【摘 要】二進(jìn)制偏移載波（Binary Offset Carrier ，BOC）調(diào)制技術(shù)可以利用信號(hào)的裂譜特性實(shí)現(xiàn)與其他同頻率信號(hào)的共存.本文對(duì)BOC調(diào)制技術(shù)調(diào)制通信信號(hào)的原理和具體特點(diǎn)進(jìn)一步分析和研究，并對(duì)BOC信號(hào)調(diào)制同步捕獲的有效方式和技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)和概括，結(jié)合Matlab仿真軟件設(shè)計(jì)信號(hào)捕獲方法。

【關(guān)鍵詞】二進(jìn)制偏移載波調(diào)制 快速傅里葉變換 快速傅里葉逆變換 循環(huán)相關(guān) 直捕

全球定位系統(tǒng)（GPS）是利用GPS衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球、全天候、實(shí)時(shí)、連續(xù)導(dǎo)航定位的新一代高精度空基導(dǎo)航系統(tǒng)[4]．實(shí)現(xiàn)GPS軍用和民用信號(hào)的分離，增強(qiáng)軍用通信的信息容量和抵抗外界干涉的功能性也一直為研究熱點(diǎn)。在此熱點(diǎn)中，對(duì)于M碼的研究分離技術(shù)則是關(guān)鍵內(nèi)容，M碼即為軍用碼，它能發(fā)送更大的功率而不干涉民用接收機(jī)，并可以干擾敵方對(duì)信號(hào)的利用。過(guò)去所應(yīng)用的GPS通訊設(shè)施中，C/A碼（粗捕獲碼）與P碼（精碼）的信號(hào)都是使用二相制相移鍵控（BPSK）來(lái)進(jìn)行調(diào)制，現(xiàn)在的GPS通訊中M碼使用了BOC調(diào)制器，這是一種全新的調(diào)制方式，它采用了全新的技術(shù)使M碼的頻譜與現(xiàn)有信號(hào)的分離，同時(shí)它的性能也十分強(qiáng)大。

BOC調(diào)制技術(shù)不但能夠使軍方使用以前的GPS的頻率，而且還可以在戰(zhàn)爭(zhēng)中使用導(dǎo)航功能，實(shí)現(xiàn)軍用民用接收通信一體機(jī)。使用BOC調(diào)制技術(shù)，接收機(jī)也可充分發(fā)揮其帶寬的特點(diǎn)，而其使用直接捕獲技術(shù)自身捕捉獲取軍用碼信號(hào)也增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性。因此，該技術(shù)已發(fā)展成接收機(jī)同步處理的核心技術(shù)[1]。

一、BOC調(diào)制技術(shù)概述

我們現(xiàn)在所應(yīng)用的GPS衛(wèi)星通訊頻譜架構(gòu)中，載頻L1、L2均能發(fā)出信號(hào)，C/A粗碼和P(Y)精碼位于L1載頻有著相互正交關(guān)系，L2頻段只發(fā)送P(Y)碼，對(duì)應(yīng)著Ll上的P(Y)碼，使電離對(duì)其產(chǎn)生的干擾減少消失。C/A碼是明碼，一般處于公開(kāi)和未加密的狀態(tài)，在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期使用C/A碼能夠在某些地域擾亂敵人發(fā)送的信號(hào)。在現(xiàn)在所使用的GPS衛(wèi)星信號(hào)頻譜架構(gòu)中，在擾亂C/A碼的同時(shí)也將會(huì)造成P(Y)碼的錯(cuò)亂，其原因在于此頻譜架構(gòu)中軍用信號(hào)和民用信號(hào)中所有頻譜中間部分處在同一波段，在擾亂C/A粗碼信號(hào)中間部分的同時(shí)也會(huì)影響到P(Y)精碼的中間部分。M碼則很好的將軍用和民用信號(hào)分裂開(kāi)了，它使用了BOC調(diào)制方式可以使頻譜分裂，使絕大部分的功率信號(hào)集中在L1、L2的邊端處，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效分離。

GPS系統(tǒng)中，C/A碼與P碼信號(hào)均都使用BPSK進(jìn)行調(diào)制，而M碼則使用的是BOC來(lái)進(jìn)行調(diào)制，兩者比較，BOC調(diào)制技術(shù)不僅減少了傳送時(shí)干擾所產(chǎn)生的噪音，還加強(qiáng)了對(duì)多線路目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤的性能，這種改進(jìn)使得功率大多數(shù)集中在伽柏（Gabor）帶的邊沿處，強(qiáng)制使其帶寬增加，最大限度的使用不同的頻帶占用的空間，從而使其與一般頻帶（L1、L2頻段）的預(yù)存導(dǎo)航信號(hào)間的干擾減少。

