Исследование коррелятора АП СРНС ГЛОНАСС с помощью имитационной модели (лабораторная работа)

Цели работы

1. Исследовать структуру и свойства функциональных элементов корреляторов АП СРНС;
2. Исследовать характеристики процессов, происходящих в корреляторах АП СРНС;
3. Ознакомиться с ИКД ГЛОНАСС.

Состав стенда

Для выполнения лабораторной работы необходим персональный компьютер с ОС семейства Linux или Windows с установленным пакетом ПО Matlab.

Описание имитационной модели

Возможности имитационной модели

Имитационная модель "Фронтенд и корреляционный канал навигационного приемника" демонстрирует процессы и преобразования, проходящие в фронтенде, АЦП и корреляторе навигационной аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем. Модель позволяет получить осциллограммы и спектры процессов в описанных блоках:

• при приеме сигнала на фоне мешающей гармонической помехи и без неё;
• при наличии и отсутствии собственного шума приемника;
• при различных значениях полосы пропускания фронтенда приемника;
• при различном числе разрядов АЦП;
• при различном числе разрядов опорных колебаний в корреляторе;
• при различных настройках формирующего опорное ПСП регистра сдвига.

Расчет корреляционных сумм проводится тремя способами:

• По сформированным отсчетам сигнала на выходе АЦП путем перемножения с опорными сигналами и последующим накоплением - для различных значений задержки ПСП. Позволяет рассчитать графики корреляционных сумм в зависимости от разности задержек опорной ПСП ДК и ПСП ДК сигнала на выходе АЦП.
• На основании имеющихся данных о параметрах сигнала и фильтров производится расчет математических ожиданий статистических эквивалентов. Позволяет сравнить результаты работы коррелятора с моделью статистического эквивалента.
• С помощью пошаговой модели с имитацией работы регистров схемы коррелятора, реализованной в ПЛИС или ASIC.

Базовые математические модели

Так как моделирование производится на ЭВМ, в качестве моделей непрерывных процессов в радиочастотном блоке используются дискретизированные по времени последовательности.

• Модель шкалы времени

$t_{k,l}=t_{k,0}^{{}}+l\cdot T_d$; $t_{k+1,0}^{{}}=t_{k,0}^{{}}+L\cdot T_{d}^{{}}=t_{k,0}^{{}}+T,$

где $T_d$ - интервал дискретизации, $T$ - интервал накопления в корреляторе.

• Модель сигнала на выходе радиочастотного блока

$y_{fe,k,l} =K_{f}^{{}}\cdot \left( S_{k,l}^{{}}+J_{k,l}+n_{k,l}^{{}} \right),$

где

$K_f$ - операторный коэффициент передачи цифрового фильтра с заданной полосой,

$S_{k,l}^{{}}=A\cdot G_{c}^{{}}\left( t_{k,l}^{{}}-\tau _{k}^{{}} \right)\cdot \cos \left( \omega _{if}^{{}}t_{k,l}^{{}}+\omega _{d,k}^{{}}lT_{d}^{{}}+\varphi _{k}^{{}} \right)$ - модель полезного сигнала,

$J_{k,l}^{{}}=A_j \cdot \cos \left( \omega _{j}^{{}}t_{k,l}^{{}} + \varphi _{j,k} \right)$ - модель гармонической помехи,

$n_{k,l}^{{}}$ - ДБГШ с дисперсией $\sigma _{n}^{2}$.

• Модель сигнала на выходе АЦП

$y_{k,l} = Qu \left( y_{fe,k,l} \right),$

где $Qu \left( \right)$ - нелинейная функция квантования.

