Фронтенд и корреляционный канал навигационного приемника (модель) — различия между версиями
Korogodin (обсуждение | вклад) |
Korogodin (обсуждение | вклад) |
||
(не показаны 34 промежуточные версии 1 участника) | |||
Строка 1: | Строка 1: | ||
+ | <noinclude> | ||
{{Modeling|templatemode = | {{Modeling|templatemode = | ||
|name = Модель: Фронтенд и корреляционный канал навигационного приемника | |name = Модель: Фронтенд и корреляционный канал навигационного приемника | ||
Строка 12: | Строка 13: | ||
|readme = | |readme = | ||
|changelog = | |changelog = | ||
− | |repository = [ | + | |repository = [https://github.com/Korogodin/gnss-frontend-correlator-model GitHub] |
|category1 = Коррелятор | |category1 = Коррелятор | ||
|category2 = RF | |category2 = RF | ||
Строка 28: | Строка 29: | ||
== Описание имитационной модели == | == Описание имитационной модели == | ||
+ | </noinclude> | ||
+ | === Возможности имитационной модели === | ||
− | + | Имитационная модель "[[Фронтенд_и_корреляционный_канал_навигационного_приемника_(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: | |
− | + | ||
− | 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 приеме сигнала на фоне мешающей гармонической помехи и без неё; | ||
* при наличии и отсутствии собственного шума приемника; | * при наличии и отсутствии собственного шума приемника; | ||
Строка 43: | Строка 44: | ||
* На основании имеющихся данных о параметрах сигнала и фильтров производится расчет математических ожиданий статистических эквивалентов. Позволяет сравнить результаты работы коррелятора с моделью статистического эквивалента. | * 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. | * 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 | ||
+ | ::<math>t_{k,l}=t_{k,0}^{{}}+l\cdot T_d</math>; <math>t_{k+1,0}^{{}}=t_{k,0}^{{}}+L\cdot T_{d}^{{}}=t_{k,0}^{{}}+T,</math> | ||
+ | :где <math>T_d</math> - интервал дискретизации, <math>T</math> - интервал накопления в корреляторе. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | * Модель сигнала на выходе радиочастотного блока | ||
+ | ::<math>y_{fe,k,l} =K_{f}^{{}}\cdot \left( S_{k,l}^{{}}+J_{k,l}+n_{k,l}^{{}} \right),</math> | ||
+ | :где <br> | ||
+ | :<math>K_f</math> - операторный коэффициент передачи цифрового фильтра с заданной полосой,<br> | ||
+ | :<math>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)</math> - модель полезного сигнала, <br> | ||
+ | :<math>J_{k,l}^{{}}=A_j \cdot \cos \left( \omega _{j}^{{}}t_{k,l}^{{}} + \varphi _{j,k} \right)</math> - модель гармонической помехи, <br> | ||
+ | :<math>n_{k,l}^{{}}</math> - ДБГШ с дисперсией <math>\sigma _{n}^{2}</math>. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | * Модель сигнала на выходе АЦП | ||
+ | ::<math>y_{k,l} = Qu \left( y_{fe,k,l} \right),</math> | ||
+ | :где <math>Qu \left( \right)</math> - нелинейная функция квантования. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | * Модель корреляционных сумм | ||
+ | ::<math>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);</math> <br> | ||
+ | ::<math>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).</math> | ||
+ | |||
+ | === Работа с имитационной моделью === | ||
+ | |||
+ | ==== Интерфейс модели ==== | ||
+ | |||
+ | Взаимодействие с имитационной моделью производится посредством графического интерфейса пользователя (см. [[#pic1|рисунок 1]]). С его помощью происходит установка параметров моделирования, запуск событий и получение результатов. | ||
+ | |||
+ | {{pic|20111005_CorrModel_1.png|Рисунок 1 - Интерфейс имитационной модели|pic1}} | ||
+ | |||
+ | ==== 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. | ||
+ | |||
+ | {{pic|20111005_CorrModel_3.png|Рисунок 2 - Фрейм ''Настройка генератора''|pic2}} | ||
+ | |||
+ | ==== Включение сигнала, помехи и собственного шума приемника ==== | ||
+ | |||
+ | С помощью CheckBox ''Сигнал'', ''Помеха'', ''Шум'' (см. [[#pic3|рисунок 3]]) производится включение/выключение имитации полезного сигнала, аддитивной гармонической помехи и аддитивного собственного шума приемника соответственно. | ||
+ | |||
+ | {{pic|20111005_CorrModel_2.png|Рисунок 3 - CheckBox'ы ''Сигнал'', ''Помеха'', ''Шум''|pic3}} | ||
+ | |||
+ | {{ambox | ||
+ | |type = notice | ||
+ | |text = Если ранее был произведен запуск генератора дальномерного кода, то изменение значений CheckBox'ов приведет к перезапуску расчета корреляционных сумм | ||
+ | }} | ||
+ | |||
+ | ==== Выбор полосы фронтенда ==== | ||
+ | |||
+ | Установка полосы фронтенда производится во фрейме ''Полоса фронтенда'' (см. [[#pic4|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. | ||
+ | |||
+ | {{pic|20111005_CorrModel_4.png|Рисунок 4 - Фрейм ''Полоса фронтенда''|pic4}} | ||
+ | |||
+ | 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. | ||
+ | |||
+ | {{ambox | ||
+ | |type = notice | ||
+ | |text = Если ранее был произведен запуск генератора дальномерного кода, то выбор полосы фронтенда приведет к перезапуску расчета корреляционных сумм | ||
+ | }} | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ==== Выбор разрядности АЦП ==== | ||
+ | |||
+ | Установка числа разрядов АЦП производится во фрейме ''Квантование отсчетов АЦП'' (см. [[#pic5|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 <math>\left\{ -1; +1 \right\}</math>. | ||
+ | |||
+ | {{pic|20111005_CorrModel_5.png|Рисунок 5 - Фрейм ''Квантование отсчетов АЦП''|pic5}} | ||
+ | |||
+ | 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. | ||
+ | |||
+ | {{ambox | ||
+ | |type = notice | ||
+ | |text = Если ранее был произведен запуск генератора дальномерного кода, то выбор разрядности АЦП приведет к перезапуску расчета корреляционных сумм | ||
+ | }} | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ==== Выбор разрядности опорного сигнала коррелятора ==== | ||
+ | |||
+ | Установка числа разрядов опорного сигнала коррелятора производится во фрейме ''Опорный сигнал'' (см. [[#pic6|рисунок 6]]): | ||
+ | * ''Без квантования'' - квантование не производится, отсчеты хранятся в переменных типа double (64 бита, плавающая точка); | ||
+ | * ''4 бита'' - опорный сигнал коррелятора принимает значения <math>\left\{ -7; -6; ... ; 0; ... ; 6; 7 \right\}</math>. | ||
+ | |||
+ | {{pic|20111005_CorrModel_6.png|Рисунок 6 - Фрейм ''Квантование отсчетов АЦП''|pic6}} | ||
+ | |||
+ | {{ambox | ||
+ | |type = notice | ||
+ | |text = Если ранее был произведен запуск генератора дальномерного кода, то выбор разрядности опорного сигнала коррелятора приведет к перезапуску расчета корреляционных сумм | ||
+ | }} | ||
+ | |||
+ | ==== 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. [[#pic7|рисунок 7]]). Открытие графиков в отдельном окне выполняется посредством нажатия на соответствующую кнопку в правом верхнем углу. | ||
+ | |||
+ | {{pic|20111005_CorrModel_7.png|Рисунок 7 - Графики вычисленных корреляционных сумм как функции разности задержек дальномерных кодов сигнала и опорных колебаний|pic7}} | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Моделью рассчитываются три пары квадратур: earler, promt, later. Переключение между их отображением осуществляется с помощью выпадающего списка (см. [[#pic8|рисунок 8]]) | ||
+ | |||
+ | {{pic|20111005_CorrModel_8.png|Рисунок 8 - Выбор пары корреляционных сумм|pic8}} | ||
+ | |||
+ | |||
+ | ==== 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. [[#pic9|рисунок 9]]). | ||
+ | |||
+ | {{pic|20111005_CorrModel_9.png|Рисунок 9 - Выбор пары корреляционных сумм|pic9}} | ||
+ | |||
+ | 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 [[File:20111005_CorrModel_b1.png]] - подать один импульс, [[File:20111005_CorrModel_b2.png]] - включить тактовый генератор; | ||
+ | * ''сигнал сброса (R)'' с помощью кнопки [[File:20111005_CorrModel_b3.png]]. | ||
+ | |||
+ | <noinclude> | ||
== Пример результатов моделирования == | == Пример результатов моделирования == | ||
Строка 49: | Строка 172: | ||
== См. также == | == См. также == | ||
+ | </noinclude> |
Текущая версия на 21:23, 23 октября 2017
Модель: Фронтенд и корреляционный канал навигационного приемника | |
---|---|
Описание | Модель коррелятора НАП ГЛОНАСС с учетом ограничений полосы фронтенда |
Автор(ы) | Korogodin (Korogodinобсуждение) |
Последняя версия | 2.0 (см. репозиторий) |
Загрузить | no link |
Хранилище | GitHub |
Категории | Коррелятор, RF, Фронтенд, Переходные процессы, ГЛОНАСС |
[править] Описание имитационной модели
[править] 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.
[править] 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
- ;
- где - интервал дискретизации, - интервал накопления в корреляторе.
- Модель сигнала на выходе радиочастотного блока
- где
- - операторный коэффициент передачи цифрового фильтра с заданной полосой,
- - модель полезного сигнала,
- - модель гармонической помехи,
- - ДБГШ с дисперсией .
- Модель сигнала на выходе АЦП
- где - нелинейная функция квантования.
- Модель корреляционных сумм
[править] Работа с имитационной моделью
[править] 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.
[править] 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.
[править] 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.
Если ранее был произведен запуск генератора дальномерного кода, то изменение значений CheckBox'ов приведет к перезапуску расчета корреляционных сумм |
[править] 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.
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.
Если ранее был произведен запуск генератора дальномерного кода, то выбор полосы фронтенда приведет к перезапуску расчета корреляционных сумм |
[править] 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 .
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.
Если ранее был произведен запуск генератора дальномерного кода, то выбор разрядности АЦП приведет к перезапуску расчета корреляционных сумм |
[править] 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 .
Если ранее был произведен запуск генератора дальномерного кода, то выбор разрядности опорного сигнала коррелятора приведет к перезапуску расчета корреляционных сумм |
[править] 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)
[править] 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).
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 .