Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Медицина


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

STRUCNI CLANCI
ANALIZA AKVIZICIJE SIGNALA U SOFTVERSKOM GPS PRIJEMNIKU
Sokolovic S. Vlada, Vojna akademija, Katedra logistike, Beograd
UDC: 007: 527. 621]:004
Sazetak:
U radu je prikazana kriticka analiza toka obrade signala u softverski realizovanom GPS prijemniku, kao i kriticko poredenje razlicitih 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 izvrsene simulacije obrade signala. Radi uporednog prikaza karakteristika pojedinih metoda pocetne 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 pomocu metoda ci-klicne konvolucije signala. Na osnovu izvrsene analize i prikupljenih po-dataka predlozen je najprihvatljiviji metod akvizicije za implementaciju u softverskom GPS prijemniku. Celokupna obrada signala izvrsena je na signalu L1 i podacima prikupljenim pomocu ulaznog kola SE4110.
Kljucne reci: 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 omogucila je razvoj brzih mikroprocesora, sto je pozitovno uticalo i na razvoj tehnologije izrade GPS prijemnika. Radi toga se neprekidno vrsi analiza ponasanja i karakteristika GPS signala u raznim uslovima prostiranja elek-tromagnetnih talasa, kao i procesa akvizicije i pracenja signala sa satelita.
Uvod
sokosv@yahoo. com
Sokolovic, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81−95
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1 / 11
Povecanje fleksibilnosti i smanjenje cene GPS uredaja za komerci-jalnu upotrebu, ukljucujuci i mobilne uredaje moguce je ostvariti prime-nom tehnologije softverskog radija (SDR, Software Defined Radio). Pri-menom SDR ostvaruje se mogucnost zamene pojedinih hardverskih komponenti u GPS prijemniku.
Obrada signala u okviru SDR realizuje se pomocu programabilnih DSP (Digital Signal Processing) ili FPGA (Field Programmable Gate Array) kola, sto omogucava jednostavnu promenu algoritama digitalne ob-rade signala i jednostavnu promenu parametara prijemnika.
Osnovni cilj ovog rada je da se izvrsi analiza pocetne sinhronizacije signala u softverski realizovanom GPS prijemniku. Na osnovu analize razlicitih metoda akvizicije izvrseno je poredenje rezultata akvizicije i predlozen najprihvatljiviji metod za implementaciju u softverskom GPS prijemniku.
Analiza postupaka akvizicije izvrsena je primenom stacionarnog prijemnika na signalu L1. Softverski GPS prijemnik, koriscen 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 ucestanosti, L1 (1575. 42 MHz) i L2 (1227.6 MHz), od kojih je ucestanost L1 primarna, a ucestanost L2 sekun-darna, koriscenjem CDMA (Code Division Multiple Access). Signali L1 i L2 modulisani su signalima prosirenog spektra, koji cine jedinstvena pse-udoslucajna PRN (PseudoRandom Noise) [6] sekvenca i navigaciona po-ruka. Na taj nacin, primenom CDMA tehnike (tehnika izdvajanja signala sa kodnom raspodelom), moguce je izdvojiti i detektovati signal sa odgo-varajuceg satelita. U toku pracenja jednog signala, sa satelita koji se na-lazi u vidnom polju GPS prijemnika, pomocu CDMA tehnike, GPS prijemnik generise PRN sekvencu satelita koji se prati, uzimajuci u obzir Dople-rov efekat [2].
Ucestanost L1 (154 f0) modulisana je pomocu dva PRN koda: pro-sti/akvizicijski C/A (Coarse/Acquisition) kod i precizni kod, P-kod (Precision code). C/A kod namenjen je za pocetnu akviziciju signala i omogu-cava grubo odredivanje pozicije GPS prijemnika. Precizni kod rezervisan je za institucije vlade SAD. Pored navedenih PRN kodova, modulacija signala L1 vrsi se i podacima koji predstavljaju navigacionu poruku. Signal ucestanosti L2 (120 f0), u nekom vremenskom intervalu, moze biti mo-dulisana samo PRN P-kodom.
C8D
Model softverskog GPS prijemnika
Blok-sema softverskog GPS prijemnika prikazana je na slici 1. Pri-jemnik je realizovan kroz dva osnovna bloka. Blok u kojem se vrsi obrada analognog signala i blok u kojem se vrsi obrada digitalnog signala. Prvi blok realizuje se fizicki i sluzi za prihvat signala sa satelita, filtriranje, spustanje signala na MF i konverziju u digitalni oblik. U drugom bloku vrsi se akvizicija GPS signala, pracenje sinhronizacije, detekcija, dekodiranje i proracun pozicije prijemnika. Drugi blok realizuje se softverski.