• Модель корреляционных сумм

$I_{k}^{{}}=\sum\limits_{l=1}^{L}{y_{k,l}^{{}}\cdot }G_{c}^{{}}\left( t_{k,l}^{{}}-\tilde{\tau }_{k}^{{}} \right)\cos \left( \omega _{if}^{{}}t_{k,l}^{{}}+\tilde{\omega }_{d,k}^{{}}lT_{d}^{{}}+\tilde{\varphi }_{k}^{{}} \right);$

$Q_{k}^{{}}=\sum\limits_{l=1}^{L}{y_{k,l}^{{}}\cdot }G_{c}^{{}}\left( t_{k,l}^{{}}-\tilde{\tau }_{k}^{{}} \right)\sin \left( \omega _{if}^{{}}t_{k,l}^{{}}+\tilde{\omega }_{d,k}^{{}}lT_{d}^{{}}+\tilde{\varphi }_{k}^{{}} \right).$

Работа с имитационной моделью

Интерфейс модели

Взаимодействие с имитационной моделью производится посредством графического интерфейса пользователя (см. рисунок 1). С его помощью происходит установка параметров моделирования, запуск событий и получение результатов.

Рисунок 1 - Интерфейс имитационной модели

Настройка и запуск генератора дальномерного кода

С помощью фрейма Настройка генератора производится установка параметров регистра сдвига, выполняющего функцию генератора дальномерного кода. С помощью выбора соответствующих CheckBox'ов производится замыкание обратной связи, с помощью полей ввода - установка начального значения. Сделанные изменения интерактивно отображаются на общей схеме коррелятора. Нажатие кнопки OK производит запуск генерирования ПСП - 511 тактов, что соответствует одному периоду ПСП СТ сигнала ГЛОНАСС. При этом во фрейме отображается график значения 7 бита регистра. Сформированное ПСП используется в дальнейшем для расчетов корреляционных сумм.

Рисунок 2 - Фрейм Настройка генератора

Включение сигнала, помехи и собственного шума приемника

С помощью CheckBox Сигнал, Помеха, Шум (см. рисунок 3) производится включение/выключение имитации полезного сигнала, аддитивной гармонической помехи и аддитивного собственного шума приемника соответственно.

Рисунок 3 - CheckBox'ы Сигнал, Помеха, Шум

Выбор полосы фронтенда

Установка полосы фронтенда производится во фрейме Полоса фронтенда (см. рисунок 4):

• Бесконечность - отсутствуют зеркальные каналы приема и внеполосные помехи, но спектр полезного сигнала ограничивается только частотой дискретизации (51.1 МГц);
• 6 МГц - отсутствуют зеркальные каналы и внеполосные помехи, спектр полезного сигнала ограничен фильтром с полосой 6 МГц;
• 1 МГц - отсутствуют зеркальные каналы и внеполосные помехи, спектр полезного сигнала ограничен фильтром с полосой 1 МГц.

Рисунок 4 - Фрейм Полоса фронтенда

На обобщенной схеме фронтенда отображается график спектральной плотности мощности сигнала на входе шумового АРУ. С помощью кнопки в правом верхнем углу производится открытие графика в отдельном окне.

Выбор разрядности АЦП

Установка числа разрядов АЦП производится во фрейме Квантование отсчетов АЦП (см. рисунок 5):

• Без квантования - квантование не производится, отсчеты хранятся в переменных типа double (64 бита, плавающая точка);
• Компаратор (1 бит) - входной сигнал АЦП пропускаются через компаратор, выходные отсчеты АЦП принимают значения $\left\{ -1; +1 \right\}$.

Рисунок 5 - Фрейм Квантование отсчетов АЦП

На обобщенной схеме фронтенда отображается осциллограмма сигнала на выходе АЦП (точки отсчетов соединены прямыми отрезками). С помощью кнопки в правом верхнем углу производится открытие графика в отдельном окне.

Выбор разрядности опорного сигнала коррелятора

Установка числа разрядов опорного сигнала коррелятора производится во фрейме Опорный сигнал (см. рисунок 6):

• Без квантования - квантование не производится, отсчеты хранятся в переменных типа double (64 бита, плавающая точка);
• 4 бита - опорный сигнал коррелятора принимает значения $\left\{ -7; -6; ... ; 0; ... ; 6; 7 \right\}$.

