BOC調制信號發生器的設計與實現

李　紳,楊俊武，何巍巍

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.宇航動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710043；3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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BOC調制信號發生器的設計與實現

李紳1,3,楊俊武2，何巍巍1,3

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081；2.宇航動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710043；3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

BOC調制信號應用在衛星導航系統中有很多優勢，其具有良好的抗多徑、抗干擾性能和很高的研究價值。針對目前國內沒有功能完善的BOC調制信號發生器，無法深入展開BOC調制信號相關研究的現狀，開展了BOC調制信號發生器的研究并設計了一種基于FPGA的BOC調制信號發生器。詳細介紹了BOC調制信號發生器的系統組成，各個模塊的實現方式，指出了實現的關鍵技術。使用頻譜儀對BOC調制信號發生器進行了測試，驗證了其產生BOC調制信號的正確性。

BOC調制；衛星導航；信號發生器；FPGA；頻譜儀

0　引言

當前，衛星導航系統正經歷著快速發展，隨著衛星導航系統的發展，將面臨四大導航系統近百顆導航衛星同時并存的局面，有限的頻率資源將更加緊張，多系統之間的兼容性和互操作性成為日益重要的一個論題[1]。如何在有限的頻帶內合理有效地利用頻帶資源而又不互相干擾，成為當前信號體制研究亟待解決的問題。

傳統的BPSK調制方式頻帶資源利用有限，相比之下，BOC調制不僅能實現頻譜分離，而且自相關函數曲線更加陡峭，具有更高的碼跟蹤精度和抗干擾能力[2]。今后的衛星導航系統中將主要采用BOC調制及其衍生信號，因而，BOC調制具有較高的研究價值[3]。

雖然BOC調制信號的產生理論已趨于成熟，但目前國內并沒有研制出功能完善的BOC調制信號發生器。為了深入研究BOC信號的生成機理、分析其信號特性及進行新一代導航信號的接收測試[4]，本文設計了一種基于FPGA的BOC調制信號發生器，用于產生不同信號形式、不同碼型和不同頻率的BOC信號，并對其進行了測試與驗證，極大地豐富了BOC調制技術的研究。

1　系統總體設計

系統開發采用Altera公司的StratixIII系列EP3SL200F1517I3型號FPGA芯片，使用QuartusII V9.1硬件開發平臺進行FPGA設計。設計的信號發生器系統的輸入為10.23 MHz時鐘、信號形式選擇信號、碼型選擇信號和輸出頻率控制信號，輸出為不同信號形式、不同碼型和不同頻率的BOC信號。其中，10.23 MHz時鐘作為信號發生器系統的參考時鐘，用于產生系統內部所需的各個時鐘，信號形式選擇信號用于選擇輸出不同的BOC信號形式，碼型選擇信號用于選擇不同的擴頻碼型，輸出頻率控制信號用于控制BOC信號的輸出頻率。參考時鐘由外部高精度頻率源提供，信號形式選擇信號、碼型選擇信號和輸出頻率控制信號由外部上位機設置。整個系統功能邏輯采用模塊化設計，各個模塊功能獨立，主要模塊包括：頻率產生模塊、BOC基帶信號產生模塊、載波產生模塊和BOC信號調制模塊。BOC調制信號發生器系統框圖如圖1所示。

圖1　BOC調制信號發生器系統框圖

1.1頻率產生模塊

頻率產生模塊用于產生信號發生器各個模塊工作需要的時鐘，產生的時鐘頻率有：信息碼頻率、擴頻碼頻率、副載波頻率、載波NCO的系統頻率和AD9148的參考頻率等。

BOC調制信號發生器的模塊設計對時序有嚴格的要求，不僅要求各信號形式的BOC信號正確，而且必須保證各路信號間同步。信號同步的前提是有一個精確的頻率作為基準頻率，這個基準頻率是所有BOC信號形式的碼速率、副載波頻率的公倍數。

頻率產生模塊由鎖相環和分頻器組成[5]。其中，鎖相環對輸入的10.23 MHz參考時鐘倍頻得到基準頻率，基準頻率通過分頻器得到信息碼頻率、擴頻碼頻率和副載波頻率。這樣，就可以保證各模塊的時鐘具有相同的初始相位。

1.2BOC基帶信號產生模塊

BOC基帶信號產生模塊用于產生BOC基帶信號，是BOC調制信號發生器的核心模塊，由信息碼產生器、擴頻碼產生器、副載波產生器、信號形式選擇器和碼型選擇器組成。信息碼的內容不影響最終調制的頻譜，為了簡化設計，信息碼采用300 Hz的‘10101010’序列[6]。

選擇擴頻碼速率fc和副載波頻率fs不同的匹配方式，可以輸出不同的BOC信號形式，BOC(10,1)、BOC(10,10)、BOC(8,4)、BOC(5,2)、BOC(1,1)和BOC(15,2.5)等常見的BOC信號形式都可以產生，由信號形式選擇器控制。擴頻碼的碼型也是多樣的，可以選擇C/A碼、P碼和其他的偽碼序列，由碼型選擇器控制。信號形式選擇器和碼型選擇器由外部信號控制。

