Моделирование радиотракта приемника GPS И. И. Добрынин

Моделирование радиотракта приемника GPS
И. И. Добрынин, студент гр. 1В9 каф. СРС
Научный руководитель Якушевич Г. Н., доцент каф. СРС
В докладе представлено моделирование ВЧ тракта приемника СРНС GPS,
построенного по схеме с двойным преобразованием частоты.
Введение
В настоящее время спутниковые радионавигационные системы (СРНС) развиваются
стремительными темпами. Все передовые, в техническом плане страны, или уже имеют
собственные СРНС, или активно развивают их: Система Глобального Позиционирования
(GPS – Global Positioning System) – в США, ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая
Система (ГЛОНАСС) – в России, система ГАЛИЛЕО (GALILEO) – в странах Евросоюза,
СРНС «Бэйдоу» - в Китае. Это показывает актуальность данной темы в рамках группового
проектного обучения.
Глобальную навигационную спутниковую систему (GNSS) можно разделить на три
сегмента: космический сегмент (спутниковое созвездие, СС), оперативный сегмент
контроля (наземная сеть опорных станций/мониторинга, ОСК), пользовательский сегмент
(совокупность всех пользовательских приемников, ПС).
ПС представляет собой специальную аппаратуру потребителя – приемник
пользователя, который обрабатывает сигналы GPS для определения местоположения,
скорости его передвижения и локального времени. Приемник пользователя представляет
собой цифро-аналоговое устройство. Принятые в аналоговом виде сигналы подвергаются
предварительной обработке – фильтрации, усилению, понижению частоты, для того,
чтобы обеспечить возможность дальнейшего преобразования их к цифровому виду,
оптимальному для вычислительной работы и предоставления пользователю конечных
данных в приемлемом виде.
Цель работы
Целью данной работы является моделирование приемного ВЧ тракта аппаратуры
потребителей СРНС GPS.
Теоретическая часть
Для передачи информационных данных в GPS отведено три диапазона частот: L1
(1563-1587 МГц), L2 (1217-1237 МГц) и L5 (1164-1188 МГц). Приемные ВЧ тракты для
каждого из диапазонов принципиально друг от друга не отличаются. В докладе
рассматривается прием сигнала в диапазоне частот L1.
Структурная схема РЧ приемника изображена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема приемника GPS
Входной сигнал из антенного блока поступает на малошумящий усилитель (МШУ).
После МШУ, на полосовом фильтре (ПФ1) происходит высокочастотная фильтрация
сигнала. Первый ПФ должен быть настроен на среднюю частоту принимаемого диапазона,
и обеспечивать достаточное ослабление по зеркальному каналу приема. Первая
промежуточная частота (ПЧ) составляет 102 МГц, а центральная частота диапазона L1 –
1575 МГц. Соответственно, первый ПФ должен обеспечивать достаточное ослабление на
частотах 1670 МГц и выше.
После фильтрации сигнал подвергается первому преобразованию частоты, в
результате чего спектр сигнала переносится на частоту 102 МГц (первая ПЧ). После
преобразования частоты необходима повторная фильтрация с помощью ПФ2.
Центральная частота ПФ2 составляет 102 МГц, а его полоса пропускания – не более 20
МГц.
Далее сигнал подвергается второму преобразованию частоты, после которого он
переносится на вторую промежуточную частоту 10 МГц. После второго преобразования
частоты, и последующих фильтрации и усиления, сигнал поступает на АЦП и далее на
цифровой вычислитель.
Практическая часть
Моделирование приемного ВЧ тракта производилось в среде Simulink пакета
MatLab. Схема приемо-передатчика представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема приемо-передатчика
Так как среда MATLAB достаточно требовательна к ресурсам компьютера, и
реализовать частоты, используемые в системе GPS – задача труднореализуемая, то было
решено нормировать все частотные и временные параметры. Таким образом, все частоты
были уменьшены в
раз:

принимаемая частота – 157,5;

частота первого гетеродина – 147,3;

первая ПЧ – 10,2;

частота второго гетеродина – 9,2;

вторая ПЧ – 1.
Блоки Uniform Random Number, Sign, Sine Wave3 и Product выполняют функции
передатчика радиосигнала, в состав которого входят генератор информационной
последовательности (Uniform Random Number, Sign) и BPSK-модулятор (Sine Wave3,
Product). На рисунке 3 изображены графики информационной последовательности,
сигнала, поступающего в ЛС:
Рисунок 3. Информационная последовательность и сигнал в ЛС
Принятая последовательность поступает на малошумящий усилитель, а затем на
полосовой фильтр, настроенный на частоту принимаемого сигнала (1575 МГц). Полоса
пропускания этого фильтра – 100 МГц (10 – после нормировки). График сигнала после
фильтра изображен на рисунке 4:
Рисунок 4. Сигнал после первого полосового фильтра
Как видно из графика, фильтр является причиной искажений при смене значений
битов.
Затем производится два преобразования с понижением частоты сигнала. Первая
промежуточная частота составляет 102 МГц. Полоса пропускания Analog Filter Design – 2
МГц (0,2). Графики сигнала после первого ПЧ и после фильтрации изображены на
рисунке 5:
Рисунок 5. Сигнал после первого ПЧ и после второго фильтра
Как видно из графиков, второй полосовой фильтр так же вносит искажения.
После фильтрации сигнал снова усиливается и поступает на второй ПЧ, а после него
– на третий полосовой фильтр. Значение второй промежуточной частоты – 10,23 МГц
(1,023) – скорость передачи данных системы GPS. Полоса пропускания фильтра – 2 МГц
(0,2). Графики сигнала после второго ПЧ и после фильтрации изображены на рисунке 6:
Рисунок 6. Сигнал после второго ПЧ и после третьего фильтра
Восстановленная последовательность изображена на рисунке 7. Для наглядного
представления того, что в восстановленной последовательности нет ошибок, на верхнем
рисунке изображена исходная информационная последовательность.
Рисунок 7. Исходная и восстановленная последовательности
Заключение
В докладе рассмотрена практическая реализация и моделирование ВЧ тракта
приемника потребителя СРНС GPS. Приведенная схема реализации приемника с двойным
преобразованием частоты, имеет свои плюсы и минусы, и, хотя и получила широкое
распространение, не является единственно возможной. Проведенное моделирование
приемника позволяет в дальнейшем сравнить данную схему с другими возможными
вариантами реализации ВЧ радиотракта.
Литература
1. Д. Дардари, Э. Фаллетти, М. Луизе Методы спутникового и наземного
позиционирования. Перспективы развития технологии обработки сигналов. – М.:
Техносфера, 2012 г. – 528 стр..
2. GPS & GLONASS RX [Электронный ресурс]. –
http://lea.hamradio.si/~s53mv/navsats/theory.html , свободный.
Режим
доступа: