CN102426371A - 一种采用fpga生成二进制偏移载波信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用FPGA生成二进制偏移载波信号的方法，包括子载波调制的步骤、载波调制的步骤和滤波步骤。其中，在子载波调制步骤中，根据伪码信号产生相位状态的读取地址，根据相位状态的读取地址查表获得相位信息，进而获得I、Q两路幅值信息。本发明给出了采用FPGA实现AltBOC信号的整个调制过程的方法。

Description

一种采用FPGA生成二进制偏移载波信号的方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种采用FPGA生成二进制偏移载波信号的方法。

背景技术

伽利略(Galileo)系统是欧盟研制的全球卫星导航系统，该系统是世界上第一个在公众控制下设计和运行的民用卫星导航系统。伽利略系统中广泛应用了BOC(Binary Offset Carrier)调制技术，该调制技术有利于降低信号间的互相干扰，改善定位性能。

AltBOC调制方法作为法空局为Galileo系统设计的导航信号，具有一般BOC信号的所有优点，如频谱分离、抗干扰能力强、测距精度高，同时又不像BOC信号一样两个主瓣传输相同的信息，可令一个主瓣边带传输一路信号，对频谱的利用率更高，其带来的缺点是带宽过宽，在实现和接收时受滤波器带宽的限制较大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种采用FPGA生成二进制偏移载波信号的方法。本发明给出了采用FPGA实现AltBOC信号的整个调制过程的方法。

本发明的技术解决方案是：

一种采用FPGA生成二进制偏移载波信号的方法，包括以下步骤：

子载波调制：

(1)确定相位状态地址：

读取预先生成的四路伪码信号，并将四路伪码信号作为相位状态的高4位地址；

根据当前的系统运行时间t和Galileo E5频段子载波周期TS，E5确定相位状态的低3位地址；

(2)根据步骤(1)中确定的相位状态地址对AltBOC相位状态查找表进行查找，获得四路伪码信号对应的相位信息；

(3)根据步骤(2)确定的相位信息确定I、Q两路幅值信息；

载波调制：

(4)对步骤(3)中的I、Q两路幅值信息进行载波调制和合路后，获得载波调制信号；

滤波：

(5)对载波调制信号进行滤波，生成二进制偏移载波信号。

所述相位状态的低3位地址i_Ts通过下式确定

$i_{T_S}=\mathrm{integer\; part}\left[\frac{8}{T_{S,E5}}\left(t\mathrm{mod}{T}_{S,E5}\right)\right],i_{\mathrm{Ts}}\∈\{\mathrm{0,1,2,3,4},\mathrm{5,6,7}\}$

其中，。

在步骤(2)中根据相位状态地址获得相位信息的步骤为：

(21)根据相位状态的高4位地址确定AltBOC相位状态查找表中相位状态的列号；

(22)根据步骤(21)确定的列号，通过相位状态的低3位地址确定相位状态的行号；读取相位状态n，n∈{1，2，3，4，5，6，7，8}；

(23)根据确定的相位状态n输出相位信息。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明建立了一种采用FPGA生成二进制偏移载波信号的方法，该方法在FPGA中完成AltBOC信号的调制过程，能够完全实现AltBOC的子载波调制、载波调制过程，并最终实现信号的物理输出。

(2)本发明通过子载波调制和载波调制实现了二进制偏移载波(AltBOC)信号的调制过程，在FPGA中通过查找表查找子载波相位，进行相位到幅度的转换后，查表进行载波调制，虽然经过两级查表，但是误差很小，可以忽略，最终可以得到高质量的AltBOC调制信号，且采用查表的方法，减少了运算量，调制过程的实现速度很快。

(3)本发明中通过FPGA中的IP核进行滤波器的生成并完成调制后的二进制偏移载波信号进行数字滤波。由于AltBOC调制信号是一种宽带信号，需要进行滤波处理，对生成信号进行整形，通过宽带带通滤波器的设计，实现了对AltBOC调制后信号的后续滤波处理，最终得到高质量的AltBOC信号。

附图说明

图1为AltBOC信号相位状态示意图；

图2为本发明流程图；

图3为子载波调制流程图；

图4为载波调制模块流程图；

图5为使用Matlab设计的滤波器频谱图；

图6为AltBOC信号滤波前后对比。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，先对AltBOC调制的一些基本算法进行一下解释说明。

