摘 要： 針對BOC調(diào)制信號傳統(tǒng)捕獲算法的模糊問題，在對直接捕獲法、BPSK?Like法以及ASPeCT法分析的基礎(chǔ)上，確定了ASPeCT法作為信號接收機捕獲模塊的設(shè)計方案。然后設(shè)計了基于BOC調(diào)制信號的跟蹤環(huán)路，在對載波環(huán)和碼環(huán)分析的基礎(chǔ)上，確定了鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)作為環(huán)路中載波環(huán)的設(shè)計方案，以及修正后的EMLP鑒相器為環(huán)路中碼環(huán)的設(shè)計方案。最后，對基于ASPeCT法捕獲及基于鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)、ASPeCT修正碼環(huán)的信號跟蹤進行了實驗仿真，驗證了捕獲模塊和跟蹤環(huán)路方案的有效性。

關(guān)鍵詞： BOC調(diào)制信號； ASPeCT法； 跟蹤環(huán)路； 信號接收機

中圖分類號： TN911.7?34； TG202 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）21?0065?05

Research on ASPeCT?based acquisition and tracking of BOC modulating signal

QIAN Sujuan， YIN Xinfu

（Zhengzhou Institute of Finance and Economics， Zhengzhou 450044， China）

Abstract： Since the traditional acquisition algorithm of BOC modulating signal is fuzzy， the ASPeCT method is determined as the design scheme of the signal receiver acquisition module based on the analysis of the direct acquisition method， BPSK?Like method and ASPeCT method. The tracking loop based on BOC modulating signal was designed. On the basis of analyzing the carrier loop and code loop， the design schemes of taking phase?locked loop assisted by FLL （frequency?locked loop） as the carrier loop and taking the revised EMLP phase detector as the code loop were determined. The experiment simulation of signal tracking based on ASPeCT， phase?locked loop assisted by FLL and ASPeCT correction code loop was conducted to verify the validity of capture module and tracking loop scheme.

Keywords： BOC modulating signal； ASPeCT method； tracking loop； signal receiver

衛(wèi)星導航在現(xiàn)代社會生活中的應(yīng)用越來越廣泛，導航信號在有限的共享波段里變得越來越擁擠[1]，為解決此問題，BOC調(diào)制方法應(yīng)運而生。BOC調(diào)制方法定位精度高、抗干擾性能強，但BOC調(diào)制信號同時具有多峰值特性[2]，會在接收機捕獲和跟蹤信號的過程中，出現(xiàn)模糊性的問題，為使信號接收機對BOC導航信號進行更好的同步[3]，對BOC導航信號的捕獲和跟蹤進行研究就顯得非常必要。

1 BOC調(diào)制信號捕獲算法的研究

1.1 直接相關(guān)法

直接相關(guān)法，就是直接將本地產(chǎn)生的偽碼與信號中的偽碼進行相關(guān)，通過相關(guān)峰值確認捕獲是否成功[4]。由于存在捕獲模糊的問題，此方法應(yīng)用很少。

1.2 BPSK?Like法

BOC調(diào)制信號可看作是兩個頻帶寬度和能量相同的BPSK信號的合成，通過濾波器進行處理后，可看做兩個獨立的BPSK信號[5?6]。每個獨立信號都包含測距和數(shù)據(jù)解調(diào)的信息，現(xiàn)在的BPSK?Like捕獲技術(shù)有FishmanBetz和MartinHeiries兩種。

1.2.1 FishmanBetz單邊帶捕獲算法

FishmanBetz算法首先通過濾波器分別對接收到的BOC信號的上下主瓣進行濾波處理、對信號的頻譜進行單邊帶處理，然后將濾波結(jié)果與本地的BOC信號進行相關(guān)，并分別進行BPSK捕獲，最后將兩部分的FFT結(jié)果進行非相干累加。FishmanBetz單邊帶捕獲算法的具體流程如圖1所示。

