李　紳,楊俊武，何巍巍

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李紳1,3,楊俊武2，何巍巍1,3

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.宇航動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

BOC調(diào)制信號(hào)應(yīng)用在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中有很多優(yōu)勢(shì)，其具有良好的抗多徑、抗干擾性能和很高的研究?jī)r(jià)值。針對(duì)目前國(guó)內(nèi)沒(méi)有功能完善的BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，無(wú)法深入展開(kāi)BOC調(diào)制信號(hào)相關(guān)研究的現(xiàn)狀，開(kāi)展了BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的研究并設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器。詳細(xì)介紹了BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)組成，各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)方式，指出了實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。使用頻譜儀對(duì)BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了其產(chǎn)生BOC調(diào)制信號(hào)的正確性。

BOC調(diào)制；衛(wèi)星導(dǎo)航；信號(hào)發(fā)生器；FPGA；頻譜儀

0　引言

當(dāng)前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正經(jīng)歷著快速發(fā)展，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，將面臨四大導(dǎo)航系統(tǒng)近百顆導(dǎo)航衛(wèi)星同時(shí)并存的局面，有限的頻率資源將更加緊張，多系統(tǒng)之間的兼容性和互操作性成為日益重要的一個(gè)論題[1]。如何在有限的頻帶內(nèi)合理有效地利用頻帶資源而又不互相干擾，成為當(dāng)前信號(hào)體制研究亟待解決的問(wèn)題。

傳統(tǒng)的BPSK調(diào)制方式頻帶資源利用有限，相比之下，BOC調(diào)制不僅能實(shí)現(xiàn)頻譜分離，而且自相關(guān)函數(shù)曲線更加陡峭，具有更高的碼跟蹤精度和抗干擾能力[2]。今后的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中將主要采用BOC調(diào)制及其衍生信號(hào)，因而，BOC調(diào)制具有較高的研究?jī)r(jià)值[3]。

雖然BOC調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生理論已趨于成熟，但目前國(guó)內(nèi)并沒(méi)有研制出功能完善的BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器。為了深入研究BOC信號(hào)的生成機(jī)理、分析其信號(hào)特性及進(jìn)行新一代導(dǎo)航信號(hào)的接收測(cè)試[4]，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生不同信號(hào)形式、不同碼型和不同頻率的BOC信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證，極大地豐富了BOC調(diào)制技術(shù)的研究。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用Altera公司的StratixIII系列EP3SL200F1517I3型號(hào)FPGA芯片，使用QuartusII V9.1硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的輸入為10.23 MHz時(shí)鐘、信號(hào)形式選擇信號(hào)、碼型選擇信號(hào)和輸出頻率控制信號(hào)，輸出為不同信號(hào)形式、不同碼型和不同頻率的BOC信號(hào)。其中，10.23 MHz時(shí)鐘作為信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的參考時(shí)鐘，用于產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)部所需的各個(gè)時(shí)鐘，信號(hào)形式選擇信號(hào)用于選擇輸出不同的BOC信號(hào)形式，碼型選擇信號(hào)用于選擇不同的擴(kuò)頻碼型，輸出頻率控制信號(hào)用于控制BOC信號(hào)的輸出頻率。參考時(shí)鐘由外部高精度頻率源提供，信號(hào)形式選擇信號(hào)、碼型選擇信號(hào)和輸出頻率控制信號(hào)由外部上位機(jī)設(shè)置。整個(gè)系統(tǒng)功能邏輯采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)模塊功能獨(dú)立，主要模塊包括：頻率產(chǎn)生模塊、BOC基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊、載波產(chǎn)生模塊和BOC信號(hào)調(diào)制模塊。BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖

1.1頻率產(chǎn)生模塊

頻率產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生信號(hào)發(fā)生器各個(gè)模塊工作需要的時(shí)鐘，產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率有：信息碼頻率、擴(kuò)頻碼頻率、副載波頻率、載波NCO的系統(tǒng)頻率和AD9148的參考頻率等。

BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的模塊設(shè)計(jì)對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格的要求，不僅要求各信號(hào)形式的BOC信號(hào)正確，而且必須保證各路信號(hào)間同步。信號(hào)同步的前提是有一個(gè)精確的頻率作為基準(zhǔn)頻率，這個(gè)基準(zhǔn)頻率是所有BOC信號(hào)形式的碼速率、副載波頻率的公倍數(shù)。

頻率產(chǎn)生模塊由鎖相環(huán)和分頻器組成[5]。其中，鎖相環(huán)對(duì)輸入的10.23 MHz參考時(shí)鐘倍頻得到基準(zhǔn)頻率，基準(zhǔn)頻率通過(guò)分頻器得到信息碼頻率、擴(kuò)頻碼頻率和副載波頻率。這樣，就可以保證各模塊的時(shí)鐘具有相同的初始相位。

1.2BOC基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊

BOC基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生BOC基帶信號(hào)，是BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的核心模塊，由信息碼產(chǎn)生器、擴(kuò)頻碼產(chǎn)生器、副載波產(chǎn)生器、信號(hào)形式選擇器和碼型選擇器組成。信息碼的內(nèi)容不影響最終調(diào)制的頻譜，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，信息碼采用300 Hz的‘10101010’序列[6]。

選擇擴(kuò)頻碼速率fc和副載波頻率fs不同的匹配方式，可以輸出不同的BOC信號(hào)形式，BOC(10,1)、BOC(10,10)、BOC(8,4)、BOC(5,2)、BOC(1,1)和BOC(15,2.5)等常見(jiàn)的BOC信號(hào)形式都可以產(chǎn)生，由信號(hào)形式選擇器控制。擴(kuò)頻碼的碼型也是多樣的，可以選擇C/A碼、P碼和其他的偽碼序列，由碼型選擇器控制。信號(hào)形式選擇器和碼型選擇器由外部信號(hào)控制。

下面介紹一下擴(kuò)頻碼中C/A碼的產(chǎn)生方式。選擇C/A碼作為BOC調(diào)制的擴(kuò)頻碼，既考慮了新信號(hào)可能與現(xiàn)行信號(hào)兼容而直接調(diào)制現(xiàn)行信號(hào)，又合理使用了已知的擴(kuò)頻碼資源，達(dá)到研究BOC調(diào)制信號(hào)的目的。C/A碼是gold碼，是由2個(gè)11級(jí)移位寄存器G1和G2經(jīng)模2和產(chǎn)生的復(fù)和碼[7]，其序列長(zhǎng)度為2 047。G1和G2都是長(zhǎng)度為2 047的m序列，其特征多項(xiàng)式分別為：

G1(x)=1+x+x3+x7+x11，

(1)

G2(x)=1+x2+x3+x6+x7+x8+x10+x11。

(2)

Gold碼的輸出G(t)=G1(t)⊕G2(t)，其實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。

圖2　C/A碼產(chǎn)生器示意

首先對(duì)寄存器G1和G2復(fù)位，分別置寄存器初始值。然后，在碼速率時(shí)鐘的控制下，經(jīng)過(guò)反饋抽頭，寄存器G1和G2依次輸出長(zhǎng)度為2 047的m序列，二者相異或，就能得到相應(yīng)碼速率且長(zhǎng)度為2 047的擴(kuò)頻碼。

副載波由頻率產(chǎn)生模塊中基準(zhǔn)頻率分頻得到，副載波頻率的初始相位與信息碼時(shí)鐘以及擴(kuò)頻碼時(shí)鐘的初始相位一致。

信息碼與擴(kuò)頻碼進(jìn)行異或運(yùn)算后，就可以得到擴(kuò)頻信號(hào)[8]。擴(kuò)頻信號(hào)與副載波相乘，就可以得到BOC基帶信號(hào)。當(dāng)擴(kuò)頻信號(hào)為正電平時(shí)，副載波的幅值不變直接輸出，當(dāng)擴(kuò)頻信號(hào)為負(fù)電平時(shí)，把副載波的幅值取反輸出。BOC基帶信號(hào)仿真波形圖如圖3所示。