AltBOC调制方式是将基带信号调制到方波子载波上。其中根据基带信号的不同可以将AltBOC调制分为一维信号的AltBOC调制和二维信号的AltBOC调制。

一维信号的AltBOC调制过程是将一路基带信号调制到方波子载波上。方波子载波信号表示为：

e_r＝c_r+js_r＝sign(cos(2πf_st))+jsign(sin(2πf_st))    (1)

其中，f_s为子载波频率。设一维信号为s(t)，则一维信号的AltBOC调制过程可以表示为：

x(t)＝s(t)(sign(cos(2πf_st))+jsign(sin(2πf_st)))    (2)

二维信号的AltBOC调制过程是将a，b两路二维信号分别调制到方波子载波上。两路二维信号表示为：

s_a(t)＝c_a(t)+jc_a′(t)，s_b(t)＝c_b(t)+jc_b′(t)    (3)

c_a(t)、c_a′(t)、c_b(t)、c_b′(t)分别表示a、b两路信号的实部和虚部。

则二维AltBOC调制表示为：

x(t)＝s_a(t)e_r ^*+s_b(t)e_r

＝(c_a(t)+jc_a′(t))·(c_r-js_r)+(c_b(t)+jc_b′(t))·(c_r+js_r)

＝[(c_a(t)+c_b(t))c_r+(c_a′(t)-c_b′(t))s_r]+j[(c_a′(t)+c_b′(t))c_r-(c_a(t)-c_b(t))s_r]  (4)

式中，(·)^*表示取共轭。因式中各分量取值均为±1。

两路二维AltBOC调制后信号的频谱虽分别偏移至上下两个边带，但合成信号的功率谱不再如多相位相移键控(MPSK)信号为恒包络，甚至在某些时刻还会出现零点。信号谱包络不恒定不利于信号发射时高频功率放大器工作于最佳状态，因此在Galileo信号体制中，AltBOC的信号采用了增添附加乘积项方法，以实现调制信号谱的恒包络特性。AltBOC信号最终可以写为：

$x\left(t\right)=\frac{1}{2\sqrt{2}}(e_{a-I}\left(t\right)+{\mathrm{je}}_{a-Q}\left(t\right))[{\mathrm{sc}}_S\left(t\right)-\mathrm{js}{c}_S(t-T_S/4)]+$

$=\frac{1}{2\sqrt{2}}(e_{b-I}\left(t\right)+{\mathrm{je}}_{b-Q}\left(t\right))[{\mathrm{sc}}_S\left(t\right)+\mathrm{js}{c}_S(t-T_S/4)]+$

$\frac{1}{2\sqrt{2}}({\stackrel{\‾}{e}}_{a-I}\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{\mathrm{je}}}_{a-Q}\left(t\right))[s{c}_P\left(t\right)-j{\mathrm{sc}}_P(t-T_S/4)]+---\left(5\right)$

$\frac{1}{2\sqrt{2}}({\stackrel{\‾}{e}}_{b-I}\left(t\right)+{\stackrel{\‾}{\mathrm{je}}}_{b-Q}\left(t\right))[s{c}_P\left(t\right)+j{\mathrm{sc}}_P(t-T_S/4)]$

e_{a_I}、e_{a_Q}、e_{b_I}、e_{b_Q}是四路伪码信息，T_S表示子载波周期。

第三、四项为互调乘积项，其中

${\stackrel{\‾}{e}}_{a-I}=e_{a-Q}{e}_{b-I}{e}_{b-Q}$

${\stackrel{\‾}{e}}_{b-I}=e_{b-Q}{e}_{a-I}{e}_{a-Q}$

${\stackrel{\‾}{e}}_{a-Q}=e_{a-I}{e}_{b-I}{e}_{b-Q}$

${\stackrel{\‾}{e}}_{b-Q}=e_{b-I}{e}_{a-I}{e}_{a-Q}---\left(6\right)$

sc_S(t)和sc_P(t)是AltBOC调制的子载波信号，表示为，

$s{c}_S\left(t\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}A{S}_{{\left|i\right|}_8}{\mathrm{rect}}_{T_S/8}(t-i{T}_S/8)$