U radu je korisceno ulazno kolo SE4110, izradeno u ASIC tehnologi-ji, pomoc kojeg su prikupljeni podaci za obradu.
Akvizicija GPS signala
Nakon ulaznog kola, gde se signal digitalizuje, sledi softverska obrada signala. Blok-sema softverskog dela prijemnika prikazana je na slici 2.
Slika 2 — Blok-sema 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 ucestanost nosioca i Doplerovu ucestanost (fd), kao parametre neophodne za dalji proces obrade signala.
C83& gt-
Sokolovic, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81−95
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1 / 11
Promenljiva vrednost ucestanosti nosioca posledica je kretanja prijemnika i satelita. Brzina kretanja satelita iznosi oko 929 m/s i glavni je uzrocnik na-stajanja Doplerovog pomeraja ucestanosti nosioca [2]. Za signal na uce-stanosti L1, fd izracunava se prema sledecoj jednacini:
fd
fL1Vs
c
1575. 42 • 929 3 • 108
4.9 KHz
(1)
gde su vs — brzina kretanja satelita, c — brzina svetlosti.
Na osnovu prethodne jednacine za stacionarne prijemnike opseg pretrazivanja fd uzima se u granicama ±5 kHz. Ukoliko se prijemnik nalazi na avionu tada se opseg pretrazivanja krece u granicama ±10 kHz, jer brzina kretanja aviona ima znatan uticaj na ucestanost signala. Na ulaz bloka akvizicije dovodi se signal nakon A/D konverzije u ulaznom kolu, na MF ucestanosti, pri cemu sadrzi signale sa vise satelita. Svi ti signali modulisani su razlicitim C/A kodom, pri cemu je pocetak svakog bloka C/A koda razlicit, kao i fd nosioca u svakom od signala. Zadatak bloka akvizicije jeste da prepozna signal sa svakog od satelita, odredi pocetak sekvence C/A koda, utvrdi ucestanost nosioca i fazu C/A koda.
Demodulacijom signala nastaje BPSK (Binary Phase Shift Keying) modulisan signal kojem je relativno lako odrediti ucestanost. Ova dva po-datka, ucestanost i pocetak sekvence C/A koda, prosleduju se u blok sin-hronizacije signala kao pocetni elementi podesavanja kola sinhronizacije.
U softverskom prijemniku akvizicija se vrsi 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 moguce je da samo jednom nastane promena faze bita navigacionih podataka, odnosno promena faze signala. Ukoliko se uzme kao blok podataka od 10 ms mo-guce je da promena faze nastane samo jednom, ali sigurno nece nastati i u sledecih 10 ms. U ovom periodu od 10 ms, ukoliko nastane promena faze signala, prosirenje spektra signala nije veliko. Recimo da promena faze nastane u 5 ms tada je sirina spektra signala (2/5*10−3) = 400 Hz. Ovakav pik moze biti detektovan, odnosno pocetak sekvence C/A koda odreden.
Ogranicenje duzine bloka podataka zbog posledica Doplerovog efekta na C/A kodu ima znatno manji uticaj u odnosu na prethodni slucaj. Ukoliko je, recimo, maksimalna korelacija uskladenih 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 nizoj vrednosti korelacionog pika. Ukoliko je mak-simalno neslaganje C/A sekvenci 1 cipa tada je maksimalni fd za ucesta-nost cipova C/A koda jednak 6,4 Hz. U vremenskom domenu to iznosi (½*6,4) = 78 ms. Ovo vremensko ogranicenje mnogo je duze od 10 ms, te je zbog toga 10 ms uzeto kao blok obrade podataka [5].
C8D
U radu su analizirani sledeci metodi akvizicije, odnosno pretraziva-nja signala: serijsko pretrazivanje, paralelno pretrazivanje i ciklicna kon-volucija. Cilj teorijske analize pojedinih metoda jeste da omoguci izbor najprihvatljivijeg metoda u realizaciji softverskog GPS prijemnika.
