周雪娟，馬金鳳

(1.武漢大學(xué) 測繪學(xué)院，湖北 武漢430079;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;3.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東 廣州510760)

0 引言

伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Galileo)是歐洲正在實施的一項重大民用航天項目，與美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)相比較，伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)具有更精確、更穩(wěn)定及更安全等特點。伽利略系統(tǒng)采用BOC調(diào)制，這種調(diào)制信號其大部分功率分布在靠近載波頻率的邊沿處，而在載波頻率處沒有能量分布，它不僅能夠使信號之間存在較好的隔離，實現(xiàn)頻譜共享，而且具有更高的定位精度和更強的多徑分辨能力。

1 BOC調(diào)制原理

BOC是一種二進制調(diào)制，適用于被調(diào)制到載波之前的擴頻碼，有時稱為副載波調(diào)制，它以一個方波作為副載波，對衛(wèi)星產(chǎn)生的擴頻碼信號進行輔助調(diào)制，在這之后再調(diào)制到主載波上，即用擴頻信號和一個方波副載波相乘，這使得信號的頻譜分裂成2部分，且分列于主載波頻率的左右。

BOC調(diào)制基本原理是在原有的BPSK調(diào)制基礎(chǔ)上，再增加一個二進制副載波進行調(diào)制。以正弦調(diào)制為例，其信號形式的一般表達式為:

其中:

式中，ck為第k個碼片的電平值，h(t－k Tc)為碼元間隔為Tc的非歸零碼脈沖序列。

典型的BOC信號可以用式子BOC(fs，fc)表示，fs為副載波頻率，fc為碼速率，其中:基準頻率為1.023 MHz。例如，BOC(10，2)表示的副載波頻率為10 ×1.023 MHz=10.23 MHz，碼速率為 2 ×1.023 MHz=2.046 MHz。除非有特別規(guī)定，副載波函數(shù)為sign(sin2πfst)，其中副載波頻率為 fs和碼片起始點為 t=0。

2 BOC與BPSK調(diào)制比較分析

BPSK調(diào)制信號，也稱為二進制移相鍵控，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式為:

式中:Ts為碼元間隔，g(t－nTs)為脈寬為Ts的矩形脈沖序列，wc為載波頻率，an為第n個信息符號所對應(yīng)的電平值，其相應(yīng)的統(tǒng)計特性為:

跟傳統(tǒng)BPSK調(diào)制方式相比，BOC調(diào)制信號的主要特點是加入了副載波調(diào)制，副載波調(diào)制的結(jié)果是將傳統(tǒng)的BPSK頻譜分為2個對稱的分量，在載波頻率上沒有剩余功率。以BOC(1，1)和BPSK(1)為例，相對應(yīng)的功率譜密度曲線如圖1所示，自相關(guān)函數(shù)曲線如圖2所示，BPSK功率譜密度曲線上的1個尖峰被分裂為2個，功率譜密度的最大值從1個變成了2個，同時功率譜密度的最大值從中心頻率處被搬移到距離中心頻率為副載波頻率 fs的2個點。而在自相關(guān)函數(shù)曲線上，BOC(1，1)較BPSK(1)有更尖銳的主峰斜率，有效地提高了碼跟蹤精度。

圖1 BOC(1，1)和BPSK(1)功率譜密度對比

圖2 BOC(1，1)和BPSK(1)自相關(guān)函數(shù)對比

但是，從自相關(guān)函數(shù)圖上可以看到BOC(1，1)有2個邊峰，從信號接收的角度來講，偽碼搜索、捕獲過程中，可能出現(xiàn)錯鎖現(xiàn)象。

3 BOC調(diào)制的FPGA實現(xiàn)

FPGA是在復(fù)雜的可編程邏輯器件(CPLD)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件，具有功能強大、開發(fā)過程投資小、周期短、可反復(fù)編程修改及開發(fā)工具智能化等特點，F(xiàn)PGA的集成度很高，器件密度從數(shù)萬系統(tǒng)門到數(shù)千萬系統(tǒng)門不等，可以完成極其復(fù)雜的時序與邏輯電路功能。隨著電子工藝的不斷改進，低成本FPGA器件的推陳出新，F(xiàn)PGA已經(jīng)成為當(dāng)今硬件設(shè)計的首選方式之一，采用FPGA來實現(xiàn)BOC調(diào)制。

在FPGA里實現(xiàn)BOC調(diào)制的原理如圖3所示。外部時鐘從FPGA的時鐘腳輸入，經(jīng)過FPGA里面自帶的鎖相環(huán)(PLL)模塊倍頻產(chǎn)生高倍時鐘，分頻模塊將該高倍時鐘進行時鐘管理，產(chǎn)生各個所需的不同頻率的時鐘，分別去進行電文組幀、偽碼生成、副載波生成以及中頻載波生成。電文、偽碼以及副載波產(chǎn)生以后進行異或，生成帶有副載波的基帶信號，最后再跟中頻載波去進行BPSK調(diào)制后輸出，這樣產(chǎn)生的信號就是BOC調(diào)制信號。

圖3 BOC調(diào)制FPGA原理圖

這里要注意的是，任何導(dǎo)航信號產(chǎn)生器都是一個在時間上統(tǒng)一的系統(tǒng)，圖3上BOC信號產(chǎn)生過程中各個模塊的工作都是在參考時鐘的驅(qū)動下嚴格同步的，電文、偽碼、副載波和中頻載波的產(chǎn)生不僅要保證正確性，同時也要保證實時的嚴格對齊。而FPGA內(nèi)部由于各邏輯單元不同的分布走線以及工藝的原因可能會造成程度不同的時延差異，這就要求設(shè)計者在FPGA模塊實現(xiàn)中具體編程時必須嚴謹規(guī)范，盡量少用或者不用異步時序，所有中間信號都由參考時鐘同步推出。

4 仿真實驗結(jié)果

圖4(a)為偽碼仿真波形圖，圖 4(b)為BOC(1，1)的副載波仿真波形圖，圖4(c)為經(jīng)過副載波調(diào)制后的信號波形圖，這3個圖在時序上是嚴格對齊的?？梢钥吹剑珺OC調(diào)制中副載波的調(diào)制其實是將擴頻碼與副載波進行異或操作即可，到后面再與中頻載波進行BPSK調(diào)制。

圖4 BOC(1，1)FPGA仿真圖

圖5給出了在頻譜儀上觀察到的BOC(1，1)調(diào)制輸出信號的頻譜圖。

圖5 BOC(1，1)頻譜圖

從頻譜圖上可以看出BOC(1，1)信號的頻譜分裂成了2部分，位于主載波頻率的兩邊，與理論分析的頻譜特性相符合。結(jié)果表明，所提出的BOC信號調(diào)制實現(xiàn)方式正確可行。

5 結(jié)束語

BOC調(diào)制具有較寬的頻譜，能量集中在所分配帶寬的邊緣，所以在熱噪聲和多徑誤差方面具有較好的精確度，增強了信號的抗干擾性，提高了跟蹤性能。文中提出了基于FPGA的BOC調(diào)制實現(xiàn)方法，結(jié)果表明，這種方法切實可行。但是，由于BOC信號的自相關(guān)函數(shù)具有模糊性，有多個正負峰值，導(dǎo)致信號捕獲過程變得更加復(fù)雜。同時，也增加了跟蹤時偏置測量值的風(fēng)險，這就對BOC信號的捕獲接收設(shè)備提出了新的要求。

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