圖3　BOC基帶信號(hào)仿真波形

1.3載波產(chǎn)生模塊

載波產(chǎn)生模塊是基于數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生一定頻率的正弦波或余弦波，生成的載波頻率可變。它的基本工作原理為在參考時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，相位累加器對(duì)輸入的頻率控制字進(jìn)行線性累加，得到的相位碼經(jīng)過(guò)像限判決對(duì)余弦查找表尋址，使之輸出相應(yīng)的幅度碼，這就是所需要的數(shù)字波形。載波產(chǎn)生模塊主要由相位累加器、像限判斷和余弦查找表構(gòu)成[9]。

相位累加器由N位加法器和N位累加寄存器組成。每一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，加法器把累加寄存器輸出的累加相位與頻率控制字K加，再把相加后的結(jié)果送回累加寄存器的輸入端。累加寄存器再把新產(chǎn)生的相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，就實(shí)現(xiàn)了頻率控制字的線性累加[10]。

像限判斷模塊的作用是把相位累加器的輸出結(jié)果轉(zhuǎn)化為余弦查找表的輸入，以確定當(dāng)前相位所在的像限，并根據(jù)像限確定余弦查找表地址的符號(hào)。為節(jié)省資源，使用1/4余弦查找表，把相位累加器的高12位輸入給像限判斷模塊，其中高2位用于判斷像限，低10位用于確定余弦表的地址。

余弦查找表的作用是把像限判斷模塊輸出的數(shù)據(jù)作為輸入地址，把相應(yīng)地址上的幅度數(shù)據(jù)作為輸出。由于1/4余弦查找表只存儲(chǔ)了部分波形數(shù)據(jù)，因此，余弦查找表輸出的幅值還要經(jīng)過(guò)符號(hào)變換，才能輸出正確完整的波形。

載波生成模塊的輸出頻率fout，系統(tǒng)工作頻率fclk，相位累加器位寬N以及頻率控制字K之間的函數(shù)關(guān)系為[11]：

(3)

式中，N=40；fclk=122.76 MHz；輸出的載波頻率fout=10.23 MHz，K=1 555 555 555 h。載波生成仿真波形如圖4所示。

圖4　載波生成仿真波形

1.4BOC信號(hào)調(diào)制模塊

BOC信號(hào)調(diào)制模塊是用載波對(duì)BOC基帶信號(hào)進(jìn)行BPSK調(diào)制，然后把數(shù)字信號(hào)送到DAC轉(zhuǎn)換芯片AD9148進(jìn)行中頻調(diào)制和D/A變換，最終輸出BOC中頻模擬信號(hào)，中頻信號(hào)的頻點(diǎn)可由外部信號(hào)控制。

在二進(jìn)制的數(shù)字邏輯中，所有的乘法調(diào)制都可以用異或門實(shí)現(xiàn)，BPSK調(diào)制實(shí)際就是載波和偽碼兩個(gè)有符號(hào)數(shù)進(jìn)行異或的過(guò)程，根本上是對(duì)符號(hào)位的調(diào)制。

用于中頻調(diào)制的 AD9148是一款4通道、16位、高動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC，可以提供1 000 MSPS的采樣速率，具有針對(duì)直接變頻傳輸應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化的特性，包括增益、相位和失調(diào)補(bǔ)償[12]。它包含2個(gè)16對(duì)LVDS數(shù)據(jù)輸入接口，支持雙端口、單端口和字節(jié)模式，F(xiàn)PGA需要給AD9148提供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和隨路參考時(shí)鐘DCI[13]。

