CC BY
36
STRUČNI ČLANCI
ANALIZA AKVIZICIJE SIGNALA U SOFTVERSKOM GPS PRIJEMNIKU
Sokolović S. Vlada, Vojna akademija, Katedra logistike, Beograd
UDC: 007:527.621]:004
Sažetak:
U radu je prikazana kritička analiza toka obrade signala u softverski realizovanom GPS prijemniku, kao i kritičko poređenje različitih arhitek-tura za obradu signala u okviru GPS prijemnika. Najpre je prikazana osnovna struktura GPS signala, a zatim i model softverskog prijemnika. Na osnovu prikazanog modela realizovan je prijemnik u programskom paketu MATLAB u kojem su izvršene simulacije obrade signala. Radi uporednog prikaza karakteristika pojedinih metoda početne sinhronizaci-je (akvizicije) signala prikazane su arhitekture obrade signala pojedinih metoda za implementaciju u softverskom prijemniku. Posebno su anali-zirani i opisani metodi serijske, paralelne i akvizicije pomoću metoda ci-klične konvolucije signala. Na osnovu izvršene analize i prikupljenih po-dataka predložen je najprihvatljiviji metod akvizicije za implementaciju u softverskom GPS prijemniku. Celokupna obrada signala izvršena je na signalu L1 i podacima prikupljenim pomoću ulaznog kola SE4110.
Ključne reči: GPS, akvizicija, obrada signala, softverski prijemnik.
Razvoj prvih GPS (Global Positioning System) prijemnika zasnivao se na analognoj tehnologiji prijema i obrade signala. Savremena tehno-logija omogućila je razvoj brzih mikroprocesora, što je pozitovno uticalo i na razvoj tehnologije izrade GPS prijemnika. Radi toga se neprekidno vrši analiza ponašanja i karakteristika GPS signala u raznim uslovima prostiranja elek-tromagnetnih talasa, kao i procesa akvizicije i praćenja signala sa satelita.
Uvod
sokosv@yahoo.com
Sokolović, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81-95
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Povećanje fleksibilnosti i smanjenje cene GPS uređaja za komerci-jalnu upotrebu, uključujući i mobilne uređaje moguće je ostvariti prime-nom tehnologije softverskog radija (SDR, Software Defined Radio). Pri-menom SDR ostvaruje se mogućnost zamene pojedinih hardverskih komponenti u GPS prijemniku.
Obrada signala u okviru SDR realizuje se pomoću programabilnih DSP (Digital Signal Processing) ili FPGA (Field Programmable Gate Array) kola, što omogućava jednostavnu promenu algoritama digitalne ob-rade signala i jednostavnu promenu parametara prijemnika.
Osnovni cilj ovog rada je da se izvrši analiza početne sinhronizacije signala u softverski realizovanom GPS prijemniku. Na osnovu analize različitih metoda akvizicije izvršeno je poređenje rezultata akvizicije i predložen najprihvatljiviji metod za implementaciju u softverskom GPS prijemniku.
Analiza postupaka akvizicije izvršena je primenom stacionarnog prijemnika na signalu L1. Softverski GPS prijemnik, korišćen u ovom radu, realizovan je primenom programskog paketa MATLAB, u kojem je i simu-liran tok obrade signala.
Osnovne karakteristike GPS signala
Satelit emituje GPS signal na dve učestanosti, L1 (1575.42 MHz) i L2 (1227.6 MHz), od kojih je učestanost L1 primarna, a učestanost L2 sekun-darna, korišćenjem CDMA (Code Division Multiple Access). Signali L1 i L2 modulisani su signalima proširenog spektra, koji čine jedinstvena pse-udoslučajna PRN (PseudoRandom Noise) [6] sekvenca i navigaciona po-ruka. Na taj način, primenom CDMA tehnike (tehnika izdvajanja signala sa kodnom raspodelom), moguće je izdvojiti i detektovati signal sa odgo-varajućeg satelita. U toku praćenja jednog signala, sa satelita koji se na-lazi u vidnom polju GPS prijemnika, pomoću CDMA tehnike, GPS prijemnik generiše PRN sekvencu satelita koji se prati, uzimajući u obzir Dople-rov efekat [2].
Učestanost L1 (154 f0) modulisana je pomoću dva PRN koda: pro-sti/akvizicijski C/A (Coarse/Acquisition) kod i precizni kod, P-kod (Precision code). C/A kod namenjen je za početnu akviziciju signala i omogu-ćava grubo određivanje pozicije GPS prijemnika. Precizni kod rezervisan je za institucije vlade SAD. Pored navedenih PRN kodova, modulacija signala L1 vrši se i podacima koji predstavljaju navigacionu poruku. Signal učestanosti L2 (120 f0), u nekom vremenskom intervalu, može biti mo-dulisana samo PRN P-kodom.
C8D
Model softverskog GPS prijemnika
Blok-šema softverskog GPS prijemnika prikazana je na slici 1. Pri-jemnik je realizovan kroz dva osnovna bloka. Blok u kojem se vrši obrada analognog signala i blok u kojem se vrši obrada digitalnog signala. Prvi blok realizuje se fizički i služi za prihvat signala sa satelita, filtriranje, spuštanje signala na MF i konverziju u digitalni oblik. U drugom bloku vrši se akvizicija GPS signala, praćenje sinhronizacije, detekcija, dekodiranje i proračun pozicije prijemnika. Drugi blok realizuje se softverski.
U radu je korišćeno ulazno kolo SE4110, izrađeno u ASIC tehnologi-ji, pomoć kojeg su prikupljeni podaci za obradu.
Akvizicija GPS signala
Nakon ulaznog kola, gde se signal digitalizuje, sledi softverska obrada signala. Blok-šema softverskog dela prijemnika prikazana je na slici 2.
Slika 2 - Blok-šema obrade signala u softverskom delu prijemnika
Radi detekcije navigacionih podataka prijemnik mora najpre da obez-bedi detekciju prisustva GPS signala. Kada se ustanovi prisustvo signala procesom akvizicije neophodno je odrediti učestanost nosioca i Doplerovu učestanost (fd), kao parametre neophodne za dalji proces obrade signala.
C83>
Sokolović, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81-95
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Promenljiva vrednost učestanosti nosioca posledica je kretanja prijemnika i satelita. Brzina kretanja satelita iznosi oko 929 m/s i glavni je uzročnik na-stajanja Doplerovog pomeraja učestanosti nosioca [2]. Za signal na uče-stanosti L1, fd izračunava se prema sledećoj jednačini:
fd
fL1Vs
c
1575.42 • 929 3 • 108
4.9 KHz
(1)
gde su vs - brzina kretanja satelita, c - brzina svetlosti.
Na osnovu prethodne jednačine za stacionarne prijemnike opseg pretraživanja fd uzima se u granicama ±5 kHz. Ukoliko se prijemnik nalazi na avionu tada se opseg pretraživanja kreće u granicama ±10 kHz, jer brzina kretanja aviona ima znatan uticaj na učestanost signala. Na ulaz bloka akvizicije dovodi se signal nakon A/D konverzije u ulaznom kolu, na MF učestanosti, pri čemu sadrži signale sa više satelita. Svi ti signali modulisani su različitim C/A kodom, pri čemu je početak svakog bloka C/A koda različit, kao i fd nosioca u svakom od signala. Zadatak bloka akvizicije jeste da prepozna signal sa svakog od satelita, odredi početak sekvence C/A koda, utvrdi učestanost nosioca i fazu C/A koda.
Demodulacijom signala nastaje BPSK (Binary Phase Shift Keying) modulisan signal kojem je relativno lako odrediti učestanost. Ova dva po-datka, učestanost i početak sekvence C/A koda, prosleđuju se u blok sin-hronizacije signala kao početni elementi podešavanja kola sinhronizacije.
U softverskom prijemniku akvizicija se vrši na bloku podataka. Traja-nje bita navigacionih podataka iznosi 20 ms ili 20 perioda C/A koda [5]. Za-to maksimalni blok podataka treba da iznosi 10 ms. U 20 ms moguće je da samo jednom nastane promena faze bita navigacionih podataka, odnosno promena faze signala. Ukoliko se uzme kao blok podataka od 10 ms mo-guće je da promena faze nastane samo jednom, ali sigurno neće nastati i u sledećih 10 ms. U ovom periodu od 10 ms, ukoliko nastane promena faze signala, proširenje spektra signala nije veliko. Recimo da promena faze nastane u 5 ms tada je širina spektra signala (2/5*10-3) = 400 Hz. Ovakav pik može biti detektovan, odnosno početak sekvence C/A koda određen.
Ograničenje dužine bloka podataka zbog posledica Doplerovog efekta na C/A kodu ima znatno manji uticaj u odnosu na prethodni slučaj. Ukoliko je, recimo, maksimalna korelacija usklađenih C/A kodova jedna-ka 1, tada je korelacioni pik jednak 0,5 za C/A kodove pomerene za 1. To odgovara oko 6 dB nižoj vrednosti korelacionog pika. Ukoliko je mak-simalno neslaganje C/A sekvenci 1 čipa tada je maksimalni fd za učesta-nost čipova C/A koda jednak 6,4 Hz. U vremenskom domenu to iznosi (1/2*6,4) = 78 ms. Ovo vremensko ograničenje mnogo je duže od 10 ms, te je zbog toga 10 ms uzeto kao blok obrade podataka [5].
C8D
U radu su analizirani sledeći metodi akvizicije, odnosno pretraživa-nja signala: serijsko pretraživanje, paralelno pretraživanje i ciklična kon-volucija. Cilj teorijske analize pojedinih metoda jeste da omogući izbor najprihvatljivijeg metoda u realizaciji softverskog GPS prijemnika.
Serijsko i paralelno pretraživanje signala
Jedan od metoda realizacije bloka akvizicije jeste putem serijskog pretraživača čija je blok-šema prikazana na slici 4. Serijska akvizicija je prva metoda korišćena u akviziciji CDMA tehnika prenosa signala. Ovaj metod još uvek ima primenu u pojedinim hardverskim prijemnicima. Na slici 5 prikazana je blok-šema paralelnog pretraživanja.
Slika 3 - Blok šema serijskog Slika 4 - Blok-šema paralelnog
pretraživača signala pretraživača signala
Kao što je prikazano na slici 3, ulazni signal množi se PRN sekvencom. Generator PRN sekvence ima mogućnost promene faze od 1 do 1023 čipa. Nakon množenja PRN sekvencom množi se sa lokalno generisanom replikom signala nosioca. Nakon toga nastaju dva signala I i Q, fazno pomereni za n/2.
U slučaju potpune sinhronizacije celokupna energija signala nalazi se u okviru I komponente. Realno to nije slučaj zato što se faza ulaznog signala ne zna unapred. Iz tog razloga neophodno je vršiti pretraživanje u obe gra-ne. U procesu korelacije koji sledi vrši se ispitivanje sinhronizacije signala iz lokalnog oscilatora LO sa ulaznim signalom. Kada korelacioni pik pređe od-ređeni prag smatra se da je postignuta sinhronizacija signala, tj. da je detek-tovano prisustvo signala za određenu PRN, nakon čega se signal dalje od-vodi u blok praćenja sinhronizacije, sa svim izmerenim parametrima.
Algoritam serijskog pretraživanja odvija se u dva pravca: prebrisava-nje učestanosti oko MF±10 kHz sa korakom od 500 Hz i pretraživanje faze čipa od ukupno 1023. Ukupan broj kombinacija izračunava se na osnovu jednačine (2) [4].
1023(2 +1) = 1023 * 41 = 41943 - kombinacija (2)
C85>
Sokolović, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81-95
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Na osnovu prikazane jednačine izračunava se broj koraka operacija koje prijemnik treba da uradi radi ispitivanja prisutnosti signala sa svih satelita. Očigledno je da je to veoma veliki broj kombinacija, što predsta-vlja i osnovni nedostatak ovakvog načina pretraživanja.
S obzirom na to da serijsko pretraživanje zahteva dugo vreme pretrage pristupa se nekim drugim metodama akvizicije signala. Ukoliko bi bilo mogu-će izdvojiti bilo koji parametar, učestanost ili fazu, i implementirati u proces paralelnog pretraživanja, proces akvizicije bio bi znatno ubrzan [2,4].
Metod paralelnog pretraživanja, prikazan na slici 4, zasniva se na Furijerovoj transformaciji ulaznog signala iz vremenskog u domen uče-stanosti. Ulazni signal dolazi do množača gde se množi sa replikom iz PRN generatora koji ima mogućnost promene faze sekvence u rasponu od 1 do 1023, za sve moguće signale paralelno.
Nakon toga vrši se Furijerova transformacija signala. Spektar ovog signala nalazi se oko centralne MF učestanosti nosioca. Ukoliko faze signala nisu usklađene spektar ovog signala pomeren je u odnosu na cen-tralnu MF učestanost nosioca.
Analizom 1 ms signala ukupan broj odbiraka nalazi se kao 1/1000 od učestanosti odabiranja. Ukoliko je učestanost odabiranja fs = 10 MHz onda je broj odbiraka N = 10000. Za diskretnu Furijerovu transformaciju dužine 10 000, prvih N/2 odbiraka predstavlja učestanosti od 0 do fs/2. Rezolucija učestanosti izračunava se prema jednačini (3):
Za razliku od metode serijskog pretraživanja, gde je rezolucija 500 kHz, u ovoj metodi pretraživanje rezolucijom od 1 kHz je znatno brže. U meto-di serijskog pretraživanja, gde se vrši pretraživanje i po fazi koda i uče-stanosti nosioca, u paralelnom pretraživanju vrši se pretraživanje ili po učestanosti ili fazi koda. Pretraživanje signala po učestanosti, na osnovu jednačine (2), pokazuje da je broj koraka jednovremenog pretraživanja svih signala jednak 1023. To pokazuje da je znatno brži od serijskog pre-traživača. Posledica toga je transformacija signala iz vremenskog u domen učestanosti, pri čemu nastaju gubici od 1,1 dB. Ukupno vreme obra-de iznosi 10 ms [4,5].
Ciklična konvolucija
Ukoliko signal prođe kroz linearni i vremenski invarijantni sistem izla-zni signal može se izračunati u vremenskom domenu konvolucijom ili u domenu učestanosti korelacijom. U daljem tekstu objašnjen je metod ci-klične korelacije kroz Furijerovu transformaciju [1,8].
fji = L = irnm = lkHz
(3)
N /2 N 10000
Na slici 5 prikazana je blok-šema paralelnog pretraživača faze koda u kojem je realizovana ciklična korelacija. Ulazni signal u blok pretraživa-nja množi se sa lokalno generisanim signalom, nakon čega nastaju I i Q signal u fazi i kvadraturi. Ova dva signala kombinuju se na ulazu u blok DFT i čine kompleksni signal x(n) = I(n) + jQ(n).
Slika 5 - Blok-šema paralelnog pretraživanja faze koda [4]
DFT ovog signala množi se konjugovanom DFT lokalno generisane PRN sekvence. Njihov proizvod prevodi se u vremenski domen u bloku IFFT. Apsolutna vrednost signala na izlazu predstavlja korelaciju ulaznog signala i PRN sekvence. Ukoliko je na izlazu prisutan korelacioni pik, nje-gov indeks označava fazu ulaznog signala.
Na slici 6 prikazan je proces dvodimenzionalnog pretraživanja signala po učestanosti i fazi koda. Celokupan opseg pretraživanja podeljen je na ćelije, tako da svaka ćelija predstavlja određeni PRN kod za odgovarajući fd ofset. Signal nastao korelacijom dovodi se na detektor sa unapred posta-vljenim pragom odlučivanja radi donošenja odluke o prisustvu signala. Ukoliko je korelacija uspešna nastavlja se dalji proces obrade. Obrada signala vrši se istovremeno za signale sa svih satelita. Faza koda pretražuje se u inkrementima od % čipa, a pretraživanje učestanosti nosioca zavisi od rezolucije odabiranja signala, jer prijemnik daje korelaciju za svaki odbirak.
Prilikom pretrage svake ćelije formira se anvelopa у]12 + Q2 koja
se poredi sa pragom detekcije u detektoru. Ukoliko signal prebacuje prag odlučivanja odvodi se u blok praćenja. Prag detekcije ujedno predstavlja i nivo šuma i postavlja se na osnovu spektralne gustine snage šuma i do-zvoljene verovatnoće greške. Ukupno vreme obrade iznosi 1 ms [5], koli-ko je i trajanje jedne sekvence C/A koda.
C87>
Sokolović, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81-95
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Precizno određivanje učestanosti signala nosioca
Kada je C/A kod detektovan i odstranjen iz signala ostaje BPSK mo-dulisan signal. Neka je najveća komponenta u spektru signala amplitude Xm(k) u trenutku m u okviru 1 ms signala, a k učestanost te komponente. Faza ovog signala nalazi se uz pomoć DFT iz jednačine koja sledi.
Qm (k) = tan
■1 f Im ( Xm (к)) '] l Re (Xm (к)) )
(4)
Neka se u kratkom trenutku n, nakon trenutka m, pojavi još jedan ko-relacioni pik, tako da se učestanost u kratkom intervalu relativno neće pro-meniti. Tada je faza ove komponente prikazana sledećom jednačinom:
6n (k)=tan
i f Im (Xn (k))" I Re (Xn (k)) )
(5)
Ove dve faze signala iskorišćene su za fino određivanje učestanosti signala pomoću jednačine (6).
f on (к) -en (к) (6)
2n(n - m)
Ova jednačina omogućuje mnogo bolje podešavanje učestanosti signala nego u slučaju DFT. Radi zadržavanja učestanosti signala nosioca na konstantan nivo između ove dve komponente u trenucima n i m, fa-zna razlika dn-dm mora biti manja od 2n/5 [5,7]. Vremenski opseg kon-stantne učestanosti za maksimalnu faznu razliku od 2n iznosi 1/(n-m). Neka je amplituda odbirka u k-tom trenutku X(k) nešto veća od X(k-1). Razlika u učestanosti ova dva signala može biti maksimalno 500 Hz [4,5]. Međutim, neka su učestanosti signala X(k) i X(k-1) međusobno bli-ske i veće od učestanosti signala X(k+1). Pri određivanju precizne uče-stanosti, faza signala može biti između X(k-1) i X(k) ili X(k) i X(k+1).
Poređenje metoda akvizicije
Sinhronizacija PSS u praksi je veoma složen problem, jer su koriš-ćene dugačke sekvence, odnos (S/N) na ulazu u prijemnik je nizak, a če-sto je potrebno izvršiti sinhronizaciju u prisustvu interferirajućeg signala. Osnovni parametar za poređenje različitih postupaka sinhronizacije je srednje vreme sinhronizacije. Konvencionalno, smatra se da je sistem za ostvarivanje početne sinhronizacije optimalan ako se sinhronizacija ostvaruje sa zadatom verovatnoćom u što kraćem vremenu.
Tabela 1
Vreme početne sinhronizacije u zavisnosti od primenjene metode obrade
Primenjena metoda Vreme izvršenja (ms) Broj operacija
Serijsko pretraživanje 87 41943
Paralelno pretraživanje 10 1023
Ciklična konvolucija 1 41
Poređenjem svih metoda pretraživanja ciklična konvolucija (paralel-no pretraživanje faze koda) svodi se na pretraživanje opsega od 41 fd učestanosti sekvence u najkraćem vremenu izvršenja svih operacija. Ovom metodom postiže se i znatno bolja rezolucija učestanosti i faze koda, jer daje korelaciju svakog odbirka. Iz tabele 1 vidi se da je primenom metode ciklične konvolucije potrebno izvršiti najmanji broj operacija za is-pitivanje svih kombinacija pretraživanja signala. Na taj način ovaj metod je najprihvatljiviji za realizaciju akvizicije u softverskom GPS prijemniku. Primena serijskog pretraživanja u softverskoj realizaciji zahtevala bi veći broj memorijskih lokacija za smeštanje podataka pri akviziciji za razliku od metoda paralelnog pretraživanja ili ciklične konvolucije.
Radi sagledavanja toka obrade signala i dobijenih rezultata pomoću metode ciklične konvolucije, u tabeli 2 prikazani su rezultati merenja na osnovu signala snimljenih 31. 10. 2008. godine u 19.00 časova. Prikazano je 7 de-tektovanih signala i vrednosti izmerene faze i MF učestanosti nosioca. U dru-goj koloni prikazana je PRN sekvenca sa određenog satelita. Za svaki signal određena je Doplerova učestanost i ofset koda izražen u čipovima.
Tabela 2
Signali sa satelita prisutni na ulazu u prijemnik, detektovani u procesu akvizicije
Kanal PRN MF (Hz) Doplerov ofset (Hz) Ofset koda (čip)
1 19 3.84068e+004 7 513
2 14 4.02487e+004 1849 3063
3 11 4.19736e+004 3574 1488
4 22 3.66820e+004 -1718 4701
5 32 4.19033e+004 3503 4990
6 3 3.61513e+004 -2249 2114
7 6 3.60108e+004 -2389 344
Na slici 6 prikazana je korelacija merenog signala i lokalno generisa-ne replike za PRN 19 iz tabele 2. Pored utvrđivanja koji je PRN u pitanju, u ovom slučaju PRN 19, potrebno je odrediti i početak C/A sekvence.
C89>
Sokolović, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81-95
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Slika 6 - Korelacija ulaznog signala i lokalne replike
Slika 7 - Precizno određivanje učestanosti signala nosioca
Na slici 6 maksimum korelacije postiže se na 513. čipu, što označa-va početak C/A sekvence. Pored toga, treba utvrditi fazu koda i učesta-nost signala nosioca. Učestanost signala ispitivana je u opsegu ±7 kHz oko centralne MF signala, sa koracima od 500 Hz zbog uticaja Doplero-vog efekta. Međutim, to je gruba rezolucija.
Na slici 7, na primeru signala PRN 6 iz tabele 2, prikazan je postupak preciznog određivanja učestanosti nosioca. Gruba rezolucija od 500 Hz propustiće prisustvo signala između -6 kHz, odnosno -6.5 kHz.
Na slici 7 vide se dve jake amplitude signala između ove dve učesta-nosti. Poređenjem njihovih faza i amplituda utvrđuje se precizna učesta-nost signala nosioca na osnovu jednačine (6).
Slika 8 - Detekcija signala za PRN 19 Slika 9 - Rezultat akvizicije za prag
detekcije 2.5
Na slici 8 prikazan je detektovani signal za PRN 19. Pik pokazuje položaj detektovanog signala u celokupnom opsegu pretraživanja. Mere-
nja pokazuju da fd iznosi 7 Hz, a faza C/A koda 513 čipa. S obzirom na to da za stacionarne prijemnike fd ne prelazi 5 kHz, maksimalni opseg pre-traživanja postavljen je na MF±5 kHz. Sa slike 8 se vidi da je signal rela-tivno jak u odnosu na prisutni šum, jer su bočni lobovi mnogo ispod mak-simalnog pika.
Na slici 9 prikazan je detektovani signal za PRN 6. S obzirom na to da je amplituda detektovanog signala mnogo manja u odnosu na PRN19, cilj je da se pokaže kako izgleda akvizicaja signala sa manjim odnosom S/N. Na slici 9 prikazani su visoki bočni lobovi nastali procesom korelaci-je kao posledica šuma. Izmerena Doplerova učestanost ovog signala iznosi -2249 Hz, a faza koda 344 čipa.
Postavljanje praga detekcije ima bitnu ulogu pri donošenju odluke o detekciji signala. Pri ispitivanju relativno slabih signala moguća je pojava lažnog alarma zbog čega je bitno postaviti odgovarajući prag odlučivanja. Prag detekcije postavlja se na osnovu srednje snage šuma i verovatnoće lažnog alarma.
Na slikama 10 i 11 prikazani su detektovani signali u procesu pretra-živanja. Rezultati merenja detektovanih signala prikazani su u tabeli 2. Na pomenutim slikama vidi se da u zavisnosti od opsega pretraživanja Doplerovih učestanosti, u kojima se vrši pretraživanje signala, neki signali mogu biti detektovani, a neki ne.
Slika 10- Rezultat pretraživanja signala u opsegu pretraživanja MF ± 5 kHz
Slika 11 - Rezultat pretraživanja signala u opsegu pretraživanja MF ± 2.5 kHz
Na slici 11 prikazan je rezultat za opseg pretraživanja MF± 2.5 kHz. Za razliku rezultata na slici 10, gde je opseg pretraživanja signala MF± 5 kHz, vidi se da signal sa satelita PRN11 nije detektovan, jer fd za PRN11 iznosi 3574 Hz. S obzirom na to da za stacionarne prijemnike fd ne prelazi 5 kHz, maksimalni opseg pretraživanja postavljen je na MF± 5 kHz.
dD
Sokolović, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81-95
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
Rezultat akvizicije, Prag detekcije 2.5
^^HhJema signala 1 1 Detektovani sianali
1 II
1 1 Ml iiiill
0 5 10 15 20 25 30
PRN broj satelita
Slika 12 - Rezultat akvizicije za prag detekcije 2.5
Slika 13 - Rezultat akvizicije za prag detekcije 3
Na slici 12 i slici 13 prikazani su rezultati akvizicije za različite prago-ve detekcije. U prethodnim analizama prag detekcije bio je postavljen na 2.5 [4,7]. Na slici 12 prikazani su rezultati akvizicije za prag detekcije 2.5.
Na slici 13 prikazan je rezultat akvizicije za signal sa pragom detekcije 3. Tom prilikom nema detekcije signala za PRN 6, jer nivo signala ne prelazi zadati prag odlučivanja.
Prag detekcije ne sme se preterano smanjivati jer može doći pojave lažnog alarma, tj. biće detektovan nepostojeći signal. U tabeli 3 prikazani su rezultati pretraživanja i početne sinhronizacije, akvizicije, kada je prag detekcije 2. Za razliku od slučaja kada je prag detekcije 2.5, sada je de-tektovano prisustvo još dva signala. Detektovani signali za PRN1 i PRN8 prikazani su u tabeli 3, pod rednim brojem 8 i 9. U ovim signalima, zbog relativno male srednje snage signala, izražen je uticaj šuma, te iz njih ne mogu biti detektovani navigacioni podaci. Na ovom primeru pokazan je značaj pravilnog postavljanja praga detekcije. Najpogodnije rešenje jeste postavljanje adaptivnog praga detekcije signala.
Tabela 3
Rezultati akvizicije signala za prag detekcije 2
Kanal PRN MF Doplerov ofset (Hz) Ofset koda (čip)
1 19 3.84068e+004 7 513
2 14 4.02487e+004 1849 3063
3 11 4.19736e+004 3574 1488
4 22 3.66820e+004 -1718 4701
5 32 4.19033e+004 3503 4990
6 3 3.61513e+004 -2249 2114
7 6 3.60108e+004 -2389 344
8 1 7.59395e+003 -45994 3378
9 8 9.65439e+003 -48054 3950
Zaključak
Dve osnovne komponente prijemnika, realizovanog primenom SDR tehnologija, jesu ulazno kolo i softver za obradu signala. Drugi deo GPS prijemnika predstavlja softver za digitalnu obradu signala. Različiti algoritmi za realizaciju akvizicije i praćenja GPS signala pokazuju fleksibilnost soft-verskog prijemnika u pogledu obrade signala radi određivanja najprihvatlji-vijeg rešenja, uz uslov što preciznijeg određivanja pozicije prijemnika.
Kao najpogodniji metod za realizaciju akvizicije određen je metod sa primenom ciklične konvolucije zbog mogućnosti preciznog merenja uče-stanosti signala i kratkog vremena obrade. Metodom ciklične konvolucije postiže se dobra rezolucija merenja učestanosti signala, jer se dobija kore-lacija za pomeraj u vremenu trajanja jednog perioda odabiranja signala.
Ukoliko je učestanost odabiranja 8.184 MHz onda postoji 8000 razli-čitih faza signala. Na taj način preciznost određivanja faze koda znatno se povećava u odnosu na metod serijskog ili paralelnog pretraživanja.
Dodatnu prednost metode ciklične konvolucije u procesu akvizicije predstavlja brzina obrade signala, pošto se u ovom slučaju lokalna repli-ka signala generiše samo jednom, a zatim se izračunava korelacija sa promenljivim ulaznim signalom.
Preciznost određivanja učestanosti nosioca i Doplerove učestanosti, primenom ciklične konvolucije sa većim brojem faza signala, vrši se sa preciznošću do 2 Hz, poređenjem susednih faza signala.
Literatura
[1] Dukić, L. M., Principi Telekomunikacija, Akademska misao, Beograd, 2008.
[2] Misra, P., Enge P., Global Positioning System, signals, measurements and performance, Ganga-Jamuna Press, 2006.
