CCRW技術在MBOC調制信號下多徑抑制性能＊

劉 哲，倪少杰，牟衛華，唐小妹

（國防科技大學電子科學與工程學院 衛星導航定位研發中心，湖南 長沙410073）

0 引 言

MBOC（multiplexed binary offset carrier）是GPS現代化計劃中L1C信號和Galileo系統E1開放式服務信號采用的一種新的調制方式。MBOC以BOC（1，1）信號為基線，從頻譜上避開了業已存在的BPSK信號，提高了頻譜復用率，使抗干擾能力大大增強，同時高頻分量BOC（6，1）的存在使信號的跟蹤性能有所改善。隨著GPS現代化計劃的推進和Galileo系統的發展與成熟，MBOC信號的性能受到廣泛關注。

在GNSS系統中，多徑是由于衛星信號經物體反射或散射后進入接收機引起的，由于很難通過建模、差分等方法消除，因此多徑一直是GNSS系統中主要誤差源之一。CCRW技術是一種廣泛應用于BPSK信號體制下商用接收機上的多徑抑制算法。通過改變本地復現碼的波形以期獲得更理想的鑒相函數，從而更好地抑制多徑，CCRW技術在應用于BPSK接收機時取得了很大成功。目前典型的CCRW算法包括窄相關、W1（四相關）、W2、W3、W4CCRW[4]。目前關于 CCRW 技術在BPSK調 制 信 號 下 性 能 的 研 究 比 較 充 分[4，8]，對BOC下的性能研究也較為成熟[7－9]，文獻[2]通過將BPSK調制下的CCRW閘波信號直接應用到BOC（1，1），研究了 W2在 BOC（1，1）中的性能。文獻[6]研究了窄相關及 W1CCRW 在TMBOC下的性能，文獻[3]詳細分析了 W2CCRW 在MBOC下的性能，本文則以 W1、W2、W3、W4 CCRW技術為研究對象，系統研究了其直接移植到MBOC信號時的多徑抑制性能，并與其在BPSK和BOC（1，1）調制下性能進行了比較。

1 MBOC調制

MBOC是GPS現代化計劃和Galileo系統中采用的一種新的信號調制方式。為提高頻譜復用率，在L1頻點，GPS和Galileo決定采用 MBOC（6，1，1／11）的調制方法，以BOC（1，1）作為基線，并增加高頻分量來提高信號的跟蹤性能。MBOC（6，1，1／11）表示該信號的頻譜由1／11的BOC（6，1）和10／11的BOC（1，1）構成。現有信號體制下有TMBOC和CBOC兩種實現方法，二者功率譜密度相同，均為式（1）所示。

TMBOC是一種類似時分復用的方式，為GPS L1C信號所采用。L1C包括數據通道和導頻通道，其能量比為1：3。數據通道采用BOC（1，1）調制，導頻信號采用TMBOC（6，1，4／33），在每33個方波中，第1、5、7、30個為BOC（6，1），其余為BOC（1，1）。

CBOC（composite BOC）是根據BOC（1，1）和BOC（6，1）不同的幅值權重構成的4電平符號來實現的調制，是幅值的復合式實現，為Galileo系統E1OS信號所采用。E1OS同時播發調制有導航電文的信號和無導航電文的導頻信號，二者能量比為1：1，表達式分別為

由于CBOC中用于跟蹤的主要是導頻通道，因此，主要研究CCRW技術在CBOC導頻通道和TMBOC中的多徑抑制性能。

2 CCRW技術簡介

CCRW技術是廣泛應用于二相相移鍵控（BPSK）信號接收機上的一種多徑抑制技術，世界上許多知名的接收機生產商都采用該技術或發明過相關專利。該技術中本地參考波形是一系列的閘波信號，閘波信號由一定數目的基本波形組成，不同閘波波形如圖1所示。基本波形的寬度定義為閘波寬度GW.同BPSK接收機相似，本文研究的MBOC接收機中，閘波信號也是根據調制副載波之前的偽碼序列產生的。

在接收機基帶數字信號處理模塊中，來自射頻前端的數字中頻信號與本地載波相乘后，分別與本地即時碼和本地閘波信號進行相關運算，得到IX、QX、IW、QW，四路信號輸入到鑒別器中，求得載波相位和碼相位跟蹤誤差，從而完成對載波和偽碼的跟蹤。四路信號表達式如式（4）至（7）所示。其中A為信號幅度；D為導航電文；fe為載波頻率跟蹤誤差；T為積分時間；θe為初始載波相位誤差；Ni，X、Nq，X、Ni，W、Nq，W是高斯白噪聲，R（ε）和R（ε）分別表示接收到的衛星信號與本地即時碼和本地閘波信號的互相關函數。

