GPS系統TMBOC調制的FPGA實現

李 勇

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西 西安 710071)

由于Galileo E1信號和GPS L1信號共用相同的載波頻率1575.42 MHz，為使導航信號具有較好的兼容性和互操作性，美國和歐洲專家組成的聯合設計機構推薦MBOC(Multiplexed Binary Offset Carrier)作為GPS L1和 Galileo E1共用的民用信號調制方式［1］。MBOC調制分為TMBOC(Time multiplexed Binary Offset Carrier)和 CBOC(Composite Binary Offset Carrier)兩種調制方式，其中GPS L1頻帶采用了TMBOC調制方式。文中首先對TMBOC調制過程進行介紹，對該信號的時頻特性進行分析，在理論分析的基礎上完成基于FPGA硬件平臺的TMBOC調制，并給出仿真波形。

1 TMBOC調制的生成方式及頻譜特性

TMBOC調制為時分多副載波調制形式，即在數據通道使用單一BOC(1，1)調制，在導頻通道使用BOC(1，1)和 BOC(6，1)混合調制，且 BOC(6，1)占導頻通道總功率的4/33，則混合調制的副載波記為TMBOC(6，1，4/33)。

TMBOC導頻通道和數據通道時域表達式如下:

導頻通道信號

數據通道信號

圖1 TMBOC副載波時域波形圖

數據通道和導頻支路的功率譜密度計算如下

其中，BOC(m，n)的功率譜密度計算公式如下

其中，fc=1.023 MHz。

兩個通道信號疊加后得TMBOC的功率譜密度為

從式(6)中可以看出，BOC(1，1)頻譜分量占總功率的10/11，BOC(6，1)頻譜分量占總功率的 10/11，滿足MBOC(6，1，1/11)調制的要求。TMBOC的功率譜如圖2所示。

圖2 TMBOC功率譜包絡圖

從圖2可以看出，由于疊加BOC(6，1)頻譜成分，TMBOC的功率譜與BOC(1，1)相比，在±6 MHz和±18 MHz附近出現小主峰。凸出的地方是BOC(6，1)主瓣的地方。如提高BOC(6，1)所占的功率比，則凸出的小主峰的峰值也隨之變大。由于MBOC通過在BOC(1，1)的頻譜上增加少部分的高頻分量，從而獲得更窄的自相關峰曲線，提高偽碼跟蹤精度，且在一定程度上緩解了多徑干擾［2］。

2 用FPGA實現TMBOC調制

2.1 基帶TMBOC信號的產生

FPGA(Field Programmable Gate Array邏輯電路具有編程靈活、易修改、速度快、性能穩定可靠、設計開發周期短、設計制造成本低等優點，已廣泛應用于通信、數據處理、網絡、芯片設計、軍事和航空航天等眾多領域［3］。設計使用Xilinx公司的ISE10.1集成開發軟件進行設計，用ModelSim6.5進行硬件仿真，使用VHDL語言實現系統硬件設計。

圖3為TMBOC基帶信號調制方框圖。其中clk為外部晶振提供的122.76 MHz時鐘信號，經過分頻電路產生12.276 MHz的副載波生成時鐘、2.046 MHz的副載波生成時鐘和1.023 MHz的擴頻碼時鐘，這些時鐘具有相同的起始點。數據信號和產生的擴頻碼進行擴頻得到擴頻信號，擴頻信號再與副載波產生器產生的1.023 MHz方波副載波進行調制得到數據通道的基帶信號。碼片選擇器對副載波產生器產生的6.138 MHz副載波和1.023 MHz副載波進行選擇，得到時分副載波信號，把時分副載波信號與另一擴頻序列產生器產生的擴頻信號進行調制就得到導頻通道的基帶信號。把兩路的基帶信號進行合路得到TMBOC基帶信號。基帶調制中需要對數據通道副載波和導頻通道副載波分別乘以系

圖3 TMBOC中頻信號調制圖

下面對調制過程的主要模塊進行介紹:

(1)擴頻序列產生模塊。擴頻序列產生器用來產生導數據通道和導頻通道的擴頻碼。TMBOC調制的擴頻碼主要使用m序列，由一10級反饋移位器構成，生成碼片長度為1023。

(2)副載波產生模塊。數據通道使用單一BOC(1，1)的副載波作為副載波，而導頻通道使用BOC(1，1)副載波 和BOC(6，1)副載波混合混合生成的副載波。導頻通道副載波由碼片選擇器控制產生。碼片選擇器的原理是產生一周期為33個時鐘周期的信號選擇序列，在第1、5、7和30時鐘周期取高電平，其他時鐘周期取低電平。把信號選擇序列和其反相序列分別與 BOC(6，1)和 BOC(1，1)副載波相乘(與運算)，得到的兩路信號再相加(或運算)，這樣就生產導頻支路的副載波。導頻通道副載波生成仿真波形如圖4所示［5］。

圖4 導頻通道副載波生成仿真波形

(3)中頻載波調制模塊。在系統時鐘控制下，采用ISE中的DDS IP核生成30 MHz的余弦信號作為中頻載波，對產生的基帶信號進行調制，得到TMBOC中頻調制信號。其仿真波形如圖5所示。

圖5 TMBOC中頻調制信號

2.2 功率譜和自相關函數分析

對FPGA產生的TMBOC基帶信號進行采樣，采樣值運用Matlab進行分析，生成的功率譜如圖6所示。

圖6 TMBOC信號頻譜圖

由圖6可知TMBOC在BOC(1，1)頻譜的基礎上增加了BOC(6，1)分量，這樣就獲得了更豐富的高頻分量，自相關峰曲線也變的更窄，如圖7所示，從而提高偽碼跟蹤精度，且在一定程度上緩解多徑干擾。

圖7 TMBOC信號自相關函數

3 結束語

文中介紹了TMBOC的調制方法，并對TMBOC特性進行了分析。在理論分析的基礎上實現了基于FPGA硬件平臺的TMBOC調制，并通過仿真證明了此設計的可行性。采用FPGA進行導航信號的調制設計，可以較好地對導航信號進行研究分析。

［1］European Space Agency.Galileo open service signal in space interface control document［S］.France:OS SIS ICD，2008.

［2］HEIN G W，WALLNER S.The MBOC modulation:A final touch for the Galileo frequency and signal plan［C］.USA:ION GNSS 2007，2007:1515 －1529.

［3］李云松，宋瑞，雷杰，等.Xilinx FPGA設計基礎(VHDL版)［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2008.

［4］ELLIOTI D K.GPS原理與應用［M］.邱致和，王萬義，譯.北京:電子工業出版社，2002.

［5］BETZ J W.Design and performance of code tracking for the GPS m code signal［C］.Salt Lake city，UT:ION National Technical Meeting，2000.