$s{c}_P\left(t\right)=\underset{i=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}A{P}_{{\left|i\right|}_8}{\mathrm{rect}}_{T_S/8}(t-i{T}_S/8)---\left(7\right)$

sc_S(t)和sc_P(t)在一个周期内有8个取值，详见表1：

表1sc_S(t)、sc_P(t)在一个周期内的取值

等效地，AltBOC基带信号s(t)可以表示成一种8PSK信号，如公式(8)所示，其相位状态如图1所示。

$x\left(t\right)=\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{4}k\left(t\right)\right),k\left(t\right)\∈\left\{\mathrm{1,2,3,4,5,6,7,8}\right\}---\left(8\right)$

AltBOC(m，n)是一种修正BOC调制方式。其中m表示该调制方式的子载波频率f_s＝m×f₀，n表示该调制方式的扩频码码率f_c＝n×f₀，式中f₀＝1.023MHz。

下面以Galileo E5频段信号AltBOC(15，10)为例进一步说明本发明的具体实现过程。

图2是AltBOC调制信号生成方法的系统结构框图。包括子载波调制模块、载波调制模块和滤波模块。将预先生成好并存储于ROM中的四路伪码信号e_{E5a_I}、e_{E5a_Q}、e_{E5b_I}、e_{E5b_Q}送入子载波调制模块，通过时间信息和伪码信号生成查找表地址，根据地址查找ROM存储表并将输出的数据进行相位到幅值的转换得到两路子载波调制信号S_{sub_I}和S_{sub_Q}；两路子载波调制信号送入载波调制模块中，分别与载波的正余弦分量按照公式(9)相乘，得到的两路调制信号进行合路得到信号S_a+b(t)；由于S_a+b(t)带外信号需要进行滤除，且带宽很宽，通过滤波模块FIR宽带滤波器的处理，最终能够得到AltBOC(15，10)调制信号S_E5(t)。

S_a+b(t)＝S_{sub_I}(t)×cos(2πf_c(t)/f_s)+S_{sub_Q}(t)×sin(2πf_c(t)/f_s)  (9)

子载波调制步骤

子载波调制是实现AltBOC调制过程的重要步骤，如图3所示为本发明子载波调制流程图，包括地址生成、查找相位表和幅值转换。

地址生成步骤负责生成相位查找表的地址，外部输入的四路伪码信息e_{E5a_I}、e_{E5a_Q}、e_{E5b_I}、e_{E5b_Q}填充地址的高4位，低3位由i_Ts决定，其中i_Ts是根据系统运行时间t得到的，公式(10)给出了一个实际子载波周期所对应

的值，它的取值变化范围是从0到7的整数。

$i_{T_S}=\mathrm{integer\; part}\left[\frac{8}{T_{S,E5}}\left(t\mathrm{mod}{T}_{S,E5}\right)\right],i_{\mathrm{Ts}}\∈\{\mathrm{0,1,2,3,4},\mathrm{5,6,7}\}---\left(10\right)$

其中，T_S，E5表示Galileo E5频段子载波周期。

根据生成的相位状态地址对相位查找表进行相位查找。根据输入的e_{E5a_I}、e_{E5a_Q}、e_{E5b_I}、e_{E5b_Q}、i_Ts按照下表进行查找，即可得到图1中所示的相位k(t)值。表2中的k(t)值是预先存储在FPGA自带的ROM中的。

表2AltBOC相位状态查找表(Look-up Table for AltBOC Phase States)

查找相位表得到的相位信息送入幅值转换步骤，将相位信息转换成I、Q两路幅值信息，即两路子载波调制信号S_{sub_I}和S_{sub_Q}，具体的相位和幅值信息的转化对应关系详见表3。

表3相位和幅值信息对应关系

在子载波调制过程中，地址的生成、相位的查找以及幅值的转换时钟都是由时钟模块提供的，由于e_{E5a_I}、e_{E5a_Q}、e_{E5b_I}、e_{E5b_Q}和k(t)都是依赖于时间的，因此这个时钟的生成十分重要，它决定了整个调制过程的准确性。子载波调制过程是一个8-PSK言号调制，这个时钟是子载波频率的8倍，按照AltBOC(15，10)，即15.345MHz×8＝122.76MHz。整个FPGA的系统时钟是163.68MHz，要得到122.76MHz，需要将系统时钟4分频后再3倍频得到，这个时钟转换过程是通过设定FPGA中自带的Clocking wizard IP核实现的。

