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

== 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 пример 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|20111003_WinIQSim2.png{{!}}600px|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 ''BaseBand'' выбираем ''Custom Digital Mode'' (см. [[#pic3|рисунок 3]])

{{pic|20111003_WinIQSim2_2.png{{!}}600px|Рисунок 3|pic3}}


* Далее ''List Management'' (см. [[#pic2|рисунок 4]])

{{pic|20111003_WinIQSim2_3.png{{!}}600px|Рисунок 4|pic4}}


* Далее выбираем ''Select Data List To Edit'' (см. [[#pic5|рисунок 5]])

{{pic|20111003_WinIQSim2_4.png{{!}}600px|Рисунок 5|pic5}}


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

{{pic|20111003_WinIQSim2_5.png{{!}}600px|Рисунок 6|pic6}}


* Создаем файл, далее можем перейти к его редактированию, если длина последовательности невелика. Для этого следует выбрать ''Edit Data List'' (см. [[#pic7|рисунок 7]])  

{{pic|20111003_WinIQSim2_6.png{{!}}600px|Рисунок 7|pic7}}


* В редакторе вводим последовательность битов модуляции (см. [[#pic8|рисунок 8]]). 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|20111003_WinIQSim2_7.png{{!}}600px|Рисунок 8|pic8}}


Если сохранить введенную последовательность, WinIQSim создаст файл с содержанием, приведенным на [[#pic9|рисунке 9]].

{{pic|20111003_HEX_1.png|Рисунок 9|pic9}}


Здесь <code>8C 00 00 00 00 0</code> - 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).

=== 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. [[#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''

{{pic|smbv20131115033.png|Рисунок N|picN}}

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 N1|picN1}}

При этом загорается табличка ''RF on'', на радиочастотном выходе генератора появляется радиосигнал. 

Требуемый сигнал готов (см. [[#pic14|рисунок 14]]).

{{pic|20111003_spectr.PNG{{!}}600px|Рисунок 14 - Спектральная плотность мощности сформированного BPSK-сигнала|pic14}}

=== Формирование метки начала эпохи модулирующей последовательности ===

Перейдем в меню ''Marker'' (в некоторых версиях ''Trigger/Marker'', см. [[#pic15|рисунок 15]]) 

{{pic|20111003_Gen_5.png{{!}}300px|Рисунок 15|pic15}}


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. [[#pic16|рисунок 16]]). 

{{pic|20111003_Gen_6.png{{!}}300px|Рисунок 16|pic16}}


При этом положительный фронт импульса будет приходится на середину интервала первого чипа последовательности (см. [[#pic17|рисунок 17]]). 

{{pic|20111003_LeCroy15.png{{!}}800px|Рисунок 17 - Осциллограммы сформированного сигнала, синфазной модулирующей функции <math>I\left( t \right)</math>, метки начала эпохи модулирующей последовательности|pic17}}

== Домашняя подготовка ==

* Ознакомиться с методикой формирования сигналов с помощью векторного генератора.
* Ответить на контрольные вопросы
* Подготовить текстовые файлы, содержащие модулирующую последовательность (дальномерный код) <math>\theta _{k}^{{}}</math> 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 <math>\theta _{k}^{{}}</math> для перечисленного набора сигналов.
* Рассчитать и построить графики автокорреляционной функции последовательности <math>G_{k} = 2(\theta _{k}^{{}} - 0.5)</math> 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 [[SMBV|R&S SMBV100A]]? 

2. Каков период и скорость следования чипов дальномерного кода сигналов современных СРНС? Запишите математические модели этих сигналов. 

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

== 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]]