на тему: НАУЧНАЯ РАБОТА

НАУЧНАЯ РАБОТА
на тему:
ИСCЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ
ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИГНАЛОВ СРНС ГЛОНАСС
Научный руководитель:
д.т.н., профессор Перов А.И.
Студентка: Астанкова Н.Д.
Учебная группа: ЭР-20-07
Москва, 2013
Постановка задачи.
• Конечной задачей навигации является извлечение информации об
изучаемых объектах, а точнее – координат и скорости.
В виду того, что необходимо повышать качество приема сигнала, к
2014 году было решено изменить тип структуры навигационных
сигналов. Такими перспективными сигналами в СРНС ГЛОНАСС
являются сигналы с кодовым разделением. Для них вводится новый
способ модуляции на поднесущих частотах, дающий более точные
результаты измерений.
• В настоящее время наличие цифровой информации в передающемся
сигнале значительно ухудшает условия измерения параметров.
Поэтому для перспективных сигналов так же вводится более удобный
вид, представляющий сумму сигналов, содержащих и не содержащих
цифровой информации.
• Таким образом, актуальной задачей является разработка сигнала
нового типа и исследование алгоритмов его обработки, в том числе
слежение за задержкой, и извлечения информации.
Цель работы:
Создание модели перспективного сигнала СРНС ГЛОНАСС, изучение
его характеристик и исследование систем слежения за задержкой
сигнала с BOC-модуляцией.
Основные сведения о новых сигналах
• В системах с кодовым разделением излучение сигналов происходит на
одной частоте, но каждый сигнал модулируется определенным кодом. В
основе кодового разделения лежит условие ортогональности сигналов,
при котором ВКФ, характеризующая степень похожести сигналов, равна
нулю.

R ( )   s (t )  s (t   )dt  0
12
2
 1
• Для обеспечения правильного функционирования СРНС используются
шумоподобные сигналы (ШПС), являющиеся широкополосными и
обладающие большой базой сигнала.
B  F T
эф эф
1
Мы рассматриваем один из видов ШПС, применяемый в ГЛОНАСС,−
фазоманипулированные сигналы. У таких сигналов в дискретные
моменты времени фаза изменяется на дискретную величину по
определенному псевдослучайному закону.
Для перспективных сигналов вводится новый способ модуляции на
поднесущих частотах ВОС(1,1), так как он отличается более высокой
точностью измерения задержки сигнала.
• Также вводится более удобный вид самого сигнала, представленного в
виде суммы сигналов, содержащих и не содержащих цифровую
информацию. Таким образом, сигнал цифровой информации не ухудшает
условия измерения необходимых параметров при приеме.
Сигнал DATA
Функция модуляции сигнала BPSK(1)
• Сигнал навигационной
информации:
1
0.8
0.6
S DATA  AhНС cos( wt   )hРМ (t )
R(


 1
)  



0.


Амплитуда
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
1
2
3
4
5
6
Время, [с]
7
8
9
10
-6
Корреляционная функция модуляции сигнала BPSK(1)
x 10
1
0.9
0.8
0.7
Амплитуда
модулирован бинарной фазовой
модуляцией BPSK, в основе
которой лежит периодическая
кодовая последовательность с
изменением амплитуды [-1,1] –
дальномерный код.
Применяется модуляция
BPSK(1) с частотой следования
символов кода Fbpsk=1Fb МГц
кратной заданной базовой частоте
Fb=1.023 МГц. Длительность
одного символа кода 1/ Fbpsk=1
мкс.
• Корреляционная функция:
0.4
0.6
0.5
0.4
0.3




 , при
c

  c ;
0.2
0.1
0
-1
-0.5
0
Время, [с]
0.5
1
-6
x 10
• Спектральная плотность мощности:





c


f ) 
2
sin(



f c 
N0 ( f 0 )  c  sin( f  c )   1

 f  c 
f


 f

f c 
2
Спектральная плотность функции модуляции сигнала BPSK(1)
Спектральная плотность функции модуляции сигнала BPSK(1)
35
1
0.9
30
0.8
Амплитуда сигнала, [dB]
25
Амплитуда
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
15
10
5
0.2
0.1
0
0
-5
20
-4
-3
-2
-1
0
1
Частота, [Гц]
f  2  f c
2
3
4
5
6
x 10
-5
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Время, [с]
2
3
4
5
6
x 10
Сигнал PILOT.
•
Сигнал данных, без цифровой компоненты:
0.8
S PILOT  AhДК cos(wt   )
0.6
0.4
Амплитуда ДК
модулирован бинарной модуляцией на
поднесущих BОС(fsub, fchip). Функция
модуляции ВОС определяется выражением:
g BOC (t )  g BPSK (t )sign(sin( t /  S  ))
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
, где:
 S  1/ (2 f sub )  1/ (2mf c ) - длительность
-0.8
половины периода модулирующей
гармонической функции.
При модуляции BОС(1,1) на одном символе
кода сигнала BPSK(1) «укладывается» один
период цифровой синусоиды.
Нормированная корреляционная функция :


(1) 1  1  2  2

p


 BOC (1.1) ( )   при    ,
c



0, при других  .

-1
0


, где:
p  1,   2  /  c  - целочисленный параметр.