下面介紹一下擴頻碼中C/A碼的產生方式。選擇C/A碼作為BOC調制的擴頻碼，既考慮了新信號可能與現行信號兼容而直接調制現行信號，又合理使用了已知的擴頻碼資源，達到研究BOC調制信號的目的。C/A碼是gold碼，是由2個11級移位寄存器G1和G2經模2和產生的復和碼[7]，其序列長度為2 047。G1和G2都是長度為2 047的m序列，其特征多項式分別為：

G1(x)=1+x+x3+x7+x11，

(1)

G2(x)=1+x2+x3+x6+x7+x8+x10+x11。

(2)

Gold碼的輸出G(t)=G1(t)⊕G2(t)，其實現方式如圖2所示。

圖2　C/A碼產生器示意

首先對寄存器G1和G2復位，分別置寄存器初始值。然后，在碼速率時鐘的控制下，經過反饋抽頭，寄存器G1和G2依次輸出長度為2 047的m序列，二者相異或，就能得到相應碼速率且長度為2 047的擴頻碼。

副載波由頻率產生模塊中基準頻率分頻得到，副載波頻率的初始相位與信息碼時鐘以及擴頻碼時鐘的初始相位一致。

信息碼與擴頻碼進行異或運算后，就可以得到擴頻信號[8]。擴頻信號與副載波相乘，就可以得到BOC基帶信號。當擴頻信號為正電平時，副載波的幅值不變直接輸出，當擴頻信號為負電平時，把副載波的幅值取反輸出。BOC基帶信號仿真波形圖如圖3所示。

圖3　BOC基帶信號仿真波形

1.3載波產生模塊

載波產生模塊是基于數控振蕩器(NCO)產生一定頻率的正弦波或余弦波，生成的載波頻率可變。它的基本工作原理為在參考時鐘的驅動下，相位累加器對輸入的頻率控制字進行線性累加，得到的相位碼經過像限判決對余弦查找表尋址，使之輸出相應的幅度碼，這就是所需要的數字波形。載波產生模塊主要由相位累加器、像限判斷和余弦查找表構成[9]。

相位累加器由N位加法器和N位累加寄存器組成。每一個時鐘脈沖到來時，加法器把累加寄存器輸出的累加相位與頻率控制字K加，再把相加后的結果送回累加寄存器的輸入端。累加寄存器再把新產生的相位數據反饋到加法器的輸入端，在下一個時鐘脈沖到來時繼續與頻率控制字相加。這樣，就實現了頻率控制字的線性累加[10]。

像限判斷模塊的作用是把相位累加器的輸出結果轉化為余弦查找表的輸入，以確定當前相位所在的像限，并根據像限確定余弦查找表地址的符號。為節省資源，使用1/4余弦查找表，把相位累加器的高12位輸入給像限判斷模塊，其中高2位用于判斷像限，低10位用于確定余弦表的地址。

余弦查找表的作用是把像限判斷模塊輸出的數據作為輸入地址，把相應地址上的幅度數據作為輸出。由于1/4余弦查找表只存儲了部分波形數據，因此，余弦查找表輸出的幅值還要經過符號變換，才能輸出正確完整的波形。

載波生成模塊的輸出頻率fout，系統工作頻率fclk，相位累加器位寬N以及頻率控制字K之間的函數關系為[11]：

(3)

式中，N=40；fclk=122.76 MHz；輸出的載波頻率fout=10.23 MHz，K=1 555 555 555 h。載波生成仿真波形如圖4所示。

圖4　載波生成仿真波形

1.4BOC信號調制模塊

BOC信號調制模塊是用載波對BOC基帶信號進行BPSK調制，然后把數字信號送到DAC轉換芯片AD9148進行中頻調制和D/A變換，最終輸出BOC中頻模擬信號，中頻信號的頻點可由外部信號控制。

在二進制的數字邏輯中，所有的乘法調制都可以用異或門實現，BPSK調制實際就是載波和偽碼兩個有符號數進行異或的過程，根本上是對符號位的調制。

用于中頻調制的 AD9148是一款4通道、16位、高動態范圍的數模轉換器DAC，可以提供1 000 MSPS的采樣速率，具有針對直接變頻傳輸應用進行優化的特性，包括增益、相位和失調補償[12]。它包含2個16對LVDS數據輸入接口，支持雙端口、單端口和字節模式，FPGA需要給AD9148提供數字數據和隨路參考時鐘DCI[13]。

本文采用雙端口模式，BPSK調制后的IQ支路數據合路交替輸入給AD9148，在DCI的上升沿，把I支路數據送入端口A和B，在DCI的下降沿把Q支路數據送入端口A和B。然后，合路后的數字信號與AD9148芯片內復數NCO產生的2路正交中頻載波進行數字正交調制，在增益、相位和失調都補償后送到DA，輸出模擬中頻信號。輸出中頻信號頻點為81.84 MHz的AD9148典型配置參數如下：

AD9148的參考時鐘輸入為40.92 MHz，PLL工作VCO頻率1 309.44 MHz，DAC轉換速率654.72 MHz，輸入數據速率81.84 MHz，輸入數據格式為二進制補碼，內部8倍插值，精NCO載波調制，中心頻率為81.84 MHz。

