李 雪，李曉東，王增柱

（北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076）

引言

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬器能夠?yàn)閷?dǎo)航接收機(jī)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、測(cè)試提供輸入信號(hào)源，是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)研發(fā)和衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)系統(tǒng)驗(yàn)證的主要工具。隨著GPS現(xiàn)代化，Galileo系統(tǒng)、“北斗二代”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐步開(kāi)發(fā)完善，BOC（Binary Offset Carrier）調(diào)制信號(hào)、MBOC（Multiplexed Binary Offset Carrier）（包括CBOC（Composite Binary Offset Carrier）和TMBOC（Time Multiplexed Binary Offset Carrier））調(diào)制信號(hào)、AltBOC（Alternate Binary Offset Carrier）調(diào)制信號(hào)也得到廣泛采用［1～3］。

BOC調(diào)制包括正弦BOC、余弦BOC、CBOC、TMBOC、AltBOC等調(diào)制方式，雖然形式多樣，但耗費(fèi)資源多，軟件兼容性差，不利于工程實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的QPSK調(diào)制實(shí)現(xiàn)方式比較簡(jiǎn)單，但是難以適應(yīng)復(fù)雜的信號(hào)結(jié)構(gòu)。研究一種既可以產(chǎn)生BOC信號(hào)，又能產(chǎn)生傳統(tǒng)的QPSK信號(hào)的通用基帶信號(hào)生成方法非常必要。

經(jīng)過(guò)分析，采用QPSK調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)BOC信號(hào)是生成通用基帶信號(hào)的有效途徑。正弦BOC、余弦BOC信號(hào)其實(shí)就是在QPSK調(diào)制的基礎(chǔ)上增加了副載波，所以它們可以按照QPSK調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)；TMBOC的實(shí)現(xiàn)與正、余弦BOC的實(shí)現(xiàn)類似，只需要在副載波調(diào)制時(shí)加入時(shí)分控制信號(hào)即可。而對(duì)于CBOC和AltBOC信號(hào)，調(diào)制方式比較復(fù)雜，無(wú)法直接采用QPSK調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)，因此如何采用QPSK調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)CBOC和AltBOC信號(hào)是生成通用基帶信號(hào)的關(guān)鍵，也是本文要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

1 CBOC調(diào)制信號(hào)生成方法

Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)E1頻點(diǎn)采用CBOC（6，1，1/11）調(diào)制方式［4～6］，其調(diào)制框圖示于圖1。

圖1 E1 CBOC調(diào)制框圖Fig.1 Modulation scheme for the E1 CBOC signal

輸出E1信號(hào)表達(dá)式如下

其中，CE1-B為B支路擴(kuò)頻碼，CE1-C為C支路擴(kuò)頻碼，DE1-B為B支路導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)流，scE1-B，a為B支路1.023MHz副載波，scE1-B，b為B支路6.138MHz副載波，scE1-C，a為C支路1.023MHz副載波，scE1-C，b為C支路6.138MHz副載波。

從式（1）可以看出，CBOC調(diào)制是多比特位調(diào)制，直接實(shí)現(xiàn)會(huì)非常復(fù)雜。因此對(duì)式（1）加入載波調(diào)制，重新整理，得到式（2）。

由式（2）可以看出，E1的調(diào)制表達(dá)式可以分為兩部分:α（eE1-B（t）scE1-B，a（t）cosωteE1-C（t）scE1-C，a（t）sinωt）和β（eE1-B（t）scE1-B，b（t）cosωt+eE1-C（t）scE1-C，b（t）sinωt）。前者實(shí)際上是一個(gè)QPSK調(diào)制，后者可近似為QPSK調(diào)制，只不過(guò)符號(hào)與QPSK調(diào)制不同。

令

得到

其中，ω1為基帶頻率，ω2為本振頻率。再令

得到

根據(jù)上述推導(dǎo)，E1信號(hào)可以采用兩個(gè)單獨(dú)的QPSK通道生成，而功率項(xiàng)可以通過(guò)控制中頻功率得到。

通過(guò)以上變換就可以按照QPSK實(shí)現(xiàn)方式生成CBOC調(diào)制信號(hào)。

2 AltBOC調(diào)制信號(hào)生成方法

Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)的E5頻點(diǎn)信號(hào)采用AltBOC（15，10）調(diào)制，其表達(dá)式如式（9）所示，兩個(gè)副載波均為4電平量，4路擴(kuò)頻信號(hào)為雙電平量，合成信號(hào)為恒包絡(luò)信號(hào)［7～9］。

