CN104022988A - 一种基于msk-boc的时分复用二进制偏移载波调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MSK-BOC的时分复用二进制偏移载波调制方法，其特征在于：在数据通道采用BOC(1,1)调制，在导频通道使用BOC(1,1)和MSK-BOC(6,1)混合调制，其中，数据通道占信号总功率的25％，导频通道占信号总功率的75％。

Description

一种基于MSK-BOC的时分复用二进制偏移载波调制方法

技术领域

本发明涉及一种基于MSK-BOC的时分复用二进制偏移载波调制方法。

背景技术

为了使多种信号可以更好地共享全球导航卫星系统(Global NavigationSatellite System,GNSS)的有限频段，同时进一步提高信号的测距精度及抗干扰性能，新的信号调制方式不断呈现。二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)是一种能够满足上述要求的新型调制方式，其实现方法详见文献Betz.J,“TheOffset Carrier Modulation for GPS Modernization,”ION NTM,San Diego,CA,January25-27,1999。

Betz.J在文献“Binary Offset Carrier Modulations for Radionavigation,”Navigation:Journal of the Institute of Navigation,vol.48,No.4,Winter2001-2002.中指出，在同一波段、占用相同带宽以及对信号发射器和接收机做同样简单设计的条件下，BOC调制信号的性能比BPSK调制信号更优越。

BOC调制有两个参数：副载波频率f_s和扩频码速率f_c，将f_s和f_c用1.023MHz进行归一化，即m＝f_s/1.023MHz，n＝f_c/1.023MHz，此时BOC调制信号可记为BOC(m,n)，通常m≥n。

在BOC调制的基础上，2006年美国与欧盟共同提出了一种新的调制方式，即复用二进制偏移载波(Multiplexed Binary Offset Carrier,MBOC)调制。MBOC调制的实现方式可以分为时分复用二进制偏移载波(Time-Multiplexed BinaryOffset Carrier,TMBOC)调制和合成二进制偏移载波(Composite Binary OffsetCarrier,CBOC)调制，GPS-L1C信号采用TMBOC调制，Galileo-E1OS信号采用CBOC调制。

严格说来，MBOC调制并不是一种具体的调制方式，而是一个比较宽泛的概念，用于约束各导航系统信号的频谱形状。因此，对于MBOC调制的定义仅限制了信号的功率谱形状。通常MBOC信号可以记作MBOC(m,n,r)，其中m和n的定义与BOC调制相同，r为比例系数(r≥0)，其归一化的功率谱密度(Power Spectral Density,PSD)函数S_MBOC(f)在未经限带滤波时可以表示为：

S_MBOC(f)＝(1-r)S_BOC(n,n)(f)+rS_BOC(m,n)(f)

发明内容

本发明目的在于提供一种基于MSK-BOC的时分复用二进制偏移载波调制方法，能够有效提高TMBOC调制信号的导航性能。

实现本发明目的技术方案：

一种基于MSK-BOC的时分复用二进制偏移载波调制方法，其特征在于:在数据通道采用BOC(1,1)调制，在导频通道使用BOC(1,1)和MSK-BOC(6,1)混合调制，其中，数据通道占信号总功率的25％，导频通道占信号总功率的75％。

在导频通道中，BOC(1,1)调制和MSK-BOC(6,1)调制分别占导频通道总功率的4/33和29/33；在数据通道中，数据信号全部采用BOC(1,1)调制。

载波信号功率谱密度 $S_{\mathrm{TMBOC}}\left(f\right)=\frac{10}{11}{S}_{\mathrm{BOC}\left(\mathrm{1,1}\right)}\left(f\right)+\frac{1}{11}{S}_{\mathrm{MSK}-\mathrm{BOC}\left(\mathrm{6,1}\right)}\left(f\right),$ 式中，S_BOC(1,1)为二进制偏移载波信号功率谱密度，其中副载波频率为1.023MHz，扩频码速率为1.023MHz；S_MSK-BOC(6,1)(f)为最小频移键控-二进制偏移载波信号功率谱密度，其中副载波频率为6×1.023MHz，扩频码速率为1.023MHz。