2　關鍵技術

在BOC調制信號發生器的實現過程中，解決的關鍵技術有多種速率信號輸出的同步問題和多種調制頻率的輸出問題。

2.1多種速率信號輸出的同步問題

BOC調制信號發生器作為一個系統整體，不僅要求同一信號形式的信息碼、擴頻碼與副載波在產生時間上要嚴格對齊，而且不同信號形式的BOC信號之間也必須保證同步，這就對BOC調制信號發生器提出了很高的要求。

文中的BOC調制信號發生器采用公倍數時鐘作為全局的基準時鐘并分頻輸出的同步設計方法，即先通過鎖相環對輸入的10.23 MHz參考時鐘倍頻得到各個碼率、副載波頻率的公倍數時鐘，再對公倍數時鐘整數倍分頻得到所需的碼率、副載波頻率。這樣，就能保證各個模塊的時鐘具有一致的初始相位，解決了多種速率信號輸出的同步問題。

2.2多種調制頻率的輸出問題

以往的BOC調制信號發生器只能輸出單一頻點的BOC信號，而實際在導航信號的接收測試中，往往需要多種不同頻點的BOC信號。

設計選擇了新型高速DAC芯片AD9148對數字信號進行中頻調制和DA變換，中頻調制采用IQ正交調制，使BOC信號的輸出頻率不再受信號帶寬的限制[14]。在輸出頻率控制信號的控制下，對AD9148配置相關參數，就可以使BOC信號調制到相應的頻點上。完善了BOC調制信號發生器的功能，解決了多種調制頻率的輸出問題。

3　系統性能測試

在實現BOC調制信號發生器的模塊設計后，需要對BOC調制信號發生器進行測試，以驗證系統設計的正確性。

使用頻譜儀對系統進行性能測試，頻譜儀型號Agilent Technologies N9340B。給BOC調制信號發生器提供參考時鐘10.23 MHz，外部上位機設置信號形式選擇信號、碼型選擇信號和輸出頻率控制信號等參數，BOC調制信號發生器就能輸出相應的BOC信號。選擇測試了信號形式分別為BOC(1,1)、BOC(5,2)、BOC(8,4)、BOC(10,10)和BOC(15,2.5)，碼型分別為C/A碼、P碼和輸出頻率分別為40.92 MHz、61.38 MHz、71.61 MHz和81.84 MHz的多種組合形式的BOC信號，均取得良好的效果，體現了輸出BOC信號的多樣性。

把BOC信號連接到頻譜儀上進行頻譜分析，圖5所示分別為擴頻碼型P碼、輸出頻率61.38 MHz的BOC(15,2.5)信號和擴頻碼型C/A碼、輸出頻率81.84 MHz的BOC(1,1)信號的頻譜圖。

圖5　BOC(15,2.5)和BOC(1,1)信號頻譜

4　測試結果分析

由頻譜儀顯示的頻譜可知，這2個信號具有以下特征：

① 對稱分裂的頻譜，能量主要集中在兩側的主瓣上。圖5(a)兩個主峰的中心頻點46.035 MHz和76.725 MHz與信號的中心頻點61.38 MHz相比，分別向左和向右偏移了15×1.023 MHz。圖5(b)兩個主峰的中心頻點80.817 MHz和82.863 MHz與信號的中心頻點81.84 MHz相比，分別向左和向右偏移了1×1.023 MHz；

② 圖5(a)兩個主瓣之間的主副瓣之和共有12個，正好等于2×15/2.5。圖5(b)兩個主瓣之間的主副瓣之和共有2個，正好等于2×1/1；

③ 圖5(a)主瓣寬度5.115 M正好等于BOC(15,2.5)的碼速率2.557 5 M的2倍，副瓣寬度2.557 5 M正好等于BOC(15,2.5)的碼速率。圖5(b)主瓣寬度2.046 M正好等于BOC(1,1)的碼速率1.023 M的2倍。

分析表明，這些特征分別與BOC(15,2.5)和BOC(1,1)的信號特征完全一致，與理論仿真的頻譜一致，驗證了設計的BOC調制信號發生器系統的正確性。

5　結束語

結合國內現狀，經過模塊化設計，實現了一種BOC調制信號發生器。通過頻譜儀對BOC調制信號發生器反復測試的結果表明，設計的系統輸出信號形式與輸出碼型可選，輸出頻率可調，改善了以往BOC調制信號發生器只能輸出單頻點、單信號形式的狀況，系統方便、可靠，可用于新一代導航信號的接收測試。我國即將全面建設北斗全球導航系統，各類信號測試需要大量的BOC調制信號發生器，所設計的系統必將得到廣泛的應用。

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李紳男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛星導航定位技術。

楊俊武男，(1973—)，高級工程師。主要研究方向：航天測控總體。

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

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA124001)。

TP391

A

1003-3106(2016)10-0038-05

引用格式：李紳,楊俊武,何巍巍.BOC調制信號發生器的設計與實現[J].無線電工程,2016,46(10):38-42.