本文采用雙端口模式，BPSK調(diào)制后的IQ支路數(shù)據(jù)合路交替輸入給AD9148，在DCI的上升沿，把I支路數(shù)據(jù)送入端口A和B，在DCI的下降沿把Q支路數(shù)據(jù)送入端口A和B。然后，合路后的數(shù)字信號(hào)與AD9148芯片內(nèi)復(fù)數(shù)NCO產(chǎn)生的2路正交中頻載波進(jìn)行數(shù)字正交調(diào)制，在增益、相位和失調(diào)都補(bǔ)償后送到DA，輸出模擬中頻信號(hào)。輸出中頻信號(hào)頻點(diǎn)為81.84 MHz的AD9148典型配置參數(shù)如下：

AD9148的參考時(shí)鐘輸入為40.92 MHz，PLL工作VCO頻率1 309.44 MHz，DAC轉(zhuǎn)換速率654.72 MHz，輸入數(shù)據(jù)速率81.84 MHz，輸入數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制補(bǔ)碼，內(nèi)部8倍插值，精NCO載波調(diào)制，中心頻率為81.84 MHz。

2　關(guān)鍵技術(shù)

在BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，解決的關(guān)鍵技術(shù)有多種速率信號(hào)輸出的同步問(wèn)題和多種調(diào)制頻率的輸出問(wèn)題。

2.1多種速率信號(hào)輸出的同步問(wèn)題

BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器作為一個(gè)系統(tǒng)整體，不僅要求同一信號(hào)形式的信息碼、擴(kuò)頻碼與副載波在產(chǎn)生時(shí)間上要嚴(yán)格對(duì)齊，而且不同信號(hào)形式的BOC信號(hào)之間也必須保證同步，這就對(duì)BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器提出了很高的要求。

文中的BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器采用公倍數(shù)時(shí)鐘作為全局的基準(zhǔn)時(shí)鐘并分頻輸出的同步設(shè)計(jì)方法，即先通過(guò)鎖相環(huán)對(duì)輸入的10.23 MHz參考時(shí)鐘倍頻得到各個(gè)碼率、副載波頻率的公倍數(shù)時(shí)鐘，再對(duì)公倍數(shù)時(shí)鐘整數(shù)倍分頻得到所需的碼率、副載波頻率。這樣，就能保證各個(gè)模塊的時(shí)鐘具有一致的初始相位，解決了多種速率信號(hào)輸出的同步問(wèn)題。

2.2多種調(diào)制頻率的輸出問(wèn)題

以往的BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器只能輸出單一頻點(diǎn)的BOC信號(hào)，而實(shí)際在導(dǎo)航信號(hào)的接收測(cè)試中，往往需要多種不同頻點(diǎn)的BOC信號(hào)。

設(shè)計(jì)選擇了新型高速DAC芯片AD9148對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行中頻調(diào)制和DA變換，中頻調(diào)制采用IQ正交調(diào)制，使BOC信號(hào)的輸出頻率不再受信號(hào)帶寬的限制[14]。在輸出頻率控制信號(hào)的控制下，對(duì)AD9148配置相關(guān)參數(shù)，就可以使BOC信號(hào)調(diào)制到相應(yīng)的頻點(diǎn)上。完善了BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的功能，解決了多種調(diào)制頻率的輸出問(wèn)題。

3　系統(tǒng)性能測(cè)試

在實(shí)現(xiàn)BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的模塊設(shè)計(jì)后，需要對(duì)BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

使用頻譜儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，頻譜儀型號(hào)Agilent Technologies N9340B。給BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器提供參考時(shí)鐘10.23 MHz，外部上位機(jī)設(shè)置信號(hào)形式選擇信號(hào)、碼型選擇信號(hào)和輸出頻率控制信號(hào)等參數(shù)，BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器就能輸出相應(yīng)的BOC信號(hào)。選擇測(cè)試了信號(hào)形式分別為BOC(1,1)、BOC(5,2)、BOC(8,4)、BOC(10,10)和BOC(15,2.5)，碼型分別為C/A碼、P碼和輸出頻率分別為40.92 MHz、61.38 MHz、71.61 MHz和81.84 MHz的多種組合形式的BOC信號(hào)，均取得良好的效果，體現(xiàn)了輸出BOC信號(hào)的多樣性。