2
3
4
Время, [с]
5
6
7
8
-6
x 10
1
0.8
0.6




p   p   4 p  2  1  (1) 1   1 ,
c

 c


1
Корреляционная функция модуляции сигнала BOC(1,1)

Амплитуда
•
Функция модуляции сигнала BOC(1,1)
1
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Время, [с]
0.4
0.6
0.8
1
-6
• Спектральная плотность мощности модулирующего сигнала с
модуляцией ВОС(1,1) и начальной фазой равной нулю:
N BOC (1.1) ( f )  1 sin c2 ( f f c )tg ( f ), при четном k  2
2 fs
fc
Спектральная плотность функции модуляции сигнала BOC(1,1)
Спектральная плотность функции модуляции сигнала BOC(1,1)
1
35
0.9
30
0.8
25
Амплитуда, [dB]
Амплитуда
0.7
0.6
0.5
0.4
20
15
10
0.3
5
0.2
0
0.1
0
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Частота, [Гц]
2
3
4
5
6
x 10
-5
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Частота, [Гц]
2
3
4
5
6
x 10
Мультиплексированный сигнал.
Наиболее эффективный способ объединения сигналов - метод временного
мультиплексирования. Для реализации временного мультиплексирования длительность
символа кода увеличивается в два раза на оси временного мультиплексирования
Суть метода: ось суммарного сигнала разбивается на равные промежутки времени –
длительности символов кода. На такие же промежутки разбиты оси самих принимаемых
сигналов. Сигналы обязательно синхронизированы по времени.
Тогда на ось суммарного сигнала поочередно
переставляются элементы компонент:
Такой способ сложения можно легко представить
при помощи устройства ключ, когда при подаче
определенного
разрешающего
сигнала на устройство
в течение заданного
времени ключ
переключается то на
сигнал Pilot, то на
сигнал Data.
В данной модели на
длительность символа
кода приходится
сто отсчетов.
1
0.5
0
-0.5
-1
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1
0.5
0
-0.5
-1
1
0.5
0
-0.5
-1
Спектральная плотность мультиплексированной модулирующей функции
Спектральная плотность мультиплексированной модулирующей функции
35
1
0.9
30
0.8
25
Амплитуда, [dB]
0.6
0.5
0.4
20
15
10
0.3
5
0.2
0
0.1
0
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
Частота, [Гц]
2
3
4
-5
-5
5
-4
-3
-2
-1
0
1
Частота, [Гц]
6
x 10
2
3
4
Корреляционная функция мультиплексированного сигнала
5
6
x 10
1
0.9
f  4  f c
0.8
0.7
• Корреляционная функция:
MULT ( )  12 BPSK (1) ( )  12 BOC (1,1) ( )
Амплитуда
Амплитуда
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
Время, [с]
0.4
0.6
0.8
1
-6
Следящая система за задержкой сигнала.

k  текущая
U Дk (k )
y (t j ,  j )
Дискриминатор
Фильтр
Опорный
генератор
U ОП (t j ,  j )
оценка
k  экстраполированная
оценка (предсказанная )
Дискриминатор - это устройство, сигнал на выходе которого пропорционален
рассогласованию между оценками входного и опорного сигналов.
В теории оптимальной фильтрации при приеме сигнала на фоне гауссовского
белого шума процесс на выходе дискриминатора определяется соотношением:
  ln
U Дk  


T
f (Y1M ,  ) 



 k
При большом отношении сигнал/шум, дискриминатор работает только по
Pilot-компоненте. Для неё:

T
  ln f (Y1M , ) 
U Дk ( k )  








  k
A
M
 n2 
l 1
y(tk 1) 
h
ДК
(tk 1   k )

 cos(0  tk 1  k )
Схема дискриминатора для Pilot-компоненты
Опережающая компонента (early):
M
A
I E ,k  2  y(tk 1,l ) h
n
l 1
(tk 1  ( k   )  cos(0  tk 1  k )
ДК
2
Запаздывающая компонента (late):
M
A
I L,k  2  y(tk 1,l ) h
(tk 1  ( k   )  cos(0  tk 1  k )
ДК
2
 n l 1
I I
Итоговая зависимость:
U Дk (t )  E ,k L,k

h
ДК
(tk 1  ( k 

2
)
cos(0  tk 1  k )
M

l 1
1

y(tk 1,l )
cos(0  tk 1  k )
h
ДК
(tk 1  ( k 

2
)
M

l 1
U Д  (tk )
Процесс на выходе дискриминатора:
u Дk (k )  U (k , k ) k
где


U (k , k )  M u Дk (k )  - среднее значение процесса на выходе дискриминатора;


- флуктуационная составляющая.
k
Две важнейшие характеристики оценки параметров:
1)      
- дискриминационная характеристика, как аргумент
функции U (k , k; )
2) D  M k 2  при    0 - флуктуационная составляющая выходного процесса.


Корреляционная функция модуляции сигнала BOC(1,1)
1
1
0.5
0.5
Ud()
Амплитуда
Для сигнала
BOC(1,1) ДХ
принимает
соответствующий
расчетам вид:
5
x 10 Дискриминационная характеристика
0
0
-0.5
-1
-0.5
-1
-0.5
0
Время, [с]
0.5
1
-1
-6
x 10
-0.5
0
 /
0.5
1
-6
x 10
Выводы по проделанной работе:
• В работе были изучены типы и характеристики перспективных
навигационных сигналов системы ГЛОНАСС.
• Создана математическая модель перспективного навигационного
сигнала с кодовым разделением, состоящего из суммы двух
компонент.
• Выявлено, что наилучшим способом объединения компонент
передаваемого сигнала является метод временного
мультиплексирования.
• Создана модель дискриминатора для оценки задержки сигнала при
большом отношении сигнал/шум и работе с Pilot-компонентой.
• Также создана модель дискриминатора для мультиплексированного
сигнала, но требует отладки и доработки за оставшийся период
времени.
Все теоретические расчеты подтверждены моделированием
в пакете MatLab.