一種BOC調制信號捕獲技術

師 彬

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

消除模糊度的常用方法有單邊帶法、雙邊帶法和副載波相位消除法等。單邊帶法和雙邊帶法只濾出了主峰信號，對信號能量有損失；而對于BOC（m，n）信號而言，副載波相位消除法在相關前的帶寬為2（m+n）f0，因此數據速率至少為2（m+n）f0，數據計算量大，硬件實現復雜度高，不利于工程應用；而單邊帶法和雙邊帶法由于只濾出了主峰，信號能量大幅度減少，捕獲靈敏度降低

[2]。

本文提出一種二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）方法，該方法兼顧了運算量和靈敏度，有效消除了BOC 調制信號的模糊度，使得接收機能夠準確捕獲衛星導航新體制信號。

1 BOC 調制信號

BOC 調制是一種隨著導航技術的發展而逐步建立起來的新的調制技術，調制流程如圖1所示。與傳統的BPSK 調制流程相比，BOC 調制流程僅有的一個不同之處是它在載波調制之前增加了一個BOC 調制環節，這使得經擴頻調制后的基帶信號的頻譜重新得到一次調制，以滿足GNSS 信號頻譜分離的設計要求[3]。

圖1 BOC 調制流程

BPSK 調制信號的基帶表達式為：

式中，ak（可能調制著數據碼、測距碼等）的值為±1 的偽碼序列，其碼片寬度為Tc；μTc(t)為矩形脈沖信號，其脈寬剛好等于偽碼碼寬Tc。

BOC 調制信號的基帶表達式為：

隨著國企改革進入深水區，“新電改方案”的通過標志著電力市場進一步開放，電網企業面臨著更多的挑戰。從內生角度降低管理成本，提質增效，以提升企業市場核心競爭力成為在開放競爭市場上取得競爭優勢的重要手段[1]。集約化能夠通過規模經濟效益，降低管理成本；也能通過提高規范化水平，降低企業財務、審計風險；并且能夠統籌資源調配，有效配置提升資源利用率。在物資合同結算管理方面，省級電網企業作為集約化管理的重要環節，起到了承上啟下的作用。

與式（1）相比，式（2）多了一個BOC 副載波調制信號χ(t)，它通常是個周期函數，其周期記為sT。常見的副載波χ(t) 的函數表達式為：

式中，sgn()為符號函數，而fs為副載波頻率。其函數波形如圖2所示。

圖2 副載波χ(t) 的函數波形

從圖2及式（1）～式（2）可以看出，如果副載波函數χ(t) 等于1，那么此時的BOC 調制就退化成BPSK 調制。BPSK（1）和BOC（1，1）調制信號的歸一化功率譜密度如圖3所示，其中以虛線表示的是BPSK（1）調制信號的功率譜密度，以實線表示的是BOC（1，1）調制信號的功率譜密度，從圖3中可以清晰地看出一些現代化GNSS 新型信號之所以采用BOC 調制的基本出發點：BPSK 調制信號（比如傳統的GPS 信號）頻譜的主瓣位于中心零頻處，而BOC 調制信號頻譜的兩個主瓣則偏移至零頻的左右兩側，從而使得這兩類調制信號能有效地共享同一個衛星導航頻段而又互不干擾。并且BOC 調制信號頻譜以零頻為中心左右對稱，即在零頻任一側的頻譜已經包含了可用來測距和數據解調的所有信息。

圖3 BPSK（1）和BOC（1，1）調制信號的功率譜密度

單邊帶法就是只處理了BOC 調制信號的單側頻譜；雙邊帶法處理了零頻左右兩側的2 個主峰；本文提出的二階類BPSK 方法在濾出主峰的同時，還接收了第一副峰，提高了捕獲信噪比。

2 副載波相位消除法

副載波相位消除法是利用相關函數合成的操作來消除自相關函數的副峰。除了利用本地產生的BOC 信號與接收的BOC 信號進行相關運算外，還在本地產生另一組正交的Q路BOC 信號與接收BOC 信號做相關，最后將二者的結果進行后續處理。副載波相位消除法的實現框架如圖4所示。

