李 雪，李曉東，王增柱

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

引言

衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬器能夠為導(dǎo)航接收機的設(shè)計、驗證、測試提供輸入信號源，是衛(wèi)星導(dǎo)航接收機研發(fā)和衛(wèi)星導(dǎo)航信號系統(tǒng)驗證的主要工具。隨著GPS現(xiàn)代化，Galileo系統(tǒng)、“北斗二代”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)逐步開發(fā)完善，BOC（Binary Offset Carrier）調(diào)制信號、MBOC（Multiplexed Binary Offset Carrier）（包括CBOC（Composite Binary Offset Carrier）和TMBOC（Time Multiplexed Binary Offset Carrier））調(diào)制信號、AltBOC（Alternate Binary Offset Carrier）調(diào)制信號也得到廣泛采用［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，但耗費資源多，軟件兼容性差，不利于工程實現(xiàn)。傳統(tǒng)的QPSK調(diào)制實現(xiàn)方式比較簡單，但是難以適應(yīng)復(fù)雜的信號結(jié)構(gòu)。研究一種既可以產(chǎn)生BOC信號，又能產(chǎn)生傳統(tǒng)的QPSK信號的通用基帶信號生成方法非常必要。

經(jīng)過分析，采用QPSK調(diào)制方式實現(xiàn)BOC信號是生成通用基帶信號的有效途徑。正弦BOC、余弦BOC信號其實就是在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)制方法實現(xiàn)；TMBOC的實現(xiàn)與正、余弦BOC的實現(xiàn)類似，只需要在副載波調(diào)制時加入時分控制信號即可。而對于CBOC和AltBOC信號，調(diào)制方式比較復(fù)雜，無法直接采用QPSK調(diào)制方式實現(xiàn)，因此如何采用QPSK調(diào)制方式實現(xiàn)CBOC和AltBOC信號是生成通用基帶信號的關(guān)鍵，也是本文要重點解決的問題。

1 CBOC調(diào)制信號生成方法

Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)E1頻點采用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信號表達式如下

其中，CE1-B為B支路擴頻碼，CE1-C為C支路擴頻碼，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，直接實現(xiàn)會非常復(fù)雜。因此對式（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）。前者實際上是一個QPSK調(diào)制，后者可近似為QPSK調(diào)制，只不過符號與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信號可以采用兩個單獨的QPSK通道生成，而功率項可以通過控制中頻功率得到。

通過以上變換就可以按照QPSK實現(xiàn)方式生成CBOC調(diào)制信號。

2 AltBOC調(diào)制信號生成方法

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

本文采用的實現(xiàn)方法忽略交調(diào)項影響，將兩個通道分別進行QPSK調(diào)制，其中一個QPSK調(diào)制信號的頻譜被偏移至載波頻率左邊的15f0（f0=1.023MHz）頻率處，另一個信號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，其實現(xiàn)框圖如圖2所示。本方案由于忽略了交調(diào)項，會對信號的恒包絡(luò)特性有一定的影響，但對于小功率的模擬器來說這種影響可以忽略，在實際的工程實現(xiàn)中，這種方法是可行的。

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

3 通用基帶信號生成方法

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

其中，K1為分時復(fù)用開關(guān)，K2用于選擇I路不同速度的碼時鐘，K3用于選擇Q路不同速度的碼時鐘，K4為分時控制信號開關(guān)，K5為I支路副載波選擇開關(guān)，K6為Q支路副載波選擇開關(guān)，K7為復(fù)副載波選擇開關(guān)，K8為QPSK輸入信號選擇開關(guān)，K9為BPSK與QPSK選擇開關(guān)。

為保證副載波、擴頻碼嚴格對齊，在設(shè)計中，采用碼速率最高的副載波的NCO來產(chǎn)生其他副載波和偽隨機碼的時鐘。在圖3中，對碼A1Iw和碼A1Qw進行分頻得到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，通過開關(guān)控制實現(xiàn)不同副載波調(diào)制。擴頻碼的產(chǎn)生是對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路碼時鐘選擇器輸入端，A1Qn和A2Qn配置到Q路碼時鐘選擇器輸入端，通過開關(guān)控制實現(xiàn)不同擴頻碼的輸入。

