BOC调制信号发生器的设计与实现

李　绅,杨俊武，何巍巍

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.宇航动力学国家重点实验室，陕西 西安 710043；3.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



BOC调制信号发生器的设计与实现

李绅1,3,杨俊武2，何巍巍1,3

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室，河北 石家庄 050081；2.宇航动力学国家重点实验室，陕西 西安 710043；3.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

BOC调制信号应用在卫星导航系统中有很多优势，其具有良好的抗多径、抗干扰性能和很高的研究价值。针对目前国内没有功能完善的BOC调制信号发生器，无法深入展开BOC调制信号相关研究的现状，开展了BOC调制信号发生器的研究并设计了一种基于FPGA的BOC调制信号发生器。详细介绍了BOC调制信号发生器的系统组成，各个模块的实现方式，指出了实现的关键技术。使用频谱仪对BOC调制信号发生器进行了测试，验证了其产生BOC调制信号的正确性。

BOC调制；卫星导航；信号发生器；FPGA；频谱仪

0　引言

当前，卫星导航系统正经历着快速发展，随着卫星导航系统的发展，将面临四大导航系统近百颗导航卫星同时并存的局面，有限的频率资源将更加紧张，多系统之间的兼容性和互操作性成为日益重要的一个论题[1]。如何在有限的频带内合理有效地利用频带资源而又不互相干扰，成为当前信号体制研究亟待解决的问题。

传统的BPSK调制方式频带资源利用有限，相比之下，BOC调制不仅能实现频谱分离，而且自相关函数曲线更加陡峭，具有更高的码跟踪精度和抗干扰能力[2]。今后的卫星导航系统中将主要采用BOC调制及其衍生信号，因而，BOC调制具有较高的研究价值[3]。

虽然BOC调制信号的产生理论已趋于成熟，但目前国内并没有研制出功能完善的BOC调制信号发生器。为了深入研究BOC信号的生成机理、分析其信号特性及进行新一代导航信号的接收测试[4]，本文设计了一种基于FPGA的BOC调制信号发生器，用于产生不同信号形式、不同码型和不同频率的BOC信号，并对其进行了测试与验证，极大地丰富了BOC调制技术的研究。

1　系统总体设计

系统开发采用Altera公司的StratixIII系列EP3SL200F1517I3型号FPGA芯片，使用QuartusII V9.1硬件开发平台进行FPGA设计。设计的信号发生器系统的输入为10.23 MHz时钟、信号形式选择信号、码型选择信号和输出频率控制信号，输出为不同信号形式、不同码型和不同频率的BOC信号。其中，10.23 MHz时钟作为信号发生器系统的参考时钟，用于产生系统内部所需的各个时钟，信号形式选择信号用于选择输出不同的BOC信号形式，码型选择信号用于选择不同的扩频码型，输出频率控制信号用于控制BOC信号的输出频率。参考时钟由外部高精度频率源提供，信号形式选择信号、码型选择信号和输出频率控制信号由外部上位机设置。整个系统功能逻辑采用模块化设计，各个模块功能独立，主要模块包括：频率产生模块、BOC基带信号产生模块、载波产生模块和BOC信号调制模块。BOC调制信号发生器系统框图如图1所示。

图1　BOC调制信号发生器系统框图

1.1频率产生模块

频率产生模块用于产生信号发生器各个模块工作需要的时钟，产生的时钟频率有：信息码频率、扩频码频率、副载波频率、载波NCO的系统频率和AD9148的参考频率等。

BOC调制信号发生器的模块设计对时序有严格的要求，不仅要求各信号形式的BOC信号正确，而且必须保证各路信号间同步。信号同步的前提是有一个精确的频率作为基准频率，这个基准频率是所有BOC信号形式的码速率、副载波频率的公倍数。

频率产生模块由锁相环和分频器组成[5]。其中，锁相环对输入的10.23 MHz参考时钟倍频得到基准频率，基准频率通过分频器得到信息码频率、扩频码频率和副载波频率。这样，就可以保证各模块的时钟具有相同的初始相位。

1.2BOC基带信号产生模块

BOC基带信号产生模块用于产生BOC基带信号，是BOC调制信号发生器的核心模块，由信息码产生器、扩频码产生器、副载波产生器、信号形式选择器和码型选择器组成。信息码的内容不影响最终调制的频谱，为了简化设计，信息码采用300 Hz的‘10101010’序列[6]。

选择扩频码速率fc和副载波频率fs不同的匹配方式，可以输出不同的BOC信号形式，BOC(10,1)、BOC(10,10)、BOC(8,4)、BOC(5,2)、BOC(1,1)和BOC(15,2.5)等常见的BOC信号形式都可以产生，由信号形式选择器控制。扩频码的码型也是多样的，可以选择C/A码、P码和其他的伪码序列，由码型选择器控制。信号形式选择器和码型选择器由外部信号控制。