本文采用的實(shí)現(xiàn)方法忽略交調(diào)項(xiàng)影響，將兩個(gè)通道分別進(jìn)行QPSK調(diào)制，其中一個(gè)QPSK調(diào)制信號(hào)的頻譜被偏移至載波頻率左邊的15f0（f0=1.023MHz）頻率處，另一個(gè)信號(hào)頻譜被偏移至載波頻率右邊的15f0頻率處，然后疊加生成AltBOC調(diào)制信號(hào)，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。本方案由于忽略了交調(diào)項(xiàng)，會(huì)對(duì)信號(hào)的恒包絡(luò)特性有一定的影響，但對(duì)于小功率的模擬器來(lái)說(shuō)這種影響可以忽略，在實(shí)際的工程實(shí)現(xiàn)中，這種方法是可行的。

圖2 兩路QPSK信號(hào)合成生成Galileo E5信號(hào)原理Fig.2 The principle diagram of Galileo E5 signal generation with the combination of two QPSK signals

3 通用基帶信號(hào)生成方法

基于以上分析，所有BOC信號(hào)都可以采用QPSK調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)，因此本文提出一種通用的基帶信號(hào)生成方法，通過(guò)軟件配置不同的選擇開(kāi)關(guān)產(chǎn)生BPSK、QPSK以及BOC信號(hào)，其通道結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中，K1為分時(shí)復(fù)用開(kāi)關(guān)，K2用于選擇I路不同速度的碼時(shí)鐘，K3用于選擇Q路不同速度的碼時(shí)鐘，K4為分時(shí)控制信號(hào)開(kāi)關(guān)，K5為I支路副載波選擇開(kāi)關(guān)，K6為Q支路副載波選擇開(kāi)關(guān)，K7為復(fù)副載波選擇開(kāi)關(guān)，K8為QPSK輸入信號(hào)選擇開(kāi)關(guān)，K9為BPSK與QPSK選擇開(kāi)關(guān)。

為保證副載波、擴(kuò)頻碼嚴(yán)格對(duì)齊，在設(shè)計(jì)中，采用碼速率最高的副載波的NCO來(lái)產(chǎn)生其他副載波和偽隨機(jī)碼的時(shí)鐘。在圖3中，對(duì)碼A1Iw和碼A1Qw進(jìn)行分頻得到A2Iw和A2Qw，將A1Iw和A2Iw配置到I路副載波選擇器輸入端，A1Qw和A2Qw配置到Q路副載波選擇器輸入端，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)不同副載波調(diào)制。擴(kuò)頻碼的產(chǎn)生是對(duì)A1Iw、A1Qw、A2Iw和A2Qw取下降沿變窄得到A1In、A1Qn、A2In和A2Qn，將A1In和A2In配置到I路碼時(shí)鐘選擇器輸入端，A1Qn和A2Qn配置到Q路碼時(shí)鐘選擇器輸入端，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)不同擴(kuò)頻碼的輸入。

圖3 通用基帶信號(hào)產(chǎn)生通道結(jié)構(gòu)Fig.3 Channel structure diagram of universal baseband signal generation

4 仿真分析

本節(jié)從信號(hào)功率譜圖的角度驗(yàn)證本文通用基帶信號(hào)產(chǎn)生方法的正確性。圖4為多體制多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源。將設(shè)計(jì)輸出的信號(hào)直接連接到頻譜分析儀上，得到信號(hào)實(shí)測(cè)頻譜圖。圖5為CBOC（6，1，1/11）調(diào)制信號(hào)理論頻譜圖和實(shí)測(cè)頻譜圖。由于BOC（6，1）擴(kuò)頻符號(hào)的加入，使得CBOC調(diào)制信號(hào)在±6MHz附近比BOC（1，1）調(diào)制信號(hào)的功率譜密度要高。圖6為AltBOC（15，10）調(diào)制信號(hào)理論頻譜圖和實(shí)測(cè)。由于對(duì)接收機(jī)來(lái)說(shuō)只考慮主瓣，因此在滿足接收機(jī)要求的情況下，本文采用的方法是可以實(shí)現(xiàn)Alt-BOC（15，10）調(diào)制信號(hào)生成的。

圖4 多體制多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬源Fig.4 Multi-modulation and multi-system satellite navigation signal simulator

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了采用QPSK調(diào)制方式生成CBOC調(diào)制信號(hào)和AltBOC調(diào)制信號(hào)的方法，提出一種通用的基帶信號(hào)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，既可以產(chǎn)生各種新體制的BOC信號(hào)，又能生成傳統(tǒng)的BPSK、QPSK信號(hào)，能夠滿足GPS、GLONASS、Galileo和北斗等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的研發(fā)需求。本文方法減少了資源耗費(fèi)，降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜度，已在多體制多系統(tǒng)模擬器中得到實(shí)現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果良好，為將來(lái)研制更高性能的導(dǎo)航信號(hào)模擬器打下了基礎(chǔ)。

圖5 CBOC（6，1，1/11）調(diào)制信號(hào)頻譜Fig.5 Power spectral density of CBOC（6，1，1/11）modulation signal

圖6 AltBOC（15，10）調(diào)制信號(hào)頻譜Fig.6 Power spectral density of AltBOC（15，10）modulation signal

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