Рисунок 6 - Фрейм Квантование отсчетов АЦП

Выбор набора квадратур

Значение рассчитанных корреляционных сумм, как функции от разности задержек дальномерного кода сигнала и дальномерного кода опорных колебаний, отображается на графиках в нижнем правом углу (см. рисунок 7). Открытие графиков в отдельном окне выполняется посредством нажатия на соответствующую кнопку в правом верхнем углу.

Рисунок 7 - Графики вычисленных корреляционных сумм как функции разности задержек дальномерных кодов сигнала и опорных колебаний

Моделью рассчитываются три пары квадратур: earler, promt, later. Переключение между их отображением осуществляется с помощью выпадающего списка (см. рисунок 8)

Рисунок 8 - Выбор пары корреляционных сумм

Запуск пошаговой модели

Для более наглядного представления процессов, проходящих в аппаратном корреляторе, в правом верхнем блоке основного окна программы расположена интерактивная схема аппаратного коррелятора (см. рисунок 9).

Рисунок 9 - Выбор пары корреляционных сумм

Помимо настройки формирующего опорное ПСП регистра и изменения сигнала на выходе АЦП, пользователь может имитировать сигналы, поступающие в коррелятор:

• тактовые сигналы (clk) с помощью кнопок - подать один импульс, - включить тактовый генератор;
• сигнал сброса (R) с помощью кнопки .

Домашняя подготовка

• Ознакомиться с данным методическим пособием
• Создать шаблон отчета для результатов домашней подготовки и лабораторного задания
• Изучить разделы ИКД ГЛОНАСС L1 СТ и GPS L1 C/A, посвященные схемам формирования дальномерного кода. Привести схемы блоков формирования дальномерного кода в отчете.
• Привести выражения для статистических эквивалентов выходных отсчетов коррелятора.

Лабораторное исследование

• Отключить шум приемного устройства. В качестве значения полосы фронтенда выбрать «Бесконечность». Квантование принимаемой реализации и опорного сигнала отключить. Расстройку опорного сигнала по частоте установить нулевой. На основании ИКД установить параметры схемы формирования ДК. Перенести схему в отчет. Занести в отчет вычисленные корреляционные функции. Определить промежуточную частоту сигнала, полосу сигнала.

• Установить полосу фронтенда равной 6 МГц, 1 МГц. Перенести корреляционные функции в отчет. Оценить групповое время запаздывания.

• В качестве значения полосы фронтенда выбрать «6 МГц». Перенести в отчет наглядный отрезок сигнала. Включить шум. Сравнить квадрат СКО шума (считая размах за 3 СКО) и мощность сигнала. Определить отношение мощности сигнала к односторонней спектральной плотности шума: $q_{c/no}^{{}}=\frac{P_{s}^{{}}}{N_{0}^{{}}}$ (привести к размерности дБГц). Перенести в отчет отрезок реализации сигнала в смеси с шумом, корреляционные функции.

• Наблюдать за изменением шумовой составляющей корреляционных функций при изменении полосы фронтенда. Исследовать зависимость мощности шумовой составляющей корреляционных компонент от полосы фронтенда, сделать соответствующие записи в отчете.

• Выключить шум. Варьируя ошибку по частоте с шагом 200 Гц в диапазоне от -2 до +2 кГц, составить таблицу зависимости от ошибки по частоте компонент Ip, Qp при нулевой ошибке по задержке. Сравнить результат со статистическим эквивалентом.

• Включить шум. Исследовать влияние квантования входных отсчетов и опорных сигналов на корреляционные суммы.

• Включить узкополосную помеху, исследовать её влияние на корреляционные суммы. Определить отношение мощности помехи к мощности сигнала.

• Установить нулевую ошибку по частоте. В отсутствии узкополосной помехи при наличии шума приемника провести исследование процессов в пошаговой модели коррелятора.

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

Идеи

• Определить параметры линии задержки (в нс и тактах).