本发明具有的有益效果：

本发明提出的TMBOC调制方法较传统的TMBOC调制方法具有幅度更低的功率谱旁瓣，抑制带外辐射效果好，对同频段的其它信号干扰小，兼容性高。

在典型的信号接收机前端带宽条件下，本发明的Gabor带宽明显大于传统TMBOC调制方法的Gabor带宽，在码跟踪性能上具有优势。在抗多径能力上，本发明明显强于传统的TMBOC调制方法。

附图说明

图1为本发明的组成和各部分的功率分配；

图2为MSK-BOC调制的实现框图；

图3为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的功率谱密度；

图4为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的Gabor带宽；

图5为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的多径误差；

图6为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的码跟踪误差；

图7为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的抗干扰性能。

具体实施方式

如图1所示，本发明在数据通道使用BOC(1,1)调制，在导频通道使用BOC(1,1)和MSK-BOC(6,1)混合调制，数据通道占信号总功率的25％，导频通道占信号总功率的75％，即

P_TMBOC(f)＝0.25P_Data(f)+0.75P_Pilot(f)

式中，P_TMBOC(f)为本发明的时分复用二进制偏移载波信号功率；P_Data(f)为数据信号功率；P_Pilot(f)为导频信号功率。

在导频通道中，BOC(1,1)调制和MSK-BOC(6,1)调制分别占导频通道总功率的4/33和29/33，即

$P_{\mathrm{Pilot}}\left(f\right)=\frac{29}{33}{P}_{\mathrm{BOC}\left(\mathrm{1,1}\right)}\left(f\right)+\frac{4}{33}{P}_{\mathrm{MSK}-\mathrm{BOC}\left(\mathrm{6,1}\right)}\left(f\right)$

式中，P_BOC(1,1)(f)为二进制偏移载波信号功率，其中副载波频率为1.023MHz，扩频码速率为1.023MHz；P_MSK-BOC(6,1)(f)为最小频移键控-二进制偏移载波信号功率，其中副载波频率为6×1.023MHz，扩频码速率为1.023MHz。

在数据通道中，数据信号全部采用BOC(1,1)调制，即

P_Data(f)＝P_BOC(1,1)(f)

导频和数据两个通道信号叠加后得TMBOC调制的功率谱密度，即

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{TMBOC}}\left(f\right)={0.25S}_{\mathrm{Data}}\left(f\right)+0.75S_{\mathrm{Pilot}}\left(f\right)\\ =\frac{10}{11}{S}_{\mathrm{BOC}\left(\mathrm{1,1}\right)}\left(f\right)+\frac{1}{11}{S}_{\mathrm{MSK}-\mathrm{BOC}\left(\mathrm{6,1}\right)}\left(f\right)\end{array}$

式中，S_TMBOC(f)为本发明中的时分复用二进制偏移载波信号功率谱密度；S_Data(f)为数据信号功率谱密度；S_Pilot(f)为导频信号功率谱密度；S_BOC(1,1)为二进制偏移载波信号功率谱密度，其中副载波频率为1.023MHz，扩频码速率为1.023MHz；S_MSK-BOC(6,1)(f)为最小频移键控-二进制偏移载波信号功率谱密度，其中副载波频率为6×1.023MHz，扩频码速率为1.023MHz。

如图2所示，MSK-BOC调制的实现框图由串并变换器，伪随机序列发生器，乘法器、延时器、加法器构成。该图中各个符号定义如下：

a_k：同相支路扩频码序列；

b_i：正交支路扩频码序列；

f_L：载波频率；

T_s：亚载波的半周期；

T_c：同相或正交支路的扩频码周期；

d(t)：经过差分编码后的数据信号；

d_k(t)：同相支路数据信号；

d_l(t)：正交支路数据信号；

MSK-BOC调制的实现过程是：信号d(t)经过串并变换器产生同相支路数据信号d_k(t)和正交支路数据信号d_l(t)，两路信号与伪随机序列相乘分别得到同相支路扩频码序列a_k和正交支路扩频码序列b_i，然后a_k与延迟半个码片周期的b_i先经过方波子载波调制，再由MSK调至载频。MSK-BOC调制信号表示为：

$\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{MSK}-\mathrm{BOC}}\left(t\right)[d_k\left(t\right)\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k\mathrm{rect}(t-i{T}_c)\×w\left(t\right)]\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{L}t\right)+\\ [d_l\left(t\right)\underset{j=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{b}_j\mathrm{rect}(t-j{T}_c-T_s/2)\×q\left(t\right)]\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{L}t\right)\end{array}---\left(7\right)$