從圖4可以看出，副載波相位消除法需要在匹配濾波的基礎上添加2 路Q路BOC 碼與接收信號做相關。對于BOC（m，n）信號而言，副載波相位消除法在相關前的帶寬為2（m+n）f0，因此數據速率至少為2（m+n）f0，數據計算量大，硬件實現復雜度高，不利于工程應用[4]。

圖4 副載波相位消除法的實現框圖

3 二階類BPSK 實現方法

如圖5所示，二階類BPSK 方法接收BOC 信號主瓣的同時，能夠接收兩個旁瓣，信噪比會有一定的提升。

圖5 二階類BPSK 方法實施捕獲的結構框圖

具體步驟如下：

（1）將接收到的BOC（m，n）中頻信號同時進行4 路帶通濾波，4 路帶通濾波器的中心頻點依次為+mf0、-mf0、+3mf0、-3mf0，帶通濾波器帶寬均2nf0。根據中心頻點和帶通濾波器帶寬用Matlab 設計出濾波器系數Ki1，Ki2，…Ki16，i=1，2，3，4，分別對應四路信號，其中m，n為BOC 調制系數，副載波頻率fs為f0的m倍，偽碼碼率rc為f0的n倍。

濾波后的信號firi（i=1，2，3，4，分別對應4路信號）可以用式（4）表示：

（2）分別產生四路本地載波信號，本地載波信號uo(t)的表達式為：

式中，f0和θ0分別為本地載波信號的頻率和初相。圖5中經過帶通濾波后的4 路信號中心頻率分別是+mf0、-mf0、+3mf0、-3mf0，因此本地載波信號的中心頻率也分別是+mf0、-mf0、+3mf0、-3mf0。

（3）濾波后信號與本地載波經過第k次混頻、相干積分清零后的同相相干積分值I(k)和正交相干積分值Q(k) 的表達式如下：

式中，Δfd=fi-fo為輸入信號與本地信號的多普勒頻差，Ts為采樣時間，N為積分清除點數，

式中，Δφ=φi-φo為輸入信號與本地信號的初相差，nI和nQ為帶內白噪聲。雖然BOC 調制信號中存在多個頻率的信號，但是所有信號的傳輸路徑完全相同，因此四路帶通信號去載波后的頻差和相位差是完全一致的。

（4）按本地碼生成公式產生本地偽碼。在BOC調制信號中，該碼應該選擇能量比重比較高的本地偽碼，以便于捕獲。

（5）將數據和碼分段相關求和，然后做FFT運算，找出其中的最大值和捕獲門限比較，得到捕獲結果。

經過上述5 個步驟，可以實現BOC 調制信號的快速捕獲。

4 仿真驗證

用Matlab 仿真產生BOC（1，1）信號，信噪比從-48 到-28 逐漸增加1，每產生一組信號數據，就依次用單邊帶法、雙邊帶法、副載波相位消除法和二階類BPSK 方法捕獲衛星，每種算法都用連續的數據捕獲100 次，將捕獲結果與理論多普勒和碼相位相比較，統計正確捕獲的次數，最后得到各個信噪比條件下，不同捕獲算法的捕獲概率。捕獲概率統計圖如圖6所示，縱坐標為捕獲概率，橫坐標為信噪比。

圖6 捕獲概率統計對比圖

由圖6可知，在相同信噪比條件下，二階類BPSK 算法的捕獲概率高于單/雙邊帶法和副載波相位消除法，可以實現BOC 調制信號的有效捕獲。

5 結束語

本文采用二階類BPSK 方法，有效消除了BOC調制信號的模糊度，使得接收機能夠準確捕獲衛星導航新體制信號。與合成函數法相比，本方法的特點是：BOC（m，n）信號在相關前基帶復信號的帶寬為2nf0，數據速率大幅度降低，數據計算量急劇減少；通過帶通濾波器將BOC 調制信號分離成多個邊帶信號，算法通用性強；濾出主峰的同時，該方法多接收了兩個第一副峰，使得信噪比可以提高，實現BOC 調制信號的高靈敏度捕獲。