二进制偏移载波调制技术研究

周雪娟，马金凤

(1.武汉大学 测绘学院，湖北 武汉430079;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081;3.广州海洋地质调查局，广东 广州510760)

0 引言

伽利略卫星导航系统(Galileo)是欧洲正在实施的一项重大民用航天项目，与美国的全球定位系统(GPS)相比较，伽利略导航系统具有更精确、更稳定及更安全等特点。伽利略系统采用BOC调制，这种调制信号其大部分功率分布在靠近载波频率的边沿处，而在载波频率处没有能量分布，它不仅能够使信号之间存在较好的隔离，实现频谱共享，而且具有更高的定位精度和更强的多径分辨能力。

1 BOC调制原理

BOC是一种二进制调制，适用于被调制到载波之前的扩频码，有时称为副载波调制，它以一个方波作为副载波，对卫星产生的扩频码信号进行辅助调制，在这之后再调制到主载波上，即用扩频信号和一个方波副载波相乘，这使得信号的频谱分裂成2部分，且分列于主载波频率的左右。

BOC调制基本原理是在原有的BPSK调制基础上，再增加一个二进制副载波进行调制。以正弦调制为例，其信号形式的一般表达式为:

其中:

式中，ck为第k个码片的电平值，h(t－k Tc)为码元间隔为Tc的非归零码脉冲序列。

典型的BOC信号可以用式子BOC(fs，fc)表示，fs为副载波频率，fc为码速率，其中:基准频率为1.023 MHz。例如，BOC(10，2)表示的副载波频率为10 ×1.023 MHz=10.23 MHz，码速率为 2 ×1.023 MHz=2.046 MHz。除非有特别规定，副载波函数为sign(sin2πfst)，其中副载波频率为 fs和码片起始点为 t=0。

2 BOC与BPSK调制比较分析

BPSK调制信号，也称为二进制移相键控，是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。其信号形式的一般表达式为:

式中:Ts为码元间隔，g(t－nTs)为脉宽为Ts的矩形脉冲序列，wc为载波频率，an为第n个信息符号所对应的电平值，其相应的统计特性为:

跟传统BPSK调制方式相比，BOC调制信号的主要特点是加入了副载波调制，副载波调制的结果是将传统的BPSK频谱分为2个对称的分量，在载波频率上没有剩余功率。以BOC(1，1)和BPSK(1)为例，相对应的功率谱密度曲线如图1所示，自相关函数曲线如图2所示，BPSK功率谱密度曲线上的1个尖峰被分裂为2个，功率谱密度的最大值从1个变成了2个，同时功率谱密度的最大值从中心频率处被搬移到距离中心频率为副载波频率 fs的2个点。而在自相关函数曲线上，BOC(1，1)较BPSK(1)有更尖锐的主峰斜率，有效地提高了码跟踪精度。

图1 BOC(1，1)和BPSK(1)功率谱密度对比

图2 BOC(1，1)和BPSK(1)自相关函数对比

但是，从自相关函数图上可以看到BOC(1，1)有2个边峰，从信号接收的角度来讲，伪码搜索、捕获过程中，可能出现错锁现象。

3 BOC调制的FPGA实现

FPGA是在复杂的可编程逻辑器件(CPLD)的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件，具有功能强大、开发过程投资小、周期短、可反复编程修改及开发工具智能化等特点，FPGA的集成度很高，器件密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与逻辑电路功能。随着电子工艺的不断改进，低成本FPGA器件的推陈出新，FPGA已经成为当今硬件设计的首选方式之一，采用FPGA来实现BOC调制。

在FPGA里实现BOC调制的原理如图3所示。外部时钟从FPGA的时钟脚输入，经过FPGA里面自带的锁相环(PLL)模块倍频产生高倍时钟，分频模块将该高倍时钟进行时钟管理，产生各个所需的不同频率的时钟，分别去进行电文组帧、伪码生成、副载波生成以及中频载波生成。电文、伪码以及副载波产生以后进行异或，生成带有副载波的基带信号，最后再跟中频载波去进行BPSK调制后输出，这样产生的信号就是BOC调制信号。

图3 BOC调制FPGA原理图

这里要注意的是，任何导航信号产生器都是一个在时间上统一的系统，图3上BOC信号产生过程中各个模块的工作都是在参考时钟的驱动下严格同步的，电文、伪码、副载波和中频载波的产生不仅要保证正确性，同时也要保证实时的严格对齐。而FPGA内部由于各逻辑单元不同的分布走线以及工艺的原因可能会造成程度不同的时延差异，这就要求设计者在FPGA模块实现中具体编程时必须严谨规范，尽量少用或者不用异步时序，所有中间信号都由参考时钟同步推出。

4 仿真实验结果

图4(a)为伪码仿真波形图，图 4(b)为BOC(1，1)的副载波仿真波形图，图4(c)为经过副载波调制后的信号波形图，这3个图在时序上是严格对齐的。可以看到，BOC调制中副载波的调制其实是将扩频码与副载波进行异或操作即可，到后面再与中频载波进行BPSK调制。

图4 BOC(1，1)FPGA仿真图

图5给出了在频谱仪上观察到的BOC(1，1)调制输出信号的频谱图。

图5 BOC(1，1)频谱图

从频谱图上可以看出BOC(1，1)信号的频谱分裂成了2部分，位于主载波频率的两边，与理论分析的频谱特性相符合。结果表明，所提出的BOC信号调制实现方式正确可行。

5 结束语

BOC调制具有较宽的频谱，能量集中在所分配带宽的边缘，所以在热噪声和多径误差方面具有较好的精确度，增强了信号的抗干扰性，提高了跟踪性能。文中提出了基于FPGA的BOC调制实现方法，结果表明，这种方法切实可行。但是，由于BOC信号的自相关函数具有模糊性，有多个正负峰值，导致信号捕获过程变得更加复杂。同时，也增加了跟踪时偏置测量值的风险，这就对BOC信号的捕获接收设备提出了新的要求。

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