其中， $w\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left[\frac{\mathrm{\π}(t-l{T}_s)}{T_s}\right]\mathrm{sign}\left(\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right),$

$q\left(t\right)=\underset{h=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left[\frac{\mathrm{\π}(t-h{T}_s-T_s/2)}{T_s}\right]\mathrm{sign}\left(\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right).$

图3为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的功率谱密度。从图3可以看出，两种调制信号的功率谱密度曲线几乎相同，但本发明在±20MHz，±30MHz等频点处具有较低幅度的功率谱密度值，左右的旁瓣有更小的幅度值，抑制带外辐射效果好，对同频段的其它信号干扰小，兼容性高。

图4为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的Gabor带宽。从图4可以看出，当前端带宽为0-12MHz时，两种调制信号的Gabor带宽几乎相同；当前端带宽在12-36MHz范围内，本发明所提的TMBOC的Gabor带宽明显大于传统的TMBOC；当前端带宽大于36MHz后，本发明所提的TMBOC的Gabor带宽小于传统的TMBOC。目前，24.552MHz是典型的接收机前端带宽，综合考虑，本发明所提的TMBOC在码跟踪性能上具有较为明显的优势。

图5为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的多径误差。仿真中，选取相关间隔为0.6chip，前段带宽为30.69MHz，多径信号与直达信号的幅度比MDR为-6dB。从图5可以看出，本发明所提的TMBOC调制相对于传统的TMBOC调制具有较小的多径误差幅度，而且随着多径信号相对直达信号的额外时延的增加，前者的多径误差曲线具有较快的衰减速度，能够很快的进行收敛，表明本发明所提的TMBOC调制较传统的TMBOC调制具有很强的抗多径能力。

图6为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的码跟踪误差。仿真中，环路带宽B_L＝1Hz，前端带宽取30.69MHz，相关器间隔取0.1chip。从图6可以看出，随着载噪比的增加，本发明所提的TMBOC调制码跟踪误差幅度始终低于传统的TMBOC调制，其在码跟踪精度方面具有一定的优势。

图7为本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的抗干扰性能，其中干扰分为码跟踪抗窄带干扰、码跟踪抗匹配谱干扰、解调抗窄带干扰、解调抗匹配谱干扰等。导航信号的抗干扰能力用抗干扰品质因数定量表示，品质因数越大，表明该环节对相应干扰的抑制能力越强。仿真中，信息速率R_d＝50符号/秒，前端接收带宽为24.552MHz，两种调制信号分别对上述四种抗干扰评估参数仿真，仿真结果如表1所示。

表1本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC抗干扰评估参数

通过上述分析得知，本发明所提的TMBOC和传统的TMBOC的抗干扰能力几乎相同，为替代传统的TMBOC调制创造了条件。

Claims (3)

1.一种基于MSK-BOC的时分复用二进制偏移载波调制方法，其特征在于:在数据通道采用BOC(1,1)调制，在导频通道使用BOC(1,1)和MSK-BOC(6,1)混合调制，其中，数据通道占信号总功率的25％，导频通道占信号总功率的75％。

2.根据权利要求1所述的基于MSK-BOC的时分复用二进制偏移载波调制方法，其特征在于：在导频通道中，BOC(1,1)调制和MSK-BOC(6,1)调制分别占导频通道总功率的4/33和29/33；在数据通道中，数据信号全部采用BOC(1,1)调制。

3.根据权利要求2所述的基于MSK-BOC的时分复用二进制偏移载波调制方法，其特征在于：载波信号功率谱密度 $S_{\mathrm{TMBOC}}\left(f\right)=\frac{10}{11}{S}_{\mathrm{BOC}\left(\mathrm{1,1}\right)}\left(f\right)+\frac{1}{11}{S}_{\mathrm{MSK}-\mathrm{BOC}\left(\mathrm{6,1}\right)}\left(f\right),$ 式中，S_BOC(1,1)为二进制偏移载波信号功率谱密度，其中副载波频率为1.023MHz，扩频码速率为1.023MHz；S_MSK-BOC(6,1)(f)为最小频移键控-二进制偏移载波信号功率谱密度，其中副载波频率为6×1.023MHz，扩频码速率为1.023MHz。