CC BY
29
СИНХРОНИЗАЦИЯ НАВИГАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ
Черникова А.С.
Черникова Александра Сергеевна - бакалавр, кафедра телекоммуникационных систем, Национальный исследовательский университет МИЭТ, г. Зеленоград
Аннотация: в статье представлен разработанный метод синхронизации навигационных сигналов, а также рассмотрены существующие методы синхронизации.
Ключевые слова: синхронизация, навигационные сигналы.
В настоящее время спутниковая радионавигация является одной из важнейших технологий. В основах государственной политики России, США и Евросоюза в отношении систем координатно-временного и навигационного обеспечения, глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) являются ключевым элементом. Глобальные навигационные спутниковые системы обеспечивают информационную независимость и безопасность государств. В связи с этим возникает необходимость корректной и быстрой синхронизации навигационного сигнала.
При демодуляции принятых навигационных сигналов квадратуры приобретают паразитную амплитудную модуляцию. Этот эффект происходит из -за сдвига фазы при доплеровском смещении центральной частоты, рассогласовании опорных генераторов приемника и передатчика и других эффектах при распространении радиоволн от НКА до поверхности Земли. Несовпадение частот можно представить в виде непрерывного роста фазы принимаемых сигналов относительно начальной фазы опорного сигнала демодулятора [1].
При определении неопределенности по частоте и времени необходимо учитывать следующее:
1. Неопределенность в расстоянии между приемником и передатчиком переходит в неопределенность во времени задержки распространения сигнала.
2. Несоответствия в работе тактовых генераторов приемника и передатчика приводят к разности фаз между соответствующими расширяющими сигналами, которая имеет тенденцию к росту как функция времени, затраченного на синхронизацию.
3. Неопределенность в скорости движения приемника относительно передатчика переходит в неопределенность значения доплеровского сдвига частоты в полученном сигнале.
4. Относительное несоответствие между частотными генераторами приемника и передатчика приводит к сдвигам частот между двумя сигналами.
Различают методы последовательного и параллельного поиска по фазе либо по несущей частоте, каждый из этих методов в свою очередь может быть когерентным и некогерентным. В большинстве случаев используется некогерентный метод, это связано с тем, что обычно сужение сигнала производится до синхронизации несущей, а значит, фаза несущей на данном этапе неизвестна [2].
Синхронизацию навигационного сигнала необходимо производить в два этапа: грубая синхронизация, которая осуществляет грубый поиск несущей частоты и начальной фазы сигнала и слежение за частотой и фазой, чтобы избежать рассинхронизации сигнала.
Мной разработан метод поиска и слежения за несущей частотой и фазой для решения задачи синхронизации сигналов, на основене когерентного контура постоянного сопровождения с задержкой и опережением и схемой Костаса.
Для решения поставленной задачи, был разработан алгоритм цифровой обработки сигнала на основе цифрового приемника навигационных сигналов. Чтобы
синхронизировать сигналы необходимо выполнить поиск и подстройку частоты смещения и начальной фазы. Оптимальное значение длины сигнала для обработки было выбрано 200 мс. Сигнал записывается на анализаторе сигналов в стандартном режиме демодуляции квадратурных сигналов. Объем записанного файла с сигналом составляет около 200 МБ. По причине того, что обработка происходит на Baseband, записанные отсчеты сигнала необходимо привести в комплексный вид и перенести на промежуточную частоту, для правильной работы потокового ФАПЧ. Промежуточной частотой была выбрана частота 12,5 МГц, что является четвертью от частоты дискретизации 50 МГц.
Грубая синхронизация в разработанном алгоритме цифрового приемника выполнена на основе схемы изображенной на рисунке 1 с использованием 3 параллельных блоков (сдвигов несущей). Используя задержанные сигналы,
происходит расчет дискриминатора по формуле D =
(IE + QE) - (¡1 + QL)
(12+Q2)+(12+Q¿L)
корректировка следующего шага петлевым фильтром, где 1Е и QE -ускоренные на пол чипа квадратуры, а 1Ь и QL - задержанные на пол чипа квадратуры [3-6].