BOC調(diào)制信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：[7]

其中是是經(jīng)數(shù)據(jù)調(diào)制的速率為的二進(jìn)制擴(kuò)頻碼; 稱(chēng)為亞載波，是頻率為 的雙相非歸零方波。通常記BOC 調(diào)制基帶信號(hào)為BOC（，），、均為1.023MHz的整數(shù)倍。

BOC 調(diào)制用亞載波對(duì)二進(jìn)制直接序列擴(kuò)頻(DSSS) 信號(hào)再次進(jìn)行調(diào)制，使信號(hào)的頻譜分裂為兩部分，對(duì)稱(chēng)地分布在中心頻率兩側(cè)，如圖1所示。

圖1 公用一個(gè)頻點(diǎn)的基帶BOC和BPSK信號(hào)的頻譜圖

傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)大都是BPSK調(diào)制的DSSS信號(hào)，因此BOC 調(diào)制很好地實(shí)現(xiàn)了頻段的共用，而且還可能獲得更好的偽碼跟蹤精度【1】。

二、基于BOC調(diào)制長(zhǎng)碼信號(hào)的捕獲方法

GPS M碼信號(hào)使用長(zhǎng)擴(kuò)頻碼，沒(méi)有明顯的發(fā)射周期，又因?yàn)檎{(diào)制方式采用的BOC調(diào)制技術(shù)，在過(guò)去的擴(kuò)頻信號(hào)中增加了一個(gè)亞載波信號(hào)，大大增強(qiáng)了M碼信息的靈活性，我們可以根據(jù)上述中M碼信號(hào)的特點(diǎn)來(lái)對(duì)它實(shí)現(xiàn)直接捕獲，針對(duì)性獲取信息，來(lái)提高捕獲的速度和精度[3]。

循環(huán)相關(guān)技術(shù)、并行多普勒補(bǔ)償技術(shù)和基于偽碼相關(guān)性的直接捕獲算法等是直捕技術(shù)的主要內(nèi)容。下圖3是一種快速直捕技術(shù)的方案圖。

圖2 快速直捕方案圖

BOC調(diào)制信號(hào)在捕捉信號(hào)方面所采用是循環(huán)相關(guān)的技術(shù)，但是循環(huán)的方式有很多種，由于偽隨機(jī)噪聲碼（PRN）發(fā)展應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜，因此如何找到快速有效的捕捉算法成為了新的瓶頸式問(wèn)題。

怎樣使運(yùn)算效率得到有效提升是首要解決的難題。在硬件方面，只能是開(kāi)發(fā)出全新的硬件技術(shù)才能完成速率的提升；在算法方面，和原子時(shí)鐘技術(shù)比石英時(shí)鐘精確度上升了10000倍相類(lèi)似，要提升運(yùn)算效率就要設(shè)定一個(gè)合理的捕獲算法。本文使用基于快速傅里葉變換（FFT）的頻域相乘法求得接收信號(hào)與本地信號(hào)循環(huán)相關(guān)的結(jié)果，即用接收信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)與本地信號(hào)頻譜數(shù)據(jù)的共軛值相乘，再對(duì)乘積求FFT反變換實(shí)現(xiàn)直接捕獲。此外，接收GPS的M碼信號(hào)的載波頻率處在邊沿位置，產(chǎn)生了多普勒頻移，需進(jìn)行多普勒補(bǔ)償。在分析處理運(yùn)用BOC調(diào)制的M碼信號(hào)同步接收時(shí)，可以使進(jìn)入捕獲狀態(tài)的接收信號(hào)更加靠近真實(shí)的中頻率信號(hào)，相關(guān)峰值更加明顯。但是使用單一傳送通道和相串聯(lián)的方式還是不能達(dá)到對(duì)搜捕速率的需求，所以我們需使用多通道并聯(lián)的多普勒頻移補(bǔ)償方式。仿真運(yùn)算過(guò)程中采用了載波并行的方案。在不同捕獲階段使用不同的多普勒補(bǔ)償方案，，來(lái)實(shí)現(xiàn)偽隨機(jī)碼捕獲與載波捕獲同步完成。

三、基于BOC調(diào)制長(zhǎng)碼信號(hào)捕獲環(huán)路建模

對(duì)GPS M碼通訊實(shí)現(xiàn)同步原理進(jìn)行分析研究以及根據(jù)其所表現(xiàn)出的特點(diǎn)，我們對(duì)M碼同步接收進(jìn)行了系統(tǒng)的建模。重點(diǎn)介紹單邊帶捕獲技術(shù)。