圖3 通用基帶信號產(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)從信號功率譜圖的角度驗證本文通用基帶信號產(chǎn)生方法的正確性。圖4為多體制多系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航信號模擬源。將設(shè)計輸出的信號直接連接到頻譜分析儀上，得到信號實測頻譜圖。圖5為CBOC（6，1，1/11）調(diào)制信號理論頻譜圖和實測頻譜圖。由于BOC（6，1）擴頻符號的加入，使得CBOC調(diào)制信號在±6MHz附近比BOC（1，1）調(diào)制信號的功率譜密度要高。圖6為AltBOC（15，10）調(diào)制信號理論頻譜圖和實測。由于對接收機來說只考慮主瓣，因此在滿足接收機要求的情況下，本文采用的方法是可以實現(xiàn)Alt-BOC（15，10）調(diào)制信號生成的。

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

5 結(jié)束語

本文介紹了采用QPSK調(diào)制方式生成CBOC調(diào)制信號和AltBOC調(diào)制信號的方法，提出一種通用的基帶信號產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，既可以產(chǎn)生各種新體制的BOC信號，又能生成傳統(tǒng)的BPSK、QPSK信號，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，降低了設(shè)計復(fù)雜度，已在多體制多系統(tǒng)模擬器中得到實現(xiàn)，測試結(jié)果良好，為將來研制更高性能的導(dǎo)航信號模擬器打下了基礎(chǔ)。

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

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

［1］謝 鋼.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2013.Xie Gang.The Principle of Global Navigation Satellite System［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2013.

［2］張 鑫，田 豐，李彩華，等.可配置新體制導(dǎo)航信號生成方法及性能分析［J］.導(dǎo)航定位學(xué)報，2013，1（4）:36～41.Zhang Xin，Tian Feng，Li Caihua，et al.Configurable Modernized Navigation Signal Generation Method and Performance Analysis［J］.Journal of Navigation and Positioning，2013，1（4）:36 ～41.

［3］Kaplan Elliott D，Hegarty Christopher J.GPS原理與應(yīng)用［M］.寇艷紅，譯.第二版.北京:電子工業(yè)出版社，2007:105～109.Kaplan Elliott D，Hegarty Christopher J.Understanding GPS:Principle and Applications［M］.Kou Yanhong，Trans.2nd ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2007:105 ～109.

［4］Galileo Joint Undertaking.Galileo Open Service Signal in Space Interface Control Document［S］.［s.l.］:European Space Agency/Galileo Joint Undertaking，2010.

［5］Kou Yanhong，Zhang Bo，Zhao Yun.Design and Implementation of a Multi-signal-structure GNSS Signal Simulator Using Low IF Digital Quadrature Modulation［C］//Proceedings of the 21stInternational Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation（ION GNSS 2008）.Savannah:［s.n.］，2008:2677 ～2691.

［6］Fantino Mautizio，Mulassano Paolo，Dovis Fabio，et al.Performance of the Proposed Galileo CBOC Modulation in Heavy Multipath Environment［J］.Wireless Pres Communication，2008，44（3）:323 ～339.

［7］雷志遠，郭 際，盧曉春.恒包絡(luò)AltBOC信號調(diào)制方式分析［J］.時鐘頻率學(xué)報，2013，36（1）:44～53.Lei Zhiyuan，Guo Ji，Lu Xiaochun.Analysis of Constant Envelope AltBOC Modulation［J］.Journal of Clock Frequency，2013，36（1）:44 ～53.

［8］Lestarquit L，Artaud G，Issler J L.AltBOC for Dummies or Everything You Always Wanted to Know about AltBOC［C］//ION GNSS，Savannah:GA，2008:961 ～970.

［9］王 璐，李 鵬，劉崇華.AltBOC導(dǎo)航信號調(diào)制技術(shù)研究［C］//第二屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會電子文集（CSNC 2011）.上海:中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，2011.Wang Lu，Li Peng，Liu Chonghua.Study on AltBOC Navigation Signal Technology［C］//The Second Session of the China Satellite Navigation Conference（CSNC 2011）.Shanghai:Chinese Satellite Navigation System Management Office，2011.