1.2.2 MartinHeiries單邊帶捕獲算法

接收信號經(jīng)過濾波后，分別進行上、下變頻的處理，將信號的兩個主瓣移動到零頻，再進行兩路信號的求和，最后將求和之后的信號直接和本地PRN碼進行相關(guān)，其具體流程圖如圖2所示。

1.3 ASPeCT法

ASPeCT法信號處理流程如圖3所示。

直接相關(guān)法和BPSK?Like法在捕獲BOC信號時，會有模糊的問題或使主峰寬度增加而降低跟蹤精度的問題，影響其捕獲性能，APSeCT算法能夠有效避免上述缺陷[7]。BOC信號的自相關(guān)函數(shù)及BOC/PRN信號的互相關(guān)函數(shù)在相同的碼相位處有相似的副峰，這就是ASPeCT算法的理論依據(jù)。對這兩種相關(guān)函數(shù)取模后進行相減，可有效消除BOC調(diào)制信號自相關(guān)函數(shù)的副峰。BOC自相關(guān)及BOC/PRN互相關(guān)函數(shù)的相關(guān)值如圖4所示。

BOC信號的自相關(guān)函數(shù)為：

[RB（τ）=triτ0.5-0.5triτ-0.50.5+triτ+0.50.5] （1）

BOC信號與PRN碼的互相關(guān)函數(shù)為：

[RBP（τ）=0.5triτ-0.50.5-triτ+0.50.5] （2）

由圖4和式（1），式（2）可以得出：BOC信號的兩個副峰值出現(xiàn)在-0.5和+0.5碼片的地方，歸一化的幅度為0.5，BOC與PRN互相關(guān)函數(shù)的兩個峰值也出現(xiàn)在-0.5和+0.5處。

由式（1）和式（2）構(gòu)建相關(guān)函數(shù)如式（3）所示：

[RASPeCT（τ）=R2B（τ）-βR2BP（τ）] （3）

式中：[R2B（τ）]為BOC信號的自相關(guān)函數(shù)；[R2BP（τ）]為BOC/PRN的互相關(guān)函數(shù)，[β]為修正因子，修正后可使BOC信號經(jīng)過濾波后變得平滑，適當?shù)恼{(diào)整[β]值可獲得較好的性能，不同[β]值主要反映在ASPeCT相關(guān)函數(shù)的負峰上，當[β]值增大時，負峰也增大，[β]的取值對整體性能影響不大。

基于Matlab對BOC（1，1）調(diào)制信號的ASPeCT法進行了仿真，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)BOC自相關(guān)的副峰峰值為主峰峰值的25%，而當[β]取值為1時，ASPeCT法的副峰峰值為主峰峰值的12%，這對信號的捕獲和后續(xù)的跟蹤非常有利，而且在降低副峰的同時，自相關(guān)函數(shù)相關(guān)峰的寬度并未增加，繼續(xù)維持了BOC信號在高精度測距方面的優(yōu)勢。

1.4 各種捕獲算法性能比較與選擇

經(jīng)過以上分析可知，在處理BOC[（m，n）]信號時，BPSK?Like法稍微優(yōu)于ASPeCT法，但在處理BOC[（n，n）]信號時，ASPeCT法能夠降低或消除副峰，同時還保留了窄距的自相關(guān)峰值，既保持了BOC調(diào)制信號的體制優(yōu)勢，也沒有造成太大的能量損失，各方面優(yōu)勢比較明顯。因此，最終選擇ASPeCT法作為信號接收機的捕獲算法設(shè)計方案。

2 BOC調(diào)制信號的跟蹤環(huán)路設(shè)計

2.1 信號跟蹤的原理

碼環(huán)利用其內(nèi)部的碼發(fā)生器產(chǎn)生一個偽碼，然后兩個偽碼做相關(guān)運算，將接收信號中的偽碼進行剝離，同時提高噪聲中有用信號的信噪比[8]。而載波環(huán)的作用是使其復制的載波信號和接收到的衛(wèi)星載波信號保持一致，以利用混頻機制將衛(wèi)星信號中的載波進行徹底地剝離。載波剝離和偽碼剝離完成后，就只留下數(shù)據(jù)碼，能夠進行導航定位運算。