BOC調(diào)制信號(hào)運(yùn)用單邊帶捕捉獲取信處理的具體操作：

（一）BOC調(diào)制信號(hào)通過(guò)GPS衛(wèi)星傳送到接收機(jī)的天線前端并進(jìn)行相應(yīng)的前端處理，對(duì)信號(hào)減少噪聲，把高頻率信號(hào)變?yōu)橹蓄l率信號(hào)，然后進(jìn)行模數(shù)（A/D)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)邊帶選擇器，使接收信號(hào)分為上下邊帶兩路信號(hào)，兩路信號(hào)分別經(jīng)過(guò)已經(jīng)設(shè)置好帶寬的帶通濾波器，進(jìn)行濾波處理。再對(duì)通過(guò)濾波處理的信息進(jìn)行并行多普勒補(bǔ)償給以相對(duì)應(yīng)的步進(jìn)值，以此來(lái)擴(kuò)展為多通道的亞載波信號(hào)。

（二）進(jìn)行并行多普勒補(bǔ)償給予相對(duì)應(yīng)的步進(jìn)值，以此來(lái)擴(kuò)展為多通道的亞載波信號(hào)，并且以相同的時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，發(fā)射出本地信號(hào)，而后用方波對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，然后對(duì)調(diào)制后的本地信號(hào)和接收信號(hào)運(yùn)用循環(huán)運(yùn)算進(jìn)行處理，分離出在其中一個(gè)通道中多普勒頻移補(bǔ)償狀態(tài)中最大峰值，再根據(jù)事先定好的門(mén)閥值進(jìn)行比較，此門(mén)閥值是使用的比例門(mén)閥值，所以可以對(duì)其做出相應(yīng)的判斷。若最大峰值比門(mén)閥值小，那么需再移動(dòng)本地偽隨機(jī)碼序列，再依照上述方式做一次，若比門(mén)閥值大，則復(fù)現(xiàn)的二進(jìn)偏移調(diào)制信號(hào)與接收信號(hào)的頻率率的數(shù)值相近，它們所產(chǎn)生的差值不超過(guò)有限個(gè)碼元，相對(duì)應(yīng)的多普勒頻移的誤差也小于一定頻率間隔值，來(lái)實(shí)現(xiàn)捕獲。

對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕捉獲取進(jìn)程中，采用了時(shí)域上的偽隨機(jī)碼串聯(lián)行載波并行的方式，使用循環(huán)相關(guān)計(jì)算，因?yàn)樵谇耙浑A段的捕獲過(guò)程中，對(duì)偽隨機(jī)碼和多普勒頻移已做了初步的判斷，減小了誤差范圍。就偽隨機(jī)碼來(lái)說(shuō)，在相對(duì)移動(dòng)捕獲中對(duì)本地信息進(jìn)行復(fù)制而產(chǎn)生偽碼序列，得到有限碼元，來(lái)預(yù)防在獲捉信息的后續(xù)階段出現(xiàn)過(guò)快或停滯的狀況。在調(diào)制頻率的整個(gè)過(guò)程中，使用最大比例峰值的方法將其與門(mén)閥值進(jìn)行比較，使偽隨機(jī)碼的誤差值小于一個(gè)碼元的數(shù)值內(nèi)。就載波來(lái)說(shuō)，捕捉獲取載頻的中間部分，以此來(lái)減小對(duì)多普勒頻移的查找，再進(jìn)行并行多普勒補(bǔ)償給以相對(duì)應(yīng)的步進(jìn)量，再次減小多普勒頻移數(shù)值的范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的捕捉。

四、基于BOC調(diào)制信號(hào)捕獲環(huán)路仿真步驟

在對(duì)BOC調(diào)制信息成功實(shí)現(xiàn)同步接收和建模后，在輸入信號(hào)為BOC（10，5）調(diào)制的長(zhǎng)碼信號(hào)，采用了Matlab對(duì)BOC調(diào)制信號(hào)直捕性能進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。算法流程為：

在對(duì)二進(jìn)偏移調(diào)制信息成功實(shí)現(xiàn)同步接收和建模后，在BIC（10，5）采用了Matlab7.1對(duì)二制偏移調(diào)制信號(hào)直捕性能進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。其流程描述為：

Step1：收集，查看衛(wèi)星信號(hào)，掌握原始數(shù)據(jù)信息，并對(duì)所收集的信號(hào)進(jìn)行高頻轉(zhuǎn)中頻，復(fù)制等操作，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為基帶信號(hào)。