Serijsko i paralelno pretrazivanje signala
Jedan od metoda realizacije bloka akvizicije jeste putem serijskog pretrazivaca cija je blok-sema prikazana na slici 4. Serijska akvizicija je prva metoda koriscena u akviziciji CDMA tehnika prenosa signala. Ovaj metod jos uvek ima primenu u pojedinim hardverskim prijemnicima. Na slici 5 prikazana je blok-sema paralelnog pretrazivanja.
Slika 3 — Blok sema serijskog Slika 4 — Blok-sema paralelnog
pretrazivaca signala pretrazivaca signala
Kao sto je prikazano na slici 3, ulazni signal mnozi se PRN sekvencom. Generator PRN sekvence ima mogucnost promene faze od 1 do 1023 cipa. Nakon mnozenja PRN sekvencom mnozi se sa lokalno generisanom replikom signala nosioca. Nakon toga nastaju dva signala I i Q, fazno pomereni za n/2.
U slucaju potpune sinhronizacije celokupna energija signala nalazi se u okviru I komponente. Realno to nije slucaj zato sto se faza ulaznog signala ne zna unapred. Iz tog razloga neophodno je vrsiti pretrazivanje u obe gra-ne. U procesu korelacije koji sledi vrsi se ispitivanje sinhronizacije signala iz lokalnog oscilatora LO sa ulaznim signalom. Kada korelacioni pik prede od-redeni prag smatra se da je postignuta sinhronizacija signala, tj. da je detek-tovano prisustvo signala za odredenu PRN, nakon cega se signal dalje od-vodi u blok pracenja sinhronizacije, sa svim izmerenim parametrima.
Algoritam serijskog pretrazivanja odvija se u dva pravca: prebrisava-nje ucestanosti oko MF±10 kHz sa korakom od 500 Hz i pretrazivanje faze cipa od ukupno 1023. Ukupan broj kombinacija izracunava se na osnovu jednacine (2) [4].
1023(2 +1) = 1023 * 41 = 41 943 — kombinacija (2)
C85& gt-
Sokolovic, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81−95
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1 / 11
Na osnovu prikazane jednacine izracunava se broj koraka operacija koje prijemnik treba da uradi radi ispitivanja prisutnosti signala sa svih satelita. Ocigledno je da je to veoma veliki broj kombinacija, sto predsta-vlja i osnovni nedostatak ovakvog nacina pretrazivanja.
S obzirom na to da serijsko pretrazivanje zahteva dugo vreme pretrage pristupa se nekim drugim metodama akvizicije signala. Ukoliko bi bilo mogu-ce izdvojiti bilo koji parametar, ucestanost ili fazu, i implementirati u proces paralelnog pretrazivanja, proces akvizicije bio bi znatno ubrzan [2,4].
Metod paralelnog pretrazivanja, prikazan na slici 4, zasniva se na Furijerovoj transformaciji ulaznog signala iz vremenskog u domen uce-stanosti. Ulazni signal dolazi do mnozaca gde se mnozi sa replikom iz PRN generatora koji ima mogucnost promene faze sekvence u rasponu od 1 do 1023, za sve moguce signale paralelno.
Nakon toga vrsi se Furijerova transformacija signala. Spektar ovog signala nalazi se oko centralne MF ucestanosti nosioca. Ukoliko faze signala nisu uskladene spektar ovog signala pomeren je u odnosu na cen-tralnu MF ucestanost nosioca.
Analizom 1 ms signala ukupan broj odbiraka nalazi se kao 1/1000 od ucestanosti odabiranja. Ukoliko je ucestanost odabiranja fs = 10 MHz onda je broj odbiraka N = 10 000. Za diskretnu Furijerovu transformaciju duzine 10 000, prvih N/2 odbiraka predstavlja ucestanosti od 0 do fs/2. Rezolucija ucestanosti izracunava se prema jednacini (3):
Za razliku od metode serijskog pretrazivanja, gde je rezolucija 500 kHz, u ovoj metodi pretrazivanje rezolucijom od 1 kHz je znatno brze. U meto-di serijskog pretrazivanja, gde se vrsi pretrazivanje i po fazi koda i uce-stanosti nosioca, u paralelnom pretrazivanju vrsi se pretrazivanje ili po ucestanosti ili fazi koda. Pretrazivanje signala po ucestanosti, na osnovu jednacine (2), pokazuje da je broj koraka jednovremenog pretrazivanja svih signala jednak 1023. To pokazuje da je znatno brzi od serijskog pre-trazivaca. Posledica toga je transformacija signala iz vremenskog u domen ucestanosti, pri cemu nastaju gubici od 1,1 dB. Ukupno vreme obra-de iznosi 10 ms [4,5].
