Dezvoltarea unui receptor GNSS definit în software, cu înregistrare de mare viteză

Provocarea:
Dezvoltarea unui receptor GNSS (Sistem Satelitar de Navigație Globală) definit în software, performant şi flexibil, capabil să capteze, să urmărească şi să înregistreze diferite semnale GNSS, cu o lăţime de bandă RF de până la 20 MHz.

Soluţia:
Utilizarea instrumentelor modulare oferite de către NI, analizoare de semnale vectoriale RF şi soluţii de mare viteză pentru stocarea datelor pentru dezvoltarea unui receptor GNSS flexibil, portabil şi configurabil, capabil să transmită şi să stocheze semnale RF.

GPS-ul, dar şi poziţionarea in general, au devenit omniprezente în societatea actuală –  vehiculele vin echipate cu sisteme de navigaţie, telefoanele mobile îşi pot determina poziţia, iar folosirea în scop recreativ al receptoarelor GPS este în creştere. Deşi GPS-ul este în prezent singurul GNSS operaţional, alte sisteme sunt dezvoltate sau reînnoite în Rusia, Europa, China, Japonia şi India. În plus, tehnologia GPS este modernizată pentru a îmbunătăţi performanţele sistemului. Tabelul 1 sintetizează semnalele disponibile gratuit pentru trei sisteme de comunicații prin satelit (alte câteva semnale sunt difuzate, dar au acces restricționat).

Tabel 1. Rezumat al semnalelor GNSS gratuite (actuale şi vitoare)

Abundenţa de semnale disponibile din partea acestor noi sisteme oferă o oportunitate extraordinară de a îmbunătăţi acurateţea şi fiabilitatea în materie de poziţionare. În acelaşi timp, acest lucru înseamnă că receptoarele GNSS trebuie să capteze şi să urmărească aceste noi semnale. Mai mult decât atât, pe măsură ce exigenţele clienţilor cresc, aceste receptoare trebuie să funcţioneze în medii operaţionale mai complexe, precum sub copaci sau în spaţii închise.

Grupul de Poziţionare, Localizare, şi Navigaţie (PLAN) din cadrul Universităţii din Calgary a dezvoltat un receptor GNSS definit în software, ce este, în esenţă, echivalentul în navigaţie al unui sistem radio definit în software (SDR). Din păcate, un „front-end” capabil să convertească descendent semnale GNSS de la frecvenţe radio cuprinse între aproximativ 1,2 şi 1,6 GHz, până la ordinul a câtorva zeci de MHz şi apoi să le eşantioneze, nu este prompt disponibil pe piaţă pentru toate semnalele de interes. Mai mult decât atât, în scop de cercetare-dezvoltare, eşantioanele trebuie să fie stocate pe disc pentru procesare şi analiză ulterioare. În final, avem nevoie de toate aceste capabilităţi pentru semnale care ocupă un minim de 2 MHz şi un maxim de 20 MHz din lăţimea de bandă. Spectrul mai ridicat de frecvenţă şi ratele de eşantionare corespunzătoare pentru aceste semnale prezintă o provocare majoră, în special pentru stocarea datelor.

Figura 1. Pentru a asigura un transfer de date simultan de la multiple benzi de frecvenţă, am utilizat şasiul NI PXIe-1075, mai multe analizatoare de semnale vectoriale PXI-5661, o matrice RAID HDD-8264 cu 12 drive-uri şi software-ul LabVIEW.

Front-end-urile iniţiale utilizau un hardware dedicat, ce era, în general, inflexibil şi prezenta numeroase provocări, inclusiv următoarele:

• Hardware inflexibil, capabil să eşantioneze doar în anumite benzi de frecvenţă
• Stocarea de date de mare viteză necesita un echipament specializat ce era greu de transportat
• Ratele de eşantionare la nivel front-end (şi lăţimile de bandă corespunzătoare pentru semnale) erau fixe
• Cuantizarea eşantioanelor era fixă

Din cauza acestor provocări, am avut nevoie de o soluţie mai puternică şi mai flexibilă.

Utilizarea instrumentelor NI pentru dezvoltarea unei soluţii flexibile

Analizatorul de semnale vectoriale de la NI ne-a oferit o soluţie flexibilă, portabilă şi configurabilă pentru achiziţia de eşantioane RF. În esenţă, sistemul de la NI ne-a oferit frecvenţă, lăţime de bandă şi rata de eşantionare configurabile; un număr selectabil de biţi pentru cuantizarea semnalului; şi viteze de transfer de date suficiente pentru scrierea datelor în fişiere.

Figura 2. Vedere front-end de ansamblu a sistemului GNSS

Sistemul nostru iniţial a inclus următoarele componente:

• Şasiul NI PXIe-1065
• Preamplificatorul RF cu 2 canale NI PXI-5690
• Trei analizatoare de semnale vectoriale NI PXI-5661 de 2,7 GHz, 256 MB, cu streaming în timp real
• Matricea RAID NI HDD-8264 cu 12 drive-uri (plus controller) pentru transfer de date
• Mediul grafic pentru dezvoltare de sisteme, NI LabVIEW

Acest sistem a funcţionat bine şi ne-a îndeplinit majoritatea cerinţelor. Atunci când am avut nevoie să asigurăm un transfer de date simultan de la multiple benzi de frecvenţă, am achiziţionat o a doua unitate, cu următoarele componente:

• Şasiul NI PXIe-1075
• Preamplificatorul RF cu 2 canale NI PXI-5690
• Două digitizoare NI PXIe-5622, de 16 biţi, 150 MS/s şi cu 64 MB de memorie integrată
• Matricea RAID NI HDD-8264 cu 12 drive-uri (plus controller) pentru transfer de date
• Mediul grafic pentru dezvoltare de sisteme, NI LabVIEW

Şasiul şi digitizoarele NI pentru platforma PXI Express au sporit rata de transfer a şasiului PXI pentru viteze de transfer de date considerabil mai mari.

Am implementat şi am testat cu succes algoritmii de achiziţie şi urmărire pentru toate semnalele enumerate în Tabelul 1. Receptorul nostru software este, în prezent, utilizat pe scară largă în cadrul grupului nostru de cercetare pentru a dezvolta noi algoritmi de achiziţie de şi urmărire de semnale, cu scopul final de a îmbunătăţi poziţionarea GNSS în zone degradate, concentrându-ne asupra preciziei la nivel de centimetru.

Suportul NI

Reprezentanţii de vânzări locali de la NI ne-au fost de mare ajutor şi au lucrat din greu pentru a ne furniza informaţiile şi echipamentul demonstrativ de care aveam nevoie. De asemenea, după cumpărare, personalul tehnic de la NI ne-a oferit răspunsuri prompte şi calitative la toate întrebările noastre. Membrii grupului PLAN de la Universitatea din Calgary au utilizat cu succes soluţia hardware de la NI în materie de analizatoare de semnale vectoriale pentru a facilita testarea unui receptor GNSS definit în software. Am utilizat configurabilitatea şi vitezele mari de transfer pe disc ale analizatoarelor de semnale vectoriale pentru colectarea tuturor semnalelor GNSS disponibile, aşteptându-ne ca acesta să funcţioneze şi pentru viitoare semnale.

Autor:
Mark Petovello, Universitatea din Calgary – Canada
mark.petovello@ucalgary.ca

Următorii paşi

Vizualizaţi soluția unui sistem de înregistrare şi redare RF de la NI

Consultaţi o listă completă de produse NI utilizate în dezvoltarea acestei soluţii

Descoperiţi setul de instrumente NI GPS Simulation Toolkit pentru LabVIEW