2.2 載波環(huán)

2.2.1 鎖相環(huán)

鎖相環(huán)（PLL）是以鎖定輸入載波信號的相位為目標的一種載波環(huán)實現(xiàn)形式?；镜逆i相環(huán)包括相位鑒別器（鑒相器）、環(huán)路濾波器及壓控振蕩器（VCO）三部分，鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

輸入信號[ui（t）]是通過載波剝離及偽碼剝離后的中頻信號，鎖相環(huán)的目的就是使輸出信號[uo（t）]與輸入信號[ui（t）]間的相位保持一致。鑒相器實際上是一個乘法器，用來鑒別輸入信號[ui（t）]與輸出信號[uo（t）]間的相位差。當[ui（t）]與[uo（t）]通過鑒相器進行乘法運算后，就輸出鑒相結(jié)果信號[ud（t）]。當鑒相器輸出信號[ud（t）]通過環(huán)路濾波器后，高頻成分和噪聲被濾除。環(huán)路濾波器的輸出信號[uf（t）]為：

[uf（t）=KdKfsinθe（t）] （4）

式中：[Kf]為濾波增益；[θe（t）]是輸入信號與輸出信號的相位差。當[θe（t）]值很小時，[uf（t）]與[θe（t）]成正比。鑒相結(jié)果通過濾波后，濾波器的輸出信號[uf（t）]就作為壓控振蕩器的輸入，據(jù)此對載波的輸出頻率進行實時調(diào)整，只要輸入信號與輸出信號的相位差[θe（t）]不為0，濾波器輸出信號[uf（t）]就會相應(yīng)的調(diào)整壓控振蕩器的輸出信號頻率。不斷地鑒別輸入、輸出信號的相位差和調(diào)整輸出信號的頻率，最終使輸出信號相位與輸入信號相位保持一致。

噪聲帶寬控制著進入環(huán)路噪聲量的多少，噪聲帶寬越窄，則進入環(huán)路的噪聲越少，環(huán)路的濾波效果越好，環(huán)路對信號的跟蹤也就越精確。同時，環(huán)路帶寬還對系統(tǒng)的動態(tài)忍受能力有影響，噪聲帶寬越大則系統(tǒng)的動態(tài)應(yīng)力忍受能力就越強。科斯塔鎖相環(huán)是一種廣泛使用的接收機載波環(huán)方案，其在數(shù)據(jù)碼調(diào)制載波信號情況下工作，但對由數(shù)據(jù)比特跳變引起的180°載波相位變化不敏感。

鑒相器利用相干積分結(jié)果[Ip]和[Qp]來估算當前的相位差異[φe，]科斯塔鎖相環(huán)鑒相方法有好幾種，選擇二象限反正切函數(shù)鑒相器作為載波環(huán)路的鑒相器，其離散時間型計算如式（5）所示：

[φe=arctanQpIp] （5）

該鑒相器的線性鑒相區(qū)間為-90°～90°，是非常準確的一種鑒相方法，但因為進行反正切計算，所以計算量比較大。當不在此線性鑒相區(qū)間時，鑒相器鑒相結(jié)果會不準確，并最終會導致鎖相環(huán)發(fā)散，引發(fā)對信號的失鎖現(xiàn)象。

2.2.2 鎖頻環(huán)

把PLL中的鑒相器換成鑒頻器，就變成了另一種形式的載波環(huán)，也就是頻率鎖定環(huán)路（FLL），簡稱鎖頻環(huán)。為將接收信號中的載波剝離，接收機內(nèi)部需復制出一個和接收信號頻率一致的載波。衛(wèi)星和接收機在連線方向上的相對運動會造成多普勒頻移，所以鎖頻環(huán)需先鑒別出接收載波與復制載波之間的頻率差，再根據(jù)頻率差調(diào)整復制載波頻率，經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，兩個載波最終達到動態(tài)一致。鎖頻環(huán)只能實現(xiàn)復制載波和接收載波的頻率保持一致，但不能使相位保持一致。鑒頻器種類多，因四象限反正切鑒別器具有線性化較好，收斂范圍較廣等特點，選擇四象限反正切鑒別器作為鎖頻環(huán)的鑒頻器方案。

2.2.3 鎖相環(huán)與鎖頻環(huán)的對比

鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)兩者都是可獨立運行的載波環(huán)，但它們各有優(yōu)缺點，在選擇接收機載波環(huán)類別時，應(yīng)同時考慮噪聲和動態(tài)兩個方面的性能。兩者最主要的區(qū)別在于鑒別器的不同，由此導致性能也有所不同，主要有以下幾點：

（1） 鎖相環(huán)噪聲帶寬較窄，能較為緊密地跟蹤信號，輸出的載波相位測量值精確度非常高，解調(diào)數(shù)據(jù)比特錯誤率較低，對動態(tài)應(yīng)力的容忍度較差。

（2） 鎖頻環(huán)噪聲帶寬較大，動態(tài)性能比較好，對高動態(tài)應(yīng)力、多路徑效應(yīng)等情形的容忍性更強，能跟蹤信噪比較低的信號，對數(shù)據(jù)比特的跳變不敏感；但其環(huán)路噪聲比較高，不能跟蹤載波相位，且數(shù)據(jù)解調(diào)誤碼率較高。

為綜合利用鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)的優(yōu)點，鎖頻輔助下的鎖相環(huán)是一種很常見的優(yōu)化組合方案。一階鎖頻環(huán)一般輔助二階鎖相環(huán)，二階鎖頻環(huán)一般輔助三階鎖相環(huán)。這樣就能使本地復制載波在頻率和相位上都能精確地跟蹤輸入信號，并且實現(xiàn)速度比較快。

2.3 碼環(huán)

碼環(huán)首先復制一個偽碼，此偽碼與接收信號的偽碼相位一致，然后將復制偽碼和接收信號進行相乘相關(guān)，就可將信號中的偽碼剝離，同時可以根據(jù)復制偽碼的相位計算接收機和衛(wèi)星之間的偽距。

2.3.1 延遲鎖定環(huán)路

數(shù)字中頻信號先和復制的本地載波相乘，產(chǎn)生同相和正交相的采樣數(shù)據(jù)。本地載波所產(chǎn)生的信號幅度可由I和Q分量的矢量和計算出來，相位角可由碼環(huán)鑒相器確定。

閉環(huán)工作時，載波NCO由載波跟蹤環(huán)路控制。使用鎖相環(huán)時，載波跟蹤的主要目的是消除本地載波和接收衛(wèi)星信號之間的載波相位差。本地載波和接收衛(wèi)星信號之間的相位差，會使I和Q路矢量產(chǎn)生非零相位角，載波跟蹤環(huán)可檢測和校正此相位角的大小和方向。當鎖相環(huán)鎖定時，I信號達到最大，Q信號幾乎為0。本地載波是在數(shù)字中頻上跟所有衛(wèi)星信號及噪聲進行混頻，I信號和Q信號與接收衛(wèi)星信號的載波相位是一致的，由此實現(xiàn)了載波剝離；但是由于沒有進行碼剝離，因此混頻器輸出的I信號是熱噪聲和本地數(shù)字正弦信號之積，Q信號是熱噪聲和本地余弦信號之積，信號仍然在噪聲中淹沒，需等到碼剝離之后，信號才變?yōu)榛鶐盘?，才可解調(diào)出導航電文。

2.3.2 基于ASPeCT的碼環(huán)鑒相器

傳統(tǒng)的鑒相器對BOC調(diào)制信號進行鑒相時，會產(chǎn)生模糊點，這是由BOC信號相關(guān)函數(shù)的副峰造成的，ASPeCT法對相關(guān)函數(shù)進行修正可較好地消除相關(guān)函數(shù)的副峰。改造后的碼環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

基于ASPeCT法修正后的鑒相器與傳統(tǒng)的鑒相器相比，在BOC信號碼鑒相方面，具有更良好的性能，可有效地消除穩(wěn)態(tài)誤差和模糊跟蹤點。但傳統(tǒng)鑒相器中的EMLP鑒相器比DP鑒相器的線性化更好，因此在碼跟蹤環(huán)路中，ASPeCT修正的EMLP鑒相器是碼環(huán)鑒相器的優(yōu)先選擇。

3 軟件接收機的設(shè)計方案驗證

3.1 捕獲方案的實驗驗證

捕獲信號采用ASPeCT法，每次讀取2個碼片長度的數(shù)值，以防止數(shù)據(jù)跳變而引起捕獲失敗。每顆衛(wèi)星完成搜索后，將捕獲結(jié)果中的最大值提取出來，取最大值所在的碼維和頻率維的其他值的平均值作為噪聲，最大值與噪聲的比值大于閾值（設(shè)定為2.5）時，則該衛(wèi)星捕獲成功。捕獲結(jié)果的柱狀圖如圖7所示。svID=12衛(wèi)星的三維捕獲結(jié)果如圖8所示。

從捕獲結(jié)果可以看出，由于選取了2個偽碼的數(shù)據(jù)，所以出現(xiàn)了兩個峰值，且副峰已經(jīng)被消除，不會出現(xiàn)捕獲模糊度。捕獲結(jié)果與噪聲相比，遠遠大于2.5，說明ASPeCT法能夠有效地進行衛(wèi)星信號捕獲。

3.2 跟蹤方案的實驗驗證

3.2.1 載波環(huán)的實驗驗證

鎖頻輔助鎖相環(huán)能有效提高接收機的跟蹤性能。當牽引狀態(tài)時，采用二階鎖頻環(huán)，碼環(huán)采用一階DLL，當頻率牽引結(jié)束后，采用二階鎖相環(huán)。跟蹤環(huán)路在跟蹤ID=12的衛(wèi)星信號過程中，環(huán)路濾波器輸出的頻率調(diào)整曲線和相位調(diào)整曲線如圖9，圖10所示。

從圖9和圖10可以看出：在鎖頻環(huán)獨自牽引階段，頻率調(diào)整速度很快，當進入鎖相環(huán)后，頻率開始緩慢震蕩，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明載波環(huán)進入了鎖定狀態(tài)，本地產(chǎn)生的信號和輸入信號在頻率上實現(xiàn)了同步。當鎖相環(huán)啟動以后，載波相位開始振蕩，在2 s左右相位趨于0。由此說明本地載波在頻率和相位兩個方面都準確無誤地跟蹤上了接收信號的載波，載波環(huán)設(shè)計方案正確可行。

3.2.2 碼環(huán)的實驗驗證

碼環(huán)采用DLL環(huán)路，鑒相器采用ASPeCT修正后的EMLP鑒相器。經(jīng)過ASPeCT法進行修正后，碼環(huán)濾波器的輸出值如圖11所示。

從圖11可以看出，經(jīng)過短時間的調(diào)整后，碼環(huán)實現(xiàn)了本地碼相位和接收信號碼相位的同步。由此說明碼環(huán)的設(shè)計方案是可行的。

4 結(jié) 論

在衛(wèi)星導航信號捕獲和跟蹤過程中，BOC調(diào)制方法因精度高、抗干擾強等優(yōu)點運用廣泛。但BOC調(diào)制也出現(xiàn)模糊性的問題。為解決上述問題，對基于BOC調(diào)制的衛(wèi)星信號接收機的捕獲和跟蹤進行了研究，確定了ASPeCT法作為捕獲方案，鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)作為載波環(huán)方案，修正后的鑒相器作為碼環(huán)方案。最后通過實驗驗證，證明了捕獲方案和跟蹤方案的有效性。

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