王縛鵬，何巍巍，2

(1.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心，河北石家莊050081;2.武漢大學(xué)，湖北武漢430072)

0 引言

直接序列擴頻信號具有保密性高、抗干擾性強、多址復(fù)用功能等優(yōu)點，在各種系統(tǒng)中的應(yīng)用極其廣泛。QPSK是一種多進制調(diào)制方式，其基本思想是利用載波的4種不同相位(或相位差)來表征需要傳輸?shù)臄?shù)字信息特性。QPSK直接序列擴頻已被成功應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，對于導(dǎo)航衛(wèi)星信號及導(dǎo)航系統(tǒng)模擬源，其載波信號的I、Q支路的正交性是一個十分重要的指標［1］，能夠有效反映發(fā)射信號質(zhì)量，并為接收端分析誤碼性能提供評判依據(jù)［2，3］。

傳統(tǒng)測量QPSK調(diào)制信號載波正交性的方法是采用矢量信號分析儀或者矢量電壓表等儀器，這種方法要求輸入信號的信噪比比較高，其測量精準度與信噪比成正比［4，5］。在有線連接衛(wèi)星模擬源的情況下可以采用儀器法;在低信噪比的情況下，如測量在軌導(dǎo)航衛(wèi)星到達地面信號的載波正交性，則用儀器法無法完成測試驗證，采用擴頻接收機測試法。

1 QPSK擴頻調(diào)制正交性分析

QPSK擴頻調(diào)制的作用是將擴頻后的I和Q兩支路基帶信號分別對同相和正交的射頻載波進行BPSK調(diào)制。2路BPSK調(diào)制信號合路生成QPSK調(diào)制信號［6］，其原理框圖如圖1所示。

為了保證系統(tǒng)的抗干擾能力，同時防止I和Q兩支路相互影響，要求中頻π/2移相器的移相相位誤差小于1°。

傳統(tǒng)的QPSK調(diào)制使用模擬器件來實現(xiàn)，2個BPSK調(diào)制器使用雙平衡混頻器，通過對兩平衡支路走線長度的精準設(shè)計和兩平衡支路元件的精心選擇，取得了較好的一致性。2路正交的中頻信號可由90°功分器產(chǎn)生，相位不平衡度小于3°，也即產(chǎn)生的2路中頻信號的正交偏差在3°以內(nèi)。

現(xiàn)在普遍使用數(shù)字化的DDS模塊加數(shù)字正交調(diào)制器進行直接射頻調(diào)制［7，8］，替代以往的模擬NCO加90°功分器的方法得到同頻正交的2路sin、cos信號，在模擬 NCO+90°功分器的方法中，I、Q 支路載波正交性取決與功分器的指標。在目前這種方法中I、Q載波正交性取決于2個方面:DDS模塊輸出信號的相位分辨率和數(shù)字正交調(diào)制器的正交性指標。

DDS輸出信號的相位分辨率取決于DDS內(nèi)部的相位累加器位數(shù)和ROM位數(shù)，這里采用32位累加器和14位ROM表，相位累加器輸出的相位分辨率為360°/232，查14位ROM表后相位分辨率降為0.003 5°，可見DDS模塊輸出信號相位分辨率很高，可以忽略。

數(shù)字正交調(diào)制器的正交性指標，根據(jù)選用的芯片資料說明正交誤差為0.7°，滿足對QPSK擴頻調(diào)制的指標。

2 儀器測試正交性方法

采用矢量信號分析儀測試模擬器輸出的單頻點單顆衛(wèi)星QPSK信號的調(diào)制域特性。在模擬器中設(shè)置關(guān)閉包括星歷誤差、星鐘誤差、電離層誤差和對流層誤差等在內(nèi)的各距離誤差項。將模擬器標校端口輸出的調(diào)制有I、Q兩個支路偽碼的射頻信號接至矢量信號分析儀，直接測得EVM、Phase Err和幅度不平衡度等相關(guān)信號質(zhì)量參數(shù)。其中“Quad Err”參數(shù)即反映了I、Q支路載波相位調(diào)制的正交性誤差，其測試框圖如圖2所示。用高速示波器和矢量電壓表也可以采用此法進行測試。