[3] Kaplan, E., Understanding GPS Principles and Applications, MitreCor-poration, Bedford MA, 1996.0
[4] Render, P., Kai, B., Software-Defined GPS and Galileo Receiver, Birk-hauser, 2006.
[5] Bao, J., Tsui, Y., Fundamentals of Global Positioning System Receivers, John Wiley & Sons, New Jersey, 2005.
[6] Radojević, S., Ćurčić, J., Razvoj Globalnih Satelitskih Navigacionih Si-stema, Vojnotehnički glasnik br. 3, str. 111-126, Beograd, 2009.
[7] Meyr, H., Moeneclaey M., Synchronization, Channel Estimation, and Signal Processing, John Wiley & Sons, New York, 1998.
[8] Marvin, K., Spread Spectrum Communication Handbook, McGraw-Hill, New York 1994.
<$>
Sokolović, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81-95
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1 / 11
ANALYSIS OF SIGNAL ACQUISITION IN GPS RECEIVER SOFTWARE
Summary:
This paper presents a critical analysis of the flow signal processing carried out in GPS receiver software, which served as a basis for a critical comparison of different signal processing architectures within the GPS receiver.
It is possible to achieve Increased flexibility and reduction of GPS device commercial costs, including those of mobile devices, by using radio technology software (SDR, Software Defined Radio). The SDRapplication can be realized when certain hardware components in a GPS receiver are replaced.
Signal processing in the SDR is implemented using a programmable DSP (Digital Signal Processing) or FPGA (Field Programmable Gate Array) circuit, which allows a simple change of digital signal processing algorithms and a simple change of the receiver parameters.
The starting point of the research is the signal generated on the satellite the structure of which is shown in the paper. Based on the GPS signal structure, a receiver is realized with a task to extract an appropriate signal from the spectrum and detect it. Based on collected navigation data, the receiver calculates the position of the end user.
The signal coming from the satellite may be at the carrier frequencies of L1 and L2. Since the SPS is used in the civil service, all the tests shown in the work were performed on the L1 signal.
The signal coming to the receiver is generated in the spread spectrum technology and is situated below the level of noise. Such signals often interfere with signals from the environment which presents a difficulty for a receiver to perform proper detection and signal processing. Therefore, signal processing technology is continually being improved, aiming at more accurate and faster signal processing.
All tests were carried out on a signal acquired from the satellite using the SE4110 input circuit used for filtering, amplification and signal selection. The samples of the received signal were forwarded to a computer for data post processing, i. e. the whole receiver is software implemented in a MATLAB software package.
One of the processes during the signal processing is the initial synchronization (acquisition), where a signal is detected and the carrier frequency is determined as well as the phase sequence code and the carrier Doppler frequency. The acquisition aim is to determine, in the shortest time possible, the parameters of the detected signals and forward them to the next block in synchronization. Depending on the speed and accuracy of the signal parameter determination, different methods of acquisition are applied in practice.
The paper presents the methods of serial, parallel and cyclic convolution. For comparison purposes, the architectures of signal processing of particular methods for implementation in receiver software are shown.
All measurements were performed on the same signal under the same conditions. On the basis of the tests performed, a detailed analysis of the collected data was carried out and the most acceptable acquisition method for implementation in software GPS receiver was proposed. Because of a relatively high level of noise at the receiver entrance and the received signal interference, the comparison of the results has been done on the basis of the analytical results and the mean time of signal synchronization.
The measurement results are shown in tables for easy comparison. The results of measurements using the proposed method are presented as well.
The technology of receiver software allows the user to access easily to the architecture of the receiver and therefore allows a simple change of parameters. The influence of the parameters on the process of signal acquisition is also shown in the paper. The graphic presentation shows how and to what extent some of the parameters affect the process of the receiver signal processing.
All listed acquisition methods are used in practice. The proposed method is the most suitable for application in software receivers. Based on the analysis, a constructor can apply an adequate acquisition method, depending on the requirements of the final user.
Key words: GPS, acquisition, signal processing, software receiver.
Datum prijema članka: 05. 10. 2009.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa: 07. 10. 2009.
Datum konačnog prihvatanja članka za objavljivanje: 08. 10. 2009.
Sokolović, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81-95
