一种BOC调制信号捕获技术

师 彬

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

消除模糊度的常用方法有单边带法、双边带法和副载波相位消除法等。单边带法和双边带法只滤出了主峰信号，对信号能量有损失；而对于BOC（m，n）信号而言，副载波相位消除法在相关前的带宽为2（m+n）f0，因此数据速率至少为2（m+n）f0，数据计算量大，硬件实现复杂度高，不利于工程应用；而单边带法和双边带法由于只滤出了主峰，信号能量大幅度减少，捕获灵敏度降低

[2]。

本文提出一种二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）方法，该方法兼顾了运算量和灵敏度，有效消除了BOC 调制信号的模糊度，使得接收机能够准确捕获卫星导航新体制信号。

1 BOC 调制信号

BOC 调制是一种随着导航技术的发展而逐步建立起来的新的调制技术，调制流程如图1所示。与传统的BPSK 调制流程相比，BOC 调制流程仅有的一个不同之处是它在载波调制之前增加了一个BOC 调制环节，这使得经扩频调制后的基带信号的频谱重新得到一次调制，以满足GNSS 信号频谱分离的设计要求[3]。

图1 BOC 调制流程

BPSK 调制信号的基带表达式为：

式中，ak（可能调制着数据码、测距码等）的值为±1 的伪码序列，其码片宽度为Tc；μTc(t)为矩形脉冲信号，其脉宽刚好等于伪码码宽Tc。

BOC 调制信号的基带表达式为：

随着国企改革进入深水区，“新电改方案”的通过标志着电力市场进一步开放，电网企业面临着更多的挑战。从内生角度降低管理成本，提质增效，以提升企业市场核心竞争力成为在开放竞争市场上取得竞争优势的重要手段[1]。集约化能够通过规模经济效益，降低管理成本；也能通过提高规范化水平，降低企业财务、审计风险；并且能够统筹资源调配，有效配置提升资源利用率。在物资合同结算管理方面，省级电网企业作为集约化管理的重要环节，起到了承上启下的作用。

与式（1）相比，式（2）多了一个BOC 副载波调制信号χ(t)，它通常是个周期函数，其周期记为sT。常见的副载波χ(t) 的函数表达式为：

式中，sgn()为符号函数，而fs为副载波频率。其函数波形如图2所示。

图2 副载波χ(t) 的函数波形

从图2及式（1）～式（2）可以看出，如果副载波函数χ(t) 等于1，那么此时的BOC 调制就退化成BPSK 调制。BPSK（1）和BOC（1，1）调制信号的归一化功率谱密度如图3所示，其中以虚线表示的是BPSK（1）调制信号的功率谱密度，以实线表示的是BOC（1，1）调制信号的功率谱密度，从图3中可以清晰地看出一些现代化GNSS 新型信号之所以采用BOC 调制的基本出发点：BPSK 调制信号（比如传统的GPS 信号）频谱的主瓣位于中心零频处，而BOC 调制信号频谱的两个主瓣则偏移至零频的左右两侧，从而使得这两类调制信号能有效地共享同一个卫星导航频段而又互不干扰。并且BOC 调制信号频谱以零频为中心左右对称，即在零频任一侧的频谱已经包含了可用来测距和数据解调的所有信息。

图3 BPSK（1）和BOC（1，1）调制信号的功率谱密度

单边带法就是只处理了BOC 调制信号的单侧频谱；双边带法处理了零频左右两侧的2 个主峰；本文提出的二阶类BPSK 方法在滤出主峰的同时，还接收了第一副峰，提高了捕获信噪比。

2 副载波相位消除法

副载波相位消除法是利用相关函数合成的操作来消除自相关函数的副峰。除了利用本地产生的BOC 信号与接收的BOC 信号进行相关运算外，还在本地产生另一组正交的Q路BOC 信号与接收BOC 信号做相关，最后将二者的结果进行后续处理。副载波相位消除法的实现框架如图4所示。