把BOC信號(hào)連接到頻譜儀上進(jìn)行頻譜分析，圖5所示分別為擴(kuò)頻碼型P碼、輸出頻率61.38 MHz的BOC(15,2.5)信號(hào)和擴(kuò)頻碼型C/A碼、輸出頻率81.84 MHz的BOC(1,1)信號(hào)的頻譜圖。

圖5　BOC(15,2.5)和BOC(1,1)信號(hào)頻譜

4　測(cè)試結(jié)果分析

由頻譜儀顯示的頻譜可知，這2個(gè)信號(hào)具有以下特征：

① 對(duì)稱分裂的頻譜，能量主要集中在兩側(cè)的主瓣上。圖5(a)兩個(gè)主峰的中心頻點(diǎn)46.035 MHz和76.725 MHz與信號(hào)的中心頻點(diǎn)61.38 MHz相比，分別向左和向右偏移了15×1.023 MHz。圖5(b)兩個(gè)主峰的中心頻點(diǎn)80.817 MHz和82.863 MHz與信號(hào)的中心頻點(diǎn)81.84 MHz相比，分別向左和向右偏移了1×1.023 MHz；

② 圖5(a)兩個(gè)主瓣之間的主副瓣之和共有12個(gè)，正好等于2×15/2.5。圖5(b)兩個(gè)主瓣之間的主副瓣之和共有2個(gè)，正好等于2×1/1；

③ 圖5(a)主瓣寬度5.115 M正好等于BOC(15,2.5)的碼速率2.557 5 M的2倍，副瓣寬度2.557 5 M正好等于BOC(15,2.5)的碼速率。圖5(b)主瓣寬度2.046 M正好等于BOC(1,1)的碼速率1.023 M的2倍。

分析表明，這些特征分別與BOC(15,2.5)和BOC(1,1)的信號(hào)特征完全一致，與理論仿真的頻譜一致，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)的正確性。

5　結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，經(jīng)過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一種BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器。通過(guò)頻譜儀對(duì)BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器反復(fù)測(cè)試的結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)輸出信號(hào)形式與輸出碼型可選，輸出頻率可調(diào)，改善了以往BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器只能輸出單頻點(diǎn)、單信號(hào)形式的狀況，系統(tǒng)方便、可靠，可用于新一代導(dǎo)航信號(hào)的接收測(cè)試。我國(guó)即將全面建設(shè)北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)，各類信號(hào)測(cè)試需要大量的BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必將得到廣泛的應(yīng)用。

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李紳男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)。

楊俊武男，(1973—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：航天測(cè)控總體。

The Design and Realization of BOC Modulated Signal Generator

LI Shen1,3，YANG Jun-wu2，HE Wei-wei1,3

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China；2.StateKeyLaboratoryofAstronauticDynamics,Xi’anShaanxi710043,China;3.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;)

BOC modulated signal has a lot of advantages when it is used in satellite navigation system,it has good anti-multipath and anti-jamming performance,and thus has very high research value.Aiming at the present condition that there is no BOC modulated signal generator with perfect function at home so that the related research of BOC modulated signal cannot develop deeply，the researches about BOC modulated signal generator are carried out and a kind of BOC modulated signal generator based on FPGA is designed.The constitution of the system and the realization way of each module are introduced in detail,and the key technique is pointed out.Finally,the BOC modulated signal generator is tested by spectrum analyzer,which verifies that the BOC modulated signal it generates is correct.

BOC modulation；satellite navigation；signal generator；FPGA；spectrum analyzer

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.09

2016-07-04

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA124001)。

TP391

A

1003-3106(2016)10-0038-05

引用格式：李紳,楊俊武,何巍巍.BOC調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程,2016,46(10):38-42.