Ciklicna konvolucija
Ukoliko signal prode kroz linearni i vremenski invarijantni sistem izla-zni signal moze se izracunati u vremenskom domenu konvolucijom ili u domenu ucestanosti korelacijom. U daljem tekstu objasnjen je metod ci-klicne korelacije kroz Furijerovu transformaciju [1,8].

fji = L = irnm = lkHz
(3)
N /2 N 10 000
Na slici 5 prikazana je blok-sema paralelnog pretrazivaca faze koda u kojem je realizovana ciklicna korelacija. Ulazni signal u blok pretraziva-nja mnozi se sa lokalno generisanim signalom, nakon cega nastaju I i Q signal u fazi i kvadraturi. Ova dva signala kombinuju se na ulazu u blok DFT i cine kompleksni signal x (n) = I (n) + jQ (n).
Slika 5 — Blok-sema paralelnog pretrazivanja faze koda [4]
DFT ovog signala mnozi 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 oznacava fazu ulaznog signala.
Na slici 6 prikazan je proces dvodimenzionalnog pretrazivanja signala po ucestanosti i fazi koda. Celokupan opseg pretrazivanja podeljen je na celije, tako da svaka celija predstavlja odredeni PRN kod za odgovarajuci fd ofset. Signal nastao korelacijom dovodi se na detektor sa unapred posta-vljenim pragom odlucivanja radi donosenja odluke o prisustvu signala. Ukoliko je korelacija uspesna nastavlja se dalji proces obrade. Obrada signala vrsi se istovremeno za signale sa svih satelita. Faza koda pretrazuje se u inkrementima od % cipa, a pretrazivanje ucestanosti nosioca zavisi od rezolucije odabiranja signala, jer prijemnik daje korelaciju za svaki odbirak.
Prilikom pretrage svake celije formira se anvelopa у]12 + Q2 koja
se poredi sa pragom detekcije u detektoru. Ukoliko signal prebacuje prag odlucivanja odvodi se u blok pracenja. Prag detekcije ujedno predstavlja i nivo suma i postavlja se na osnovu spektralne gustine snage suma i do-zvoljene verovatnoce greske. Ukupno vreme obrade iznosi 1 ms [5], koli-ko je i trajanje jedne sekvence C/A koda.
C87& gt-
Sokolovic, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81−95
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1 / 11
Precizno odredivanje ucestanosti signala nosioca
Kada je C/A kod detektovan i odstranjen iz signala ostaje BPSK mo-dulisan signal. Neka je najveca komponenta u spektru signala amplitude Xm (k) u trenutku m u okviru 1 ms signala, a k ucestanost te komponente. Faza ovog signala nalazi se uz pomoc DFT iz jednacine 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 jos jedan ko-relacioni pik, tako da se ucestanost u kratkom intervalu relativno nece pro-meniti. Tada je faza ove komponente prikazana sledecom jednacinom:
6n (k)=tan
i f Im (Xn (k))& quot- I Re (Xn (k)))
(5)
Ove dve faze signala iskoriscene su za fino odredivanje ucestanosti signala pomocu jednacine (6).
f on (к) -en (к) (6)
2n (n — m)
Ova jednacina omogucuje mnogo bolje podesavanje ucestanosti signala nego u slucaju DFT. Radi zadrzavanja ucestanosti signala nosioca na konstantan nivo izmedu 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 ucestanosti za maksimalnu faznu razliku od 2n iznosi 1/(n-m). Neka je amplituda odbirka u k-tom trenutku X (k) nesto veca od X (k-1). Razlika u ucestanosti ova dva signala moze biti maksimalno 500 Hz [4,5]. Medutim, neka su ucestanosti signala X (k) i X (k-1) medusobno bli-ske i vece od ucestanosti signala X (k+1). Pri odredivanju precizne uce-stanosti, faza signala moze biti izmedu X (k-1) i X (k) ili X (k) i X (k+1).
Poredenje metoda akvizicije
Sinhronizacija PSS u praksi je veoma slozen problem, jer su koris-cene dugacke sekvence, odnos (S/N) na ulazu u prijemnik je nizak, a ce-sto je potrebno izvrsiti sinhronizaciju u prisustvu interferirajuceg signala. Osnovni parametar za poredenje razlicitih postupaka sinhronizacije je srednje vreme sinhronizacije. Konvencionalno, smatra se da je sistem za ostvarivanje pocetne sinhronizacije optimalan ako se sinhronizacija ostvaruje sa zadatom verovatnocom u sto kracem vremenu.