Step2：用邊帶選擇器來(lái)選擇邊帶處理的方式，如果結(jié)果為單邊帶處理方式則實(shí)行Step3，相反實(shí)行Step4。

Step3：并行處理接收的軍用碼信號(hào)，并對(duì)它邊沿信號(hào)進(jìn)行分析處理。

Step4：接收信號(hào)通過(guò)濾波器，并設(shè)定濾波器相應(yīng)參數(shù)，使它輸出相對(duì)應(yīng)的單邊帶或雙邊帶信號(hào)，而上面附帶的數(shù)據(jù)是整個(gè)捕獲階段的可靠依據(jù)。

Step5：并行多譜勒補(bǔ)償分析處理，把運(yùn)算所得的中間頻率段作為重心，并且給以相對(duì)應(yīng)的步進(jìn)量使其產(chǎn)生本地N路載波信號(hào)。

Step6：上步所產(chǎn)生的載波信號(hào)和接收的采樣信號(hào)實(shí)行并行混頻處理，進(jìn)而產(chǎn)生N路消除載波后的亞載波調(diào)制信號(hào)。

Step7：對(duì)處理后的N路接收信號(hào)并行FFT計(jì)算。

Step8：本地信號(hào)產(chǎn)生相應(yīng)長(zhǎng)度的軍用碼序列，并復(fù)制它。

Step9：生成本地亞載波信號(hào)，使它與本地軍用碼信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，對(duì)調(diào)制后的軍用碼信號(hào)再次進(jìn)行FFT運(yùn)算。

Step10：將步驟7、9所得數(shù)據(jù)并行相乘。

Step11：N路相乘step10中所得結(jié)果并進(jìn)行IFFT后取模運(yùn)算。

Step12：應(yīng)用邊帶選擇器得也此信號(hào)是單邊帶還是多邊帶處理信號(hào)，如果是單邊則實(shí)行行Step13，相反實(shí)行Step14。

Step13：上、下邊帶處理結(jié)果則無(wú)效。

Step14：取Step11中輸出結(jié)果的最大比例峰值，與門(mén)限值進(jìn)行比較。

Step15：根據(jù)最大比例峰值與捕獲門(mén)限值的大小進(jìn)行分析，如果大于門(mén)限值，那么進(jìn)入跟蹤環(huán)路，相反則調(diào)整本地碼的碼偏位置，從Step8再次執(zhí)行。

用BOC調(diào)制對(duì)M碼信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，可以將偽碼誤差值縮小在1個(gè)碼元的數(shù)值內(nèi)，使用多通道信號(hào)并行多普勒補(bǔ)償處理，能夠使捕獲的載波頻率與正確的載波頻率只相差5個(gè)赫茲。綜上所述，能夠得出在干擾處在一定值內(nèi)，同步接收可以百分百正確的接收數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理想信號(hào)同步的要求。

五、結(jié)論

隨著科技發(fā)展導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中重要的組成部分，它可以有效的提高對(duì)作戰(zhàn)部隊(duì)的指揮控制、軍兵種協(xié)同作戰(zhàn)和快速反應(yīng)能力[4]。目前，在軌運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)我國(guó)采用BPSK調(diào)制信號(hào)，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航事業(yè)高速發(fā)展，導(dǎo)航信號(hào)頻段日漸擁擠，提高頻段利用率已勢(shì)在必行。采用BOC調(diào)制信號(hào)，不僅能夠提高頻段利用率，而且可以減少信號(hào)相干損耗、抑制信號(hào)多路徑效應(yīng)誤差、增強(qiáng)信號(hào)抗干擾性能、解決強(qiáng)弱信號(hào)壓制問(wèn)題及提高信號(hào)跟蹤測(cè)量精度等。在相同碼速率下，將BOC調(diào)制信號(hào)與BPSK調(diào)制信號(hào)相比較，具有碼跟蹤熱噪聲誤差小、多徑誤差小的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)下一步衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)的研究具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸云，劉建永，曾京.GPS干擾技術(shù)及其仿真應(yīng)用[J].光電技術(shù)用，2004，19(5):44-46.

[2]李廷軍，金慧琴，郝建平.GPS干擾技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2001，(4):4-6.

[3]譚顯裕.GPS在導(dǎo)航戰(zhàn)中的作用及其干擾對(duì)抗研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2001. (6):42-47.

[4]趙昀，張其善，寇艷紅.基于Matlab的數(shù)字中頻GPS信號(hào)生成模型[J].信號(hào)處理，2005，21(3):300-303.

[5]王偉，徐定杰.基于FFT的偽碼快速捕獲[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，24(6):646-650.

[6]姚芬.未來(lái)人工觀察系統(tǒng)發(fā)展設(shè)想[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù)，2011，2（6）：1-5.