从图4可以看出，副载波相位消除法需要在匹配滤波的基础上添加2 路Q路BOC 码与接收信号做相关。对于BOC（m，n）信号而言，副载波相位消除法在相关前的带宽为2（m+n）f0，因此数据速率至少为2（m+n）f0，数据计算量大，硬件实现复杂度高，不利于工程应用[4]。

图4 副载波相位消除法的实现框图

3 二阶类BPSK 实现方法

如图5所示，二阶类BPSK 方法接收BOC 信号主瓣的同时，能够接收两个旁瓣，信噪比会有一定的提升。

图5 二阶类BPSK 方法实施捕获的结构框图

具体步骤如下：

（1）将接收到的BOC（m，n）中频信号同时进行4 路带通滤波，4 路带通滤波器的中心频点依次为+mf0、-mf0、+3mf0、-3mf0，带通滤波器带宽均2nf0。根据中心频点和带通滤波器带宽用Matlab 设计出滤波器系数Ki1，Ki2，…Ki16，i=1，2，3，4，分别对应四路信号，其中m，n为BOC 调制系数，副载波频率fs为f0的m倍，伪码码率rc为f0的n倍。

滤波后的信号firi（i=1，2，3，4，分别对应4路信号）可以用式（4）表示：

（2）分别产生四路本地载波信号，本地载波信号uo(t)的表达式为：

式中，f0和θ0分别为本地载波信号的频率和初相。图5中经过带通滤波后的4 路信号中心频率分别是+mf0、-mf0、+3mf0、-3mf0，因此本地载波信号的中心频率也分别是+mf0、-mf0、+3mf0、-3mf0。

（3）滤波后信号与本地载波经过第k次混频、相干积分清零后的同相相干积分值I(k)和正交相干积分值Q(k) 的表达式如下：

式中，Δfd=fi-fo为输入信号与本地信号的多普勒频差，Ts为采样时间，N为积分清除点数，

式中，Δφ=φi-φo为输入信号与本地信号的初相差，nI和nQ为带内白噪声。虽然BOC 调制信号中存在多个频率的信号，但是所有信号的传输路径完全相同，因此四路带通信号去载波后的频差和相位差是完全一致的。

（4）按本地码生成公式产生本地伪码。在BOC调制信号中，该码应该选择能量比重比较高的本地伪码，以便于捕获。

（5）将数据和码分段相关求和，然后做FFT运算，找出其中的最大值和捕获门限比较，得到捕获结果。

经过上述5 个步骤，可以实现BOC 调制信号的快速捕获。

4 仿真验证

用Matlab 仿真产生BOC（1，1）信号，信噪比从-48 到-28 逐渐增加1，每产生一组信号数据，就依次用单边带法、双边带法、副载波相位消除法和二阶类BPSK 方法捕获卫星，每种算法都用连续的数据捕获100 次，将捕获结果与理论多普勒和码相位相比较，统计正确捕获的次数，最后得到各个信噪比条件下，不同捕获算法的捕获概率。捕获概率统计图如图6所示，纵坐标为捕获概率，横坐标为信噪比。

图6 捕获概率统计对比图

由图6可知，在相同信噪比条件下，二阶类BPSK 算法的捕获概率高于单/双边带法和副载波相位消除法，可以实现BOC 调制信号的有效捕获。

5 结束语

本文采用二阶类BPSK 方法，有效消除了BOC调制信号的模糊度，使得接收机能够准确捕获卫星导航新体制信号。与合成函数法相比，本方法的特点是：BOC（m，n）信号在相关前基带复信号的带宽为2nf0，数据速率大幅度降低，数据计算量急剧减少；通过带通滤波器将BOC 调制信号分离成多个边带信号，算法通用性强；滤出主峰的同时，该方法多接收了两个第一副峰，使得信噪比可以提高，实现BOC 调制信号的高灵敏度捕获。