Tabela 1
Vreme pocetne sinhronizacije u zavisnosti od primenjene metode obrade
Primenjena metoda Vreme izvrsenja (ms) Broj operacija
Serijsko pretrazivanje 87 41 943
Paralelno pretrazivanje 10 1023
Ciklicna konvolucija 1 41
Poredenjem svih metoda pretrazivanja ciklicna konvolucija (paralel-no pretrazivanje faze koda) svodi se na pretrazivanje opsega od 41 fd ucestanosti sekvence u najkracem vremenu izvrsenja svih operacija. Ovom metodom postize se i znatno bolja rezolucija ucestanosti i faze koda, jer daje korelaciju svakog odbirka. Iz tabele 1 vidi se da je primenom metode ciklicne konvolucije potrebno izvrsiti najmanji broj operacija za is-pitivanje svih kombinacija pretrazivanja signala. Na taj nacin ovaj metod je najprihvatljiviji za realizaciju akvizicije u softverskom GPS prijemniku. Primena serijskog pretrazivanja u softverskoj realizaciji zahtevala bi veci broj memorijskih lokacija za smestanje podataka pri akviziciji za razliku od metoda paralelnog pretrazivanja ili ciklicne konvolucije.
Radi sagledavanja toka obrade signala i dobijenih rezultata pomocu metode ciklicne konvolucije, u tabeli 2 prikazani su rezultati merenja na osnovu signala snimljenih 31. 10. 2008. godine u 19. 00 casova. Prikazano je 7 de-tektovanih signala i vrednosti izmerene faze i MF ucestanosti nosioca. U dru-goj koloni prikazana je PRN sekvenca sa odredenog satelita. Za svaki signal odredena je Doplerova ucestanost i ofset koda izrazen u cipovima.
Tabela 2
Signali sa satelita prisutni na ulazu u prijemnik, detektovani u procesu akvizicije
Kanal PRN MF (Hz) Doplerov ofset (Hz) Ofset koda (cip)
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 utvrdivanja koji je PRN u pitanju, u ovom slucaju PRN 19, potrebno je odrediti i pocetak C/A sekvence.
C89& gt-
Sokolovic, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81−95
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1 / 11
Slika 6 — Korelacija ulaznog signala i lokalne replike
Slika 7 — Precizno odredivanje ucestanosti signala nosioca
Na slici 6 maksimum korelacije postize se na 513. cipu, sto oznaca-va pocetak C/A sekvence. Pored toga, treba utvrditi fazu koda i ucesta-nost signala nosioca. Ucestanost signala ispitivana je u opsegu ±7 kHz oko centralne MF signala, sa koracima od 500 Hz zbog uticaja Doplero-vog efekta. Medutim, to je gruba rezolucija.
Na slici 7, na primeru signala PRN 6 iz tabele 2, prikazan je postupak preciznog odredivanja ucestanosti nosioca. Gruba rezolucija od 500 Hz propustice prisustvo signala izmedu -6 kHz, odnosno -6.5 kHz.
Na slici 7 vide se dve jake amplitude signala izmedu ove dve ucesta-nosti. Poredenjem njihovih faza i amplituda utvrduje se precizna ucesta-nost signala nosioca na osnovu jednacine (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 polozaj detektovanog signala u celokupnom opsegu pretrazivanja. Mere-

nja pokazuju da fd iznosi 7 Hz, a faza C/A koda 513 cipa. S obzirom na to da za stacionarne prijemnike fd ne prelazi 5 kHz, maksimalni opseg pre-trazivanja postavljen je na MF±5 kHz. Sa slike 8 se vidi da je signal rela-tivno jak u odnosu na prisutni sum, jer su bocni 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 pokaze kako izgleda akvizicaja signala sa manjim odnosom S/N. Na slici 9 prikazani su visoki bocni lobovi nastali procesom korelaci-je kao posledica suma. Izmerena Doplerova ucestanost ovog signala iznosi -2249 Hz, a faza koda 344 cipa.