子载波调制模块实现了子载波调制的相位查表过程，由于相位状态是表2给出的整数形式的，因此子载波调制过程是无误差的查表，因此在子载波调制阶段，调制过程不存在误差。

载波调制步骤

图4是载波调制模块的流程图。载波相位控制字作为正余弦查找表的地址输入，能够查找出某一时刻的载波正弦和余弦值，分别与来自子载波调制模块的两路子载波调制信号S_{sub_I}和S_{sub_Q}按照式9进行相乘，完成载波调制过程，得到I/Q两路载波调制信号，最后将I/Q两路载波调制信号合路，最终得到载波调制信号S_a+b(t)。

其中，所述的载波相位控制字由外部程序输入，载波相位作为正余弦查找表的地址输入，最终能够查表输出数字载波。

查找表中的正余弦值是预先存储在FPGA的ROM中。

载波调制模块通过查表的方式实现了二进制偏移载波信号的载波调制过程，虽然是经过了查表的方法实现的，但是误差很小，可以忽略不计。

滤波步骤

根据AltBOC(15，10)信号的特点，带宽达到51.15MHz，要对于如此的宽带信号进行滤波，滤波器的设计非常重要，本设计中首先使用Matlab仿真出FIR滤波器的系数，然后使用FPGA中自带的Distributed Arithmetic FIR Filter IP核进行滤波器的生成，最终完成滤波器的设计。

在Matlab中使用fdesign.bandpass函数进行滤波器设计，设计好的滤波器频谱图如图5所示，同时将生成好的滤波器系数保存到文件中，用于FPGA IP核滤波系数的调用。最终设计的滤波器采用FIR滤波器，阶数为33，带通频率为0.3975和0.6025，阻带衰减不小于60dB，通带衰减不大于3dB。

图6中，6(a)图为使用Matlab仿真出来的AltBOC(15，10)功率谱密度图，6(b)图是通过所设计的FIR滤波器后，得到的滤波后的AltBOC(15，10)功率谱密度图。可见，通过所设计的滤波器后，有效地滤除了带外信号，得到了高质量的AltBOC(15，10)调制信号。

经过上面所述的子载波调制、载波调制和滤波三个步骤之后，即可得到AltBOC调制信号。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种采用FPGA生成二进制偏移载波信号的方法，其特征在于包括以下步骤：

子载波调制：

(1)确定相位状态地址：

读取预先生成的四路伪码信号，并将四路伪码信号作为相位状态的高4位地址；

根据当前的系统运行时间t和Galileo E5频段子载波周期T_S，E5确定相位状态的低3位地址；

(2)根据步骤(1)中确定的相位状态地址对AltBOC相位状态查找表进行查找，获得四路伪码信号对应的相位信息；

(3)根据步骤(2)确定的相位信息确定I、Q两路幅值信息；

载波调制：

(4)对步骤(3)中的I、Q两路幅值信息进行载波调制和合路后，获得载波调制信号；

滤波：

(5)对载波调制信号进行滤波，生成二进制偏移载波信号。

2.根据权利要求1所述的一种采用FPGA生成二进制偏移载波信号的方法，其特征在于：所述相位状态的低3位地址i_Ts通过下式确定

$i_{T_S}=\mathrm{integer\; part}\left[\frac{8}{T_{S,E5}}\left(t\mathrm{mod}{T}_{S,E5}\right)\right],i_{\mathrm{Ts}}\∈\{\mathrm{0,1,2,3,4},\mathrm{5,6,7}\}$

其中，in teger part[·]表示取整，mod为取模余。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用FPGA生成二进制偏移载波信号的方法，其特征在于：在步骤(2)中根据相位状态地址获得相位信息的步骤为：

(21)根据相位状态的高4位地址确定AltBOC相位状态查找表中相位状

(22)根据步骤(21)确定的列号，通过相位状态的低3位地址确定相位状态的行号；读取相位状态n，n∈{1，2，3，4，5，6，7，8}；

(23)根据确定的相位状态n输出相位信息。

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