下面介绍一下扩频码中C/A码的产生方式。选择C/A码作为BOC调制的扩频码，既考虑了新信号可能与现行信号兼容而直接调制现行信号，又合理使用了已知的扩频码资源，达到研究BOC调制信号的目的。C/A码是gold码，是由2个11级移位寄存器G1和G2经模2和产生的复和码[7]，其序列长度为2 047。G1和G2都是长度为2 047的m序列，其特征多项式分别为：

G1(x)=1+x+x3+x7+x11，

(1)

G2(x)=1+x2+x3+x6+x7+x8+x10+x11。

(2)

Gold码的输出G(t)=G1(t)⊕G2(t)，其实现方式如图2所示。

图2　C/A码产生器示意

首先对寄存器G1和G2复位，分别置寄存器初始值。然后，在码速率时钟的控制下，经过反馈抽头，寄存器G1和G2依次输出长度为2 047的m序列，二者相异或，就能得到相应码速率且长度为2 047的扩频码。

副载波由频率产生模块中基准频率分频得到，副载波频率的初始相位与信息码时钟以及扩频码时钟的初始相位一致。

信息码与扩频码进行异或运算后，就可以得到扩频信号[8]。扩频信号与副载波相乘，就可以得到BOC基带信号。当扩频信号为正电平时，副载波的幅值不变直接输出，当扩频信号为负电平时，把副载波的幅值取反输出。BOC基带信号仿真波形图如图3所示。

图3　BOC基带信号仿真波形

1.3载波产生模块

载波产生模块是基于数控振荡器(NCO)产生一定频率的正弦波或余弦波，生成的载波频率可变。它的基本工作原理为在参考时钟的驱动下，相位累加器对输入的频率控制字进行线性累加，得到的相位码经过像限判决对余弦查找表寻址，使之输出相应的幅度码，这就是所需要的数字波形。载波产生模块主要由相位累加器、像限判断和余弦查找表构成[9]。

相位累加器由N位加法器和N位累加寄存器组成。每一个时钟脉冲到来时，加法器把累加寄存器输出的累加相位与频率控制字K加，再把相加后的结果送回累加寄存器的输入端。累加寄存器再把新产生的相位数据反馈到加法器的输入端，在下一个时钟脉冲到来时继续与频率控制字相加。这样，就实现了频率控制字的线性累加[10]。

像限判断模块的作用是把相位累加器的输出结果转化为余弦查找表的输入，以确定当前相位所在的像限，并根据像限确定余弦查找表地址的符号。为节省资源，使用1/4余弦查找表，把相位累加器的高12位输入给像限判断模块，其中高2位用于判断像限，低10位用于确定余弦表的地址。

余弦查找表的作用是把像限判断模块输出的数据作为输入地址，把相应地址上的幅度数据作为输出。由于1/4余弦查找表只存储了部分波形数据，因此，余弦查找表输出的幅值还要经过符号变换，才能输出正确完整的波形。

载波生成模块的输出频率fout，系统工作频率fclk，相位累加器位宽N以及频率控制字K之间的函数关系为[11]：

(3)

式中，N=40；fclk=122.76 MHz；输出的载波频率fout=10.23 MHz，K=1 555 555 555 h。载波生成仿真波形如图4所示。

图4　载波生成仿真波形

1.4BOC信号调制模块

BOC信号调制模块是用载波对BOC基带信号进行BPSK调制，然后把数字信号送到DAC转换芯片AD9148进行中频调制和D/A变换，最终输出BOC中频模拟信号，中频信号的频点可由外部信号控制。

在二进制的数字逻辑中，所有的乘法调制都可以用异或门实现，BPSK调制实际就是载波和伪码两个有符号数进行异或的过程，根本上是对符号位的调制。

用于中频调制的 AD9148是一款4通道、16位、高动态范围的数模转换器DAC，可以提供1 000 MSPS的采样速率，具有针对直接变频传输应用进行优化的特性，包括增益、相位和失调补偿[12]。它包含2个16对LVDS数据输入接口，支持双端口、单端口和字节模式，FPGA需要给AD9148提供数字数据和随路参考时钟DCI[13]。

本文采用双端口模式，BPSK调制后的IQ支路数据合路交替输入给AD9148，在DCI的上升沿，把I支路数据送入端口A和B，在DCI的下降沿把Q支路数据送入端口A和B。然后，合路后的数字信号与AD9148芯片内复数NCO产生的2路正交中频载波进行数字正交调制，在增益、相位和失调都补偿后送到DA，输出模拟中频信号。输出中频信号频点为81.84 MHz的AD9148典型配置参数如下：

AD9148的参考时钟输入为40.92 MHz，PLL工作VCO频率1 309.44 MHz，DAC转换速率654.72 MHz，输入数据速率81.84 MHz，输入数据格式为二进制补码，内部8倍插值，精NCO载波调制，中心频率为81.84 MHz。