圖2 儀器法測量正交性

圖1 QPSK擴頻調(diào)制原理

3 接收機測量IQ相位正交性原理

對地面設(shè)備來說，通過電纜直接連接是可以精確測試到I、Q兩路正交性的。而對于在軌衛(wèi)星來說，其下行擴頻信號到達地面接收設(shè)備的功率很微弱，埋沒在噪聲中，利用矢量信號分析儀或者矢量電壓表則無法進行測量。

根據(jù)擴頻信號的特點，提出了利用擴頻接收機進行正交性測量的方法。接收機接收到擴頻信號，首先要進行偽碼捕獲跟蹤，分別在同一時刻對I、Q兩路進行載波相位測量，得到I、Q兩路載波相位差，即可得到被測信號I、Q正交性。

擴頻接收機接收到衛(wèi)星下發(fā)的QPSK擴頻調(diào)制信號之后，進行下變頻，將射頻信號轉(zhuǎn)換成中頻信號，然后送到低中頻處理單元，經(jīng)A/D采樣后，I、Q支路分別進行數(shù)字下變頻，實現(xiàn)偽碼捕獲、偽碼跟蹤，處理過的數(shù)字信號經(jīng)幅度歸一化、數(shù)字鑒相和環(huán)路濾波，計算出輸入信號與本地載波頻率的差值，調(diào)整NCO的輸出，從而對輸入的載波信號進行跟蹤，分別恢復(fù)出I、Q支路的載波相位［9］。接收機測量載波相位的原理圖如圖3所示。

圖3 接收機測量IQ正交性原理

3.1 載波相位正交性計算

輸入的I支路中頻信號可表示為:

式中，A為信號幅度;ωIF為中頻載波頻率;ωd為多普勒頻率;ωc為接收中頻信號的頻率;θ為載波初始相位;D(t)為調(diào)制信息;C(t)為偽碼;nIF(t)為中頻噪聲，窄帶高斯過程。

采樣后的信號為:

本地正交載波信號可表示為:

式中，ωo為數(shù)字本振的頻率;θo為數(shù)字本振的初相。本地正交載波與輸入數(shù)字信號相乘，經(jīng)過低通濾波，得到正交零中頻信號為:

式中Δωn為第n次殘余頻差;Δθn為第n次殘余相位;nI(k)、nQ(k)為同相、正交支路的噪聲，它們同樣是窄帶高斯過程;Ts為采樣周期;k為第k次采樣。

在載波跟蹤階段，環(huán)路頻差、相差接近為零，即ΔωnkTs+Δθ≈0。在完成了解擴后，I(k)×Q(k)代表著環(huán)路的誤差信息，通過對它進行數(shù)字環(huán)路濾波后，進行“幅度歸一化”處理，去控制DDS即可完成載波跟蹤環(huán)路的閉環(huán)鎖定?！胺葰w一化”處理的目的是去掉調(diào)制影響，并使鑒相器的增益不受輸入信號幅度的影響，而僅是本地載波與輸入載波相位誤差的函數(shù)，達到環(huán)路參數(shù)不受輸入信號幅度的影響，因此環(huán)路性能穩(wěn)定。

實現(xiàn)載波環(huán)路跟蹤，直接從NCO中提取載波環(huán)路控制量，得到I支路的載波相位phaI。同樣可以從Q支路NCO中提取得到載波相位phaQ。計算I、Q支路的載波相位差為:

通過這種方法可以得到I、Q兩路載波相位差，即評估了I、Q支路的正交性。

3.2 載波相位正交性測量精度

載波跟蹤采用二階costas環(huán)，影響其測量精度的主要因素為載波環(huán)的跟蹤誤差和軟件處理精度，而在采用32位微處理器時，由軟件處理帶來的量化誤差可以忽略不計。因而影響接收機PLL誤差的主要因素為熱噪聲引起的載波跟蹤環(huán)路的相位顫動［10］，熱噪聲顫動帶來的誤差可以表述為:

式中，Bn為載波環(huán)等效噪聲帶寬;T為預(yù)檢測積分時間;C/N0為載噪比。

載波相位差的測量誤差隨噪聲帶寬的增加而增大，隨積分時間或載噪比的增加而減小。實際應(yīng)用中，對載波相位估計平滑，有效減小隨機誤差，進一步提高測量準確度。

4 工程應(yīng)用及測試結(jié)果

在衛(wèi)星導(dǎo)航地面接收設(shè)備研制過程中，采用如圖3所示的超外差擴頻接收機平臺與衛(wèi)星模擬源設(shè)備進行電纜連接，進行I、Q正交性的測試。

試驗時，設(shè)置衛(wèi)星模擬源發(fā)射擴頻調(diào)制信號，模擬發(fā)射3個頻點12顆衛(wèi)星信號，信號偽碼速率為10 MHz，噪聲帶寬為 20 MHz，信息速率為 50 bps，擴頻接收機接收信號的載噪比可變，從42 dBHz增加到62 dBHz，對應(yīng)信噪比變化范圍為－19～1 dB。

單星單頻實測I、Q正交性測量數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的比對圖如圖4所示。

圖4 接收機測量I、Q正交性測試結(jié)果

由圖4可知，隨著C/N0的惡化，I、Q正交性測量誤差增大，當C/N0＞44 dBHz時，實測衛(wèi)星下行擴頻信號的I、Q正交性的測量誤差精度優(yōu)于1°。

5 結(jié)束語

對QPSK擴頻調(diào)制及實現(xiàn)過程中I、Q支路載波相位正交性的誤差進行了分析，對擴頻接收機法進行載波正交性測量進行了理論推導(dǎo)，仿真結(jié)果和工程項目的實測結(jié)果表明，利用擴頻接收機測量衛(wèi)星下行擴頻信號I、Q兩路正交性是一種有效的方法，測量精準度高，同時滿足多星多頻測試需求，能夠在較低信噪比下提供測量結(jié)果，比儀器測量更加具有廣泛的應(yīng)用場景。

［1］單慶曉，陳建云，鐘小鵬，等.基于數(shù)據(jù)文件讀取的GPS模擬源技術(shù)［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2009(5):79－83.

［2］王 偉，徐啟炳，蒙艷松，等.新型導(dǎo)航信號生成與評估技術(shù)［J］.數(shù)字通信世界，2012(2):56－60.

［3］王 康，高遠航.使用星座圖監(jiān)測數(shù)字信號的系統(tǒng)質(zhì)量［J］.中國有線電視，2008(11):1 146－1 148.

［4］楊 筱，張國柱，歐 鋼.矢量信號分析中匹配濾波器的參數(shù)尋優(yōu)與仿真［J］.計算機仿真，2009(11):199－202.

［5］于穎杰.矢量信號分析儀［J］.國外電子測量技術(shù)，2003(5):41－42.

［6］SONG Wen-miao，YAO Qiong-qiong.Design and Implement of QPSK Modem Based on FPGA［J］.Computer Science and Information Technology，2011(5):99 －601.

［7］謝海霞，周開利.QPSK調(diào)制器的FPGA實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2009(5):176－177.

［8］彭 龍，田書林，劉 科.基于 DDS的數(shù)字 IQ調(diào)制［J］.電子測試，2012(1):19 －22.

［9］CHEN Yu-lan，ZHU Ling，HUANG Han-yan.The Design and Simulation of Synchronization System Based on the QPSK High-speed Demodulator［J］.Information Technology，Computer Engineering and Management Sciences(ICM)，2011(9):24－25.

［10］卡普蘭.GPS原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.