張 怡,張西凱,陳利民

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710072)

0 引言

目前,傳統(tǒng)的GPS系統(tǒng)主要采用BPSK調(diào)制方式,信號經(jīng)BPSK調(diào)制后信號能量主要集中在載頻附近,其傳輸效率較低,抗干擾性能較差。隨著GPS系統(tǒng)的不斷升級和改善,最新一代的GPS系統(tǒng)加入了新的BOC調(diào)制信號[1],以此滿足新時(shí)期導(dǎo)航站的需要,實(shí)現(xiàn)新一代的高精度空基導(dǎo)航系統(tǒng)。BOC調(diào)制技術(shù)的基本思想是對BPSK基帶信號使用一種類似信源編碼[2]的處理方法,從而使其頻譜產(chǎn)生適當(dāng)偏移。新的調(diào)制方式需要有新的捕獲方法與之相適應(yīng),文中就此針對新的BOC調(diào)制信號的直接捕獲[3]技術(shù)進(jìn)行了研究,并進(jìn)行了相應(yīng)的仿真試驗(yàn)和分析。

1 BOC調(diào)制信號的技術(shù)原理

所謂二進(jìn)制偏移載波(BOC)調(diào)制信號,是以一個(gè)方波作為子載波,對衛(wèi)星產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼信號進(jìn)行輔助調(diào)制,在這之后再調(diào)制到主載波上,即用擴(kuò)頻信號s(t)和一個(gè)頻率為 f s的方波副載波相乘,這使得信號的頻譜分裂[4]成兩部分,且分列于主載波頻率的左右。BOC調(diào)制信號的主要特點(diǎn)是信號功率并不是調(diào)制到載波頻率的主瓣上,而是調(diào)制到了載波頻率兩側(cè)的旁瓣上,且這兩個(gè)旁瓣之間的間隔為副載頻寬度的兩倍[5]。

BOC調(diào)制信號主要由兩個(gè)參數(shù)來描述:副載波頻率和傳播的碼元速率,用符號表示為BOC(m,n),其中m表示副載波頻率為fs=m×fbase,n表示碼率為fc=n×fbase,式中的 fbase=1.023MHz是基帶頻率。

BOC調(diào)制信號的技術(shù)原理框圖如圖1所示。

圖1 BOC調(diào)制信號技術(shù)原理框圖

BPSK調(diào)制信號,也稱為二進(jìn)制移相鍵控,是受鍵控的載波相位按基帶脈沖而改變的一種數(shù)字調(diào)制方式。其信號形式的一般表達(dá)式為:

式中:T s為碼元間隔;g(t-nT s)為脈寬為T s的矩形脈沖序列;w c為載波頻率,an為第n個(gè)信息符號所對應(yīng)的電平值,其相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性為:

式中P為事件出現(xiàn)的概率。相比較而言,BOC調(diào)制基本原理是在原有的BPSK調(diào)制基礎(chǔ)上,再增加一個(gè)二進(jìn)制副載波進(jìn)行調(diào)制。以正弦調(diào)制為例,其表達(dá)式為:

式中:c(t)為碼序列波形,表達(dá)式為c(t)=Σkckh(tkT c),ck為第k個(gè)碼片的電平值,h(t-kT c)為碼元間隔為Tc的非歸零碼脈沖序列;fs為副載波頻率;sign為符號函數(shù)。

2 BOC調(diào)制信號的頻譜特性

隨著我國北斗(compass)系統(tǒng)、美國GPS系統(tǒng)、歐洲Galileo系統(tǒng)和俄羅斯GLONASS系統(tǒng)以及其他系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用,有限的導(dǎo)航頻率成了稀缺資源,多系統(tǒng)之間的兼容性和互操作性成為了一個(gè)日益重要的問題。BOC調(diào)制信號的出現(xiàn)能很好的解決這一問題。

BOC調(diào)制信號能夠?qū)⒐灿靡粋€(gè)發(fā)射頻率的信號頻譜分開,實(shí)現(xiàn)共用載波頻率條件下的頻譜分離。與BPSK調(diào)制方式有所不同,BOC調(diào)制信號可以實(shí)現(xiàn)頻段共用,同時(shí)實(shí)現(xiàn)頻譜分離,具有更好的相關(guān)函數(shù)性能,以及良好的相關(guān)和抗干擾特性。它的功率譜有主瓣和副瓣,而且主瓣的能量主要集中在副載波頻率上,主瓣數(shù)與在主瓣之間的副瓣數(shù)之和等于n1,這里n1=2f s/f c。

以正弦BOC調(diào)制信號的歸一化功率譜為例,當(dāng)n1為偶數(shù)和奇數(shù)時(shí)的歸一化頻譜密度表達(dá)式分別表示為:

由上式可以看出n1為偶數(shù)和奇數(shù)時(shí)的BOC調(diào)制信號的功率譜形式上的差別只是:前者是正弦函數(shù),而后者是余弦函數(shù)。n1為奇數(shù)時(shí)的BOC調(diào)制信號的功率譜在中央有一個(gè)旁瓣,n1為偶數(shù)時(shí)則沒有。當(dāng)副載波 fs=10.23MHz,同時(shí)擴(kuò)頻碼速率為 fc=5.115MHz,則調(diào)制信號可以表示為BOC(10,5),功率譜函數(shù)特性圖如圖2所示。與圖2功率譜特性圖相對應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)圖如圖3所示。