Postavljanje praga detekcije ima bitnu ulogu pri donosenju odluke o detekciji signala. Pri ispitivanju relativno slabih signala moguca je pojava laznog alarma zbog cega je bitno postaviti odgovarajuci prag odlucivanja. Prag detekcije postavlja se na osnovu srednje snage suma i verovatnoce laznog alarma.
Na slikama 10 i 11 prikazani su detektovani signali u procesu pretra-zivanja. Rezultati merenja detektovanih signala prikazani su u tabeli 2. Na pomenutim slikama vidi se da u zavisnosti od opsega pretrazivanja Doplerovih ucestanosti, u kojima se vrsi pretrazivanje signala, neki signali mogu biti detektovani, a neki ne.
Slika 10- Rezultat pretrazivanja signala u opsegu pretrazivanja MF ± 5 kHz
Slika 11 — Rezultat pretrazivanja signala u opsegu pretrazivanja MF ± 2.5 kHz
Na slici 11 prikazan je rezultat za opseg pretrazivanja MF± 2.5 kHz. Za razliku rezultata na slici 10, gde je opseg pretrazivanja 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 pretrazivanja postavljen je na MF± 5 kHz.
dD
Sokolovic, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81−95
VOJNOTEHNICKI 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 razlicite 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 odlucivanja.
Prag detekcije ne sme se preterano smanjivati jer moze doci pojave laznog alarma, tj. bice detektovan nepostojeci signal. U tabeli 3 prikazani su rezultati pretrazivanja i pocetne sinhronizacije, akvizicije, kada je prag detekcije 2. Za razliku od slucaja kada je prag detekcije 2. 5, sada je de-tektovano prisustvo jos 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, izrazen je uticaj suma, te iz njih ne mogu biti detektovani navigacioni podaci. Na ovom primeru pokazan je znacaj pravilnog postavljanja praga detekcije. Najpogodnije resenje jeste postavljanje adaptivnog praga detekcije signala.
Tabela 3
Rezultati akvizicije signala za prag detekcije 2
Kanal PRN MF Doplerov ofset (Hz) Ofset koda (cip)
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 -45 994 3378
9 8 9. 65439e+003 -48 054 3950
Zakljucak
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. Razliciti algoritmi za realizaciju akvizicije i pracenja GPS signala pokazuju fleksibilnost soft-verskog prijemnika u pogledu obrade signala radi odredivanja najprihvatlji-vijeg resenja, uz uslov sto preciznijeg odredivanja pozicije prijemnika.
Kao najpogodniji metod za realizaciju akvizicije odreden je metod sa primenom ciklicne konvolucije zbog mogucnosti preciznog merenja uce-stanosti signala i kratkog vremena obrade. Metodom ciklicne konvolucije postize se dobra rezolucija merenja ucestanosti signala, jer se dobija kore-lacija za pomeraj u vremenu trajanja jednog perioda odabiranja signala.
Ukoliko je ucestanost odabiranja 8. 184 MHz onda postoji 8000 razli-citih faza signala. Na taj nacin preciznost odredivanja faze koda znatno se povecava u odnosu na metod serijskog ili paralelnog pretrazivanja.
Dodatnu prednost metode ciklicne konvolucije u procesu akvizicije predstavlja brzina obrade signala, posto se u ovom slucaju lokalna repli-ka signala generise samo jednom, a zatim se izracunava korelacija sa promenljivim ulaznim signalom.
Preciznost odredivanja ucestanosti nosioca i Doplerove ucestanosti, primenom ciklicne konvolucije sa vecim brojem faza signala, vrsi se sa preciznoscu do 2 Hz, poredenjem susednih faza signala.
Literatura
[1] Dukic, 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 & amp- Sons, New Jersey, 2005.
[6] Radojevic, S., Curcic, J., Razvoj Globalnih Satelitskih Navigacionih Si-stema, Vojnotehnicki glasnik br. 3, str. 111−126, Beograd, 2009.
[7] Meyr, H., Moeneclaey M., Synchronization, Channel Estimation, and Signal Processing, John Wiley & amp- Sons, New York, 1998.
[8] Marvin, K., Spread Spectrum Communication Handbook, McGraw-Hill, New York 1994.
& lt-$>-
Sokolovic, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81−95
VOJNOTEHNICKI 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 clanka: 05. 10. 2009.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa: 07. 10. 2009.
Datum konacnog prihvatanja clanka za objavljivanje: 08. 10. 2009.

Sokolovic, V., Analiza akvizicije signala u softverskom GPS prijemniku, str. 81−95

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой