов#GPS|ИКД NAVSTAR GPS]] <br>

[[Категория:Лабораторные работы по курсу ОП СРНС]]