由圖3可知,與傳統(tǒng)的BPSK信號相比,BOC調(diào)制信號的自相關(guān)函數(shù)具有更窄、更尖銳的相關(guān)峰,相關(guān)特性更加優(yōu)良,但由于新的自相關(guān)函數(shù)包含多個(gè)峰值,也就是說除了主峰之外還有多個(gè)副峰,多峰結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)會對信號的捕獲產(chǎn)生模糊,采用單邊帶處理法可以在一定程度上消除其負(fù)面影響。

總的說來,BOC調(diào)制信號的使用,將信號能量更多的集中在所占帶寬的邊緣部位從而增加了信號的有效帶寬,相應(yīng)的噪聲方差也得到了改善,在信道噪聲和抗干擾方面可以獲得比原有BPSK更好的性能。通過頻譜搬移,使得現(xiàn)有信號占據(jù)了不同的頻帶,這有效的減少了BOC信號與其它導(dǎo)航信號在公共頻帶上的相互干擾。

3 BOC調(diào)制信號的直接捕獲

3.1 傳統(tǒng)的單邊帶處理法

所謂單邊帶直捕方法,即是對一個(gè)邊帶作單獨(dú)處理的方法,和BPSK信號調(diào)制時(shí)的處理方法一樣,只是頻率中心在一個(gè)副載波上,且碼速率就是BOC調(diào)制時(shí)的f c。由于邊帶處理的是擴(kuò)頻碼速率為 f c、帶寬比BOC調(diào)制信號窄的BPSK調(diào)制信號,相應(yīng)的相關(guān)函數(shù)也就比雙邊帶BOC調(diào)制寬,這樣寬的相關(guān)函數(shù)可明顯的降低采樣速率。

簡要來說,單邊帶直接捕獲的基本原理為:先對接收信號進(jìn)行降頻處理,再分別對上邊帶和下邊帶都進(jìn)行帶通濾波處理,然后用本地發(fā)生器生成本地偽隨機(jī)碼和副載波信號,并以相同的采樣頻率進(jìn)行副載波調(diào)制處理(可以保證本地碼片與副載波信號的起始相位相同),再利用處理后的接收信號與本地信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并作濾波處理;最后對上下邊帶的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行非相干的處理,選取相應(yīng)的最大比例峰值作為捕獲結(jié)果,并對此進(jìn)行捕獲判決。

3.2 改進(jìn)的單邊帶均值法

單邊帶均值法的原理框圖如圖4所示。

圖4 單邊帶均值法

單邊帶均值法是以循環(huán)相關(guān)理論為基礎(chǔ)的一種快速直接捕獲方法。它是將接收信號偽碼序列和本地偽碼序列中的每N個(gè)點(diǎn)分別依次進(jìn)行均值處理而構(gòu)成新的序列,之后兩個(gè)新序列同時(shí)進(jìn)行循環(huán)相關(guān)處理。當(dāng)出現(xiàn)高于判決門限的相關(guān)峰值時(shí),就可判斷出接收信號的碼元所在的具體均值碼段進(jìn)而確定其確切位置。在同樣的FFT計(jì)算量下,可將時(shí)間不確定范圍擴(kuò)大為原來的N倍;相應(yīng)地,在不改變時(shí)間不確定范圍情況下,可以減少FFT計(jì)算量,縮短捕獲時(shí)間。

4 仿真結(jié)果分析

在MATLAB平臺上對傳統(tǒng)的單邊帶處理法和改進(jìn)的單邊帶均值法分別進(jìn)行仿真,輸入信號為BOC(10,5)調(diào)制的擴(kuò)頻信號,兩種方法均采用1024點(diǎn)FFT,處理過程中中頻頻率為20.48MHz,采樣頻率為81.92MHz,均值點(diǎn)數(shù)為4。同時(shí)考慮到噪聲的影響,在信噪比分別為-5dB和-15dB的輸入噪聲情況下分別進(jìn)行仿真比較,其仿真結(jié)果如圖5和圖6所示,橫坐標(biāo)為相關(guān)點(diǎn)個(gè)數(shù),縱坐標(biāo)為相關(guān)峰值。

由圖5和圖6可見,經(jīng)過捕獲處理后,結(jié)果有明顯相關(guān)峰值,采用傳統(tǒng)的單邊帶處理法在不同信噪比下最高峰值無明顯差異,而采用改進(jìn)的單邊帶均值法在不同信噪比下峰值有所不同,在信噪比為-15dB的情況下最高峰值比信噪比為-5d B高,這表明采用單邊帶均值法通過信號的相應(yīng)處理能有效的減小噪聲的影響,得到更為明顯的相關(guān)結(jié)果,減小誤捕的概率,增大捕獲精度,且可以鎖定捕獲碼片誤差在1個(gè)碼片范圍內(nèi),頻率誤差控制在20Hz范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

仿真結(jié)果表明,與傳統(tǒng)的單邊帶處理法相比,采用改進(jìn)的單邊帶均值法對BOC調(diào)制信號進(jìn)行直接捕獲,在同樣的FFT計(jì)算量下可以有效擴(kuò)大時(shí)間不確定度的搜索范圍,并將偽碼誤差控制在1個(gè)碼片范圍內(nèi),有效減小噪聲干擾,使捕獲精度得到了有效提高。另一方面,在不改變時(shí)間不確定范圍的情況下,可以減小FFT運(yùn)算量,極大地縮短捕獲時(shí)間,提高捕獲效率。文中提出的新算法適應(yīng)了現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航發(fā)展對于新調(diào)制方式技術(shù)提出的新要求,是一種快速有效的BOC調(diào)制捕獲算法。

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