Принятый 1
сигнал
БПФ
I |2
*
Рис. 1. Схема грубого поиска по фазе кода на основе БПФ
В процессе распространения по эфиру сигнал подвергается изменению вследствие случайного непрерывного изменения параметров среды распространения, приобретая паразитную амплитудную и фазовую модуляции, поэтому необходимо непрерывное слежение за изменением частоты несущей. Слежение за несущей реализовано самой распространенной на сегодняшний день схемой восстановления несущей - схемой Костаса представленной на рисунке 2. Дискриминатор опорного сигнала
рассчитывается по формуле В = аг^(^)/(2-ж) . Корректировка опорного
сигнала происходит петлевым фильтром на основании рассчитанного дискриминатора. На рисунке 3 изображен результат слежения за несущей реализованного алгоритма слежения. По графику сигнала ошибки алгоритма слежения можно сделать вывод, что выход на этап слежения происходит приблизительно после обработки 100 мс сигнала, исходя из этих данных, оптимальным значением длины записываемого сигнала было выбрано 200 мс. Результатами работы алгоритма являются детектированные биты цифровой информации рисунок 4 [7-9].
и
Генератор кода
От 1-АЦП
¿1
Цифровой ГУН
90°
От д-АЦП
БТе
1
К демодулятору —-► '
ФНЧ
КВ—нЕ)—-
БТе
1
Рис. 2. Схема Костаса для частотной синхронизации
1— —Сагг|егр ециепсу!
6.2478
6.24778
6.24776 vM|kvч А>№«
О 50 100 150 200 250 300 350 ОДО 450 500
"Пте (тз)
Рис. 3. Слежение за несущей частотой
Рис. 4. Детектированные биты цифровой информации
Разработанный алгоритм позволят синхронизировать навигационный сигнал за время около 100 мс и производить непрерывное слежение при интеграции в
0
0
программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), которая производит потоковую обработку сигнала.
Список литературы
1. Завгородний А.С. Метод компенсации смещения частоты принимаемого навигационного сигнала при измерениях мощности, Радионавигационные технологии, Москва, 2015. Стр. 97-101.
2. Akos D.M. A software radio approach to global navigation satellite system receiver design. PhD dissertation. Ohio University. Ohio, 1997.
3. De Gaudenzi R., Luise M., Viola R. A digital chip timing recovery loop for band-limited direct-sequence spread-spectrum signals // IEEE Transactions on Communications, 1993. V. 41. № 11. P. 1760-1769.
4. Ibrahim B.B., Aghvami A.H. A PN code tracking system for direct sequence spread spectrum operation in a frequency selective fading environment // IEEE Global Telecommunications Conference GLOBECOM'94, 1994. P. 374-378.
5. Raghavan S.H., Holmes J.K. Performance of Costas and phase locked loops with signal blanking //IEEE Aerospace Conference, 2005. P. 1524-1531.
6. Vu B.N., Bojda P. Implementation of the GPS-C/A tracking loops in FPGA //2012 IEEE/AIAA 31st Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2012. P. 5A1-1-5A1-6.
7. Benvenuto N., Costa E., Obetti E. Performance comparison of chip matched filter and RAKE receiver for WCDMA systems // Global Telecommunications Conference, 2001. GLOBECOM'01.IEEE. IEEE, 2001. Т. 5. С. 3060-3064.
8. Scheers B., Le Nir V. A Modified Direct-Sequence Spread Spectrum Modulation Scheme for Burst Transmissions //Military Communications and Information Systems Conference (MCC'2010). Wroclaw, Poland, 2010.
9. Chung B. Y. et al. Performance analysis of an all-digital BPSK direct-sequence spread-spectrum IF receiver architecture //IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1993. Т. 11. № 7. С. 1096-1107.