2　关键技术

在BOC调制信号发生器的实现过程中，解决的关键技术有多种速率信号输出的同步问题和多种调制频率的输出问题。

2.1多种速率信号输出的同步问题

BOC调制信号发生器作为一个系统整体，不仅要求同一信号形式的信息码、扩频码与副载波在产生时间上要严格对齐，而且不同信号形式的BOC信号之间也必须保证同步，这就对BOC调制信号发生器提出了很高的要求。

文中的BOC调制信号发生器采用公倍数时钟作为全局的基准时钟并分频输出的同步设计方法，即先通过锁相环对输入的10.23 MHz参考时钟倍频得到各个码率、副载波频率的公倍数时钟，再对公倍数时钟整数倍分频得到所需的码率、副载波频率。这样，就能保证各个模块的时钟具有一致的初始相位，解决了多种速率信号输出的同步问题。

2.2多种调制频率的输出问题

以往的BOC调制信号发生器只能输出单一频点的BOC信号，而实际在导航信号的接收测试中，往往需要多种不同频点的BOC信号。

设计选择了新型高速DAC芯片AD9148对数字信号进行中频调制和DA变换，中频调制采用IQ正交调制，使BOC信号的输出频率不再受信号带宽的限制[14]。在输出频率控制信号的控制下，对AD9148配置相关参数，就可以使BOC信号调制到相应的频点上。完善了BOC调制信号发生器的功能，解决了多种调制频率的输出问题。

3　系统性能测试

在实现BOC调制信号发生器的模块设计后，需要对BOC调制信号发生器进行测试，以验证系统设计的正确性。

使用频谱仪对系统进行性能测试，频谱仪型号Agilent Technologies N9340B。给BOC调制信号发生器提供参考时钟10.23 MHz，外部上位机设置信号形式选择信号、码型选择信号和输出频率控制信号等参数，BOC调制信号发生器就能输出相应的BOC信号。选择测试了信号形式分别为BOC(1,1)、BOC(5,2)、BOC(8,4)、BOC(10,10)和BOC(15,2.5)，码型分别为C/A码、P码和输出频率分别为40.92 MHz、61.38 MHz、71.61 MHz和81.84 MHz的多种组合形式的BOC信号，均取得良好的效果，体现了输出BOC信号的多样性。

把BOC信号连接到频谱仪上进行频谱分析，图5所示分别为扩频码型P码、输出频率61.38 MHz的BOC(15,2.5)信号和扩频码型C/A码、输出频率81.84 MHz的BOC(1,1)信号的频谱图。

图5　BOC(15,2.5)和BOC(1,1)信号频谱

4　测试结果分析

由频谱仪显示的频谱可知，这2个信号具有以下特征：

① 对称分裂的频谱，能量主要集中在两侧的主瓣上。图5(a)两个主峰的中心频点46.035 MHz和76.725 MHz与信号的中心频点61.38 MHz相比，分别向左和向右偏移了15×1.023 MHz。图5(b)两个主峰的中心频点80.817 MHz和82.863 MHz与信号的中心频点81.84 MHz相比，分别向左和向右偏移了1×1.023 MHz；

② 图5(a)两个主瓣之间的主副瓣之和共有12个，正好等于2×15/2.5。图5(b)两个主瓣之间的主副瓣之和共有2个，正好等于2×1/1；

③ 图5(a)主瓣宽度5.115 M正好等于BOC(15,2.5)的码速率2.557 5 M的2倍，副瓣宽度2.557 5 M正好等于BOC(15,2.5)的码速率。图5(b)主瓣宽度2.046 M正好等于BOC(1,1)的码速率1.023 M的2倍。

分析表明，这些特征分别与BOC(15,2.5)和BOC(1,1)的信号特征完全一致，与理论仿真的频谱一致，验证了设计的BOC调制信号发生器系统的正确性。

5　结束语

结合国内现状，经过模块化设计，实现了一种BOC调制信号发生器。通过频谱仪对BOC调制信号发生器反复测试的结果表明，设计的系统输出信号形式与输出码型可选，输出频率可调，改善了以往BOC调制信号发生器只能输出单频点、单信号形式的状况，系统方便、可靠，可用于新一代导航信号的接收测试。我国即将全面建设北斗全球导航系统，各类信号测试需要大量的BOC调制信号发生器，所设计的系统必将得到广泛的应用。

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李绅男，(1986—)，硕士，工程师。主要研究方向：卫星导航定位技术。

杨俊武男，(1973—)，高级工程师。主要研究方向：航天测控总体。

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

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA124001)。

TP391

A

1003-3106(2016)10-0038-05

引用格式：李绅,杨俊武,何巍巍.BOC调制信号发生器的设计与实现[J].无线电工程,2016,46(10):38-42.