鑒別器分為相干和非相干兩種，實際中應用較多的是非相干鑒別器，其鑒相函數如式（8）所示。

圖1 不同閘波信號波形

3 CCRW技術在MBOC下的多徑抑制性能分析

主要采用基于多徑誤差包絡的多徑抑制性能分析方法[5]，分析比較不同閘波信號的多徑抑制性能。

理想無限帶寬情況下不同閘波波形在閘寬為1／12（單位：碼片，下同）的鑒相函數如圖2所示。可以看出，MBOC調制下鑒相函數有以下特點：

1）鑒相函數在延遲為零附近并不是線性的，這是由MBOC中存在的BOC（6，1）分量造成的；

2）各鑒相函數均有多個過零點，因此使用類似Bump－jumping的輔助校驗技術來保證碼跟蹤環路的正確鎖定是十分有必要的；

3）CBOC調制中四種技術的牽引范圍相同，都是[－0.08 0.08]。TMBOC中 W1、W2、W3的牽引范圍為[－0.08 0.08]，W4的牽引范圍較大，為[－0.08 0.17]。

不同調制方式下各閘波信號多徑誤差包絡如圖3和圖4所示。為了分析方便，仿真所用多徑為單路鏡面反射模型，多徑信號幅度為直達信號的0.5倍，射頻前端簡化為－3dB帶寬為20M、阻帶為30M的帶通濾波器，圖3中閘寬為1／12，圖4中閘寬為1／16。

由誤差包絡可以得出以下結論：

1）在 MBOC調制下，W2、W3、W4CCRW技術能較好地抑制延遲較大的多徑，而對短延遲多徑不能完全抑制，這與BPSK和BOC（1，1）下結論類似。同時TMBOC調制下，延遲大于0.5碼片的多徑信號仍有一定影響，這是因為鑒相函數在延遲小于－0.4碼片時仍有一定起伏。W1CCRW性能較BPSK調制變差，雖然在延遲為一個碼片附近的多徑抑制能力優于BPSK，但對0.5碼片之內的多徑抑制作用有限，而在實際中，由于較大延遲的多徑在傳播過程中能量損耗較大，我們更關心的是延遲小于0.5碼片的多徑；

2）類似于BPSK和BOC（1，1），MBOC調制下，閘寬越小，多徑誤差包絡越理想，其包絡面積、包絡極值、有效包絡區間長度等都隨閘寬的降低而減小；

3）MBOC調制下 W2、W3、W4CCRW 誤差包絡形狀并不規則，載波延遲為0和π時誤差包絡并不對稱，這與鑒相函數線性程度和對稱性較低有關。W2與W4多徑誤差包絡較為相似，W3則有較大不同，有效包絡區間長度較大，包絡面積也大于W2和W4CCRW，但三者的性能均優于W1。

圖4 不同調制方式中各閘波信號在閘寬為1／16碼片時多徑誤差包絡

以BPSK調制下 W2CCRW在閘寬為1／12時的包絡面積為準，測得不同條件下各多徑誤差包絡面積如表1。通過表1可知：

1）W2、W3、W4在閘寬為1／12條件下，在TMBOC下面積與在BPSK和BOC（1，1）下基本相等，在CBOC下則小得多，W2和W4在CBOC下面積約為在BPSK下的58%，W3約為85%；

2）W2、W3、W4在閘寬為1／16條件下，多徑誤差的包絡面積大小關系為：TMBOC＞BPSK≈BOC（1，1）＞CBOC。這是由于在TMBOC信號下應用CCRW技術時沒有考慮BOC（6，1）分量，對BOC（6，1）采用了和 BOC（1，1）相同的處理方式，因此沒有發揮出高頻分量的跟蹤優勢，造成在TMBOC信號下性能有所下降；

3）W1在閘寬為1／12時，面積大小關系為CBOC＞BOC（1，1）＞TMBOC＞BPSK，在閘寬為1／16時，面積大小關系為BOC（1，1）＞BPSK＞TMBOC＞CBOC.

表1 不同條件下不同閘寬歸一化誤差包絡面積統計

4 結 論

介紹了 W1、W2、W3、W4CCRW四種技術的基本原理，并從誤差包絡面積、包絡極值、有效包絡區間長度等幾個方面比較了這幾種技術在MBOC調制信號下的性能。雖然以上幾種閘波信號都是針對BPSK信號設計的，但其在CBOC調制下的性能優于BPSK調制。由于MBOC信號特性與BPSK并不相同，因此針對MBOC信號的特點來設計閘波波形是提高MBOC信號接收機多徑抑制性能的一種可行思路，這部分工作還需進一步深入研究。

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