CN105119868B - 一种基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提出一种基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制方法，其实现过程如下：首先确定扩频码频率fc、子载波频率fsc、正弦或余弦型子载波调制方式以及正弦脉冲波形可变参数ρ，并构造出一个扩频码片间隔内正弦或余弦相位子载波调制波形。然后利用伪随机序列对导航信号进行扩频，再进行子载波调制，最终将所得信号进行正交支路的载波调制。本方法产生的信号可以灵活调节信号功率谱的主瓣及旁瓣的分裂程度，使得导航信号具有良好的码跟踪性能、抗干扰和抗多径能力、与其它系统信号兼容能力。

Description

一种基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制方法
技术领域：
本发明涉及一种卫星导航系统信号的实现方法，具体涉及一种基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制方法。
背景技术
导航调制信号波形是导航信号体制设计中的关键环节，信号波形通过影响导航信号的自相关函数和功率谱，进而影响导航系统的性能。为了使多种信号可以更好地共享全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite 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(BinaryOffset Carrier,BOC(n,m))是一种能够满足上述要求的新型调制方式，其中扩频码频率为m×1.023MHz，子载波频率为n×1.023MHz，其实现方法详见文献Betz.J,“The OffsetCarrier Modulation for GPS Modernization,”ION NTM,San Diego,CA,January 25-27,1999.
Betz.J在文献“Binary Offset Carrier Modulations for Radionavigation,”Navigation:Journal of the Institute of Navigation,vol.48,No.4,Winter 2001-2002.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调制目前已经广泛应用于GPS、Galileo和Compass等全球卫星导航系统中。
随着卫星导航信号数量的不断增加，频谱资源紧张，由于BOC调制方法会带来带外大幅度旁瓣使功放效率降低，且信号的码跟踪性能、抗多径和抗干扰能力仍不够理想，因此，在有限带宽下提高信号性能以及减小相邻信号间的干扰成为目前的研究重点。在现有技术中，文献"On optimized signal waveforms for GNSS,”PhD Thesis,2008,University FAF Munich.提出一种基于正弦脉冲的偏移载波的调制方法(SinusoidalBinary Offset Carrier,SBOC(n,m))，该调制方法具有良好的码跟踪性能、抗干扰和抗多径能力，并且该导航信号具有恒包络从而使得高功放能工作在饱和或近饱和状态来提高功放的效率。但文章中提出的调制方法，要求调制波形码片的持续时间必须是相等的，只能通过选择扩频码的频率和子载波频率来调整两个主瓣的距离，这极大的限制了信号波形设计的灵活度。为此，本发明提出一种基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制方法(Adjustable Width Sinusoidal Binary Offset Carrier,AWSBOC(n,m,ρ))，该方法不但为导航信号的设计提供了更多的选择，同时也进一步提高了导航信号的码跟踪性能、抗多径以及兼容性的能力，为我国未来Compass卫星导航系统的信号波形设计提供了一个新的选择。
发明内容：
本发明的目的在于提出一种使导航信号具有良好的码跟踪性能、抗干扰、抗多径和与其它系统信号兼容的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)首先确定扩频码周期Tc，子载波周期Tsc，正弦或余弦型子载波调制方式，以及正弦脉冲波形可变参数ρ；
(2)根据扩频码周期Tc和子载波周期Tsc，确定一个扩频码片中整周期子载波个数N，其中N＝Tc/Tsc；
(3)根据扩频码周期Tc，正弦脉冲波形可变参数ρ以及一个扩频码片中整周期子载波个数N，构造出一个扩频码片间隔内正弦或余弦相位子载波调制波形，具体表示为：
正弦相位子载波调制波形XS-sub(t,ρ)为：
余弦相位子载波调制波形XC-sub(t,ρ)为：
其中Pτ[t]是时间宽度为τ的正弦脉冲波形，即
(4)根据确定的扩频码周期Tc，利用伪随机序列对导航信号进行扩频，然后将得到的扩频信号与步骤(3)所确定的正弦或余弦相位子载波调制波形进行时域相乘，得到所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦或余弦型基带调制信号，具体表示为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦型基带调制信号SAWSBOCs(n,m,ρ)(t)为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波余弦型基带调制信号SAWSBOCc(n,m,ρ)(t)为：
其中d(t)为导航信号数据通道信息；al是伪随机扩频序列的第l个扩频码；L为伪 随机序列的码片长度；rect(t)是矩形门函数，即 或 或
(5)将步骤(4)得到的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦或余弦型基带调制信号进行正交支路的载波调制，得到所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲正弦或余弦相位偏移载波调制信号，具体表示为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲正弦相位偏移载波调制信号MAWSBOCs(n,m,ρ)(t)为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲余弦相位偏移载波调制信号MAWSBOCc(n,m,ρ)(t)为：
其中d(t)为导航信号数据通道信息；p(t)为导频通道信息，取值为全+1或-1；al是同相支路伪随机扩频序列的第l个扩频码；bk是正交支路伪随机扩频序列的第k个扩频码；fcar是载波频率；
(6)将步骤(5)中得到的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制信号进行导航信号的性能评估，若信号的码跟踪精度、抗多径和兼容性不满足所设计的导航系统性能需求及约束条件，则返回步骤(1)，重新确定扩频码频率fc或扩频码周期Tc，子载波频率fsc或子载波周期Tsc，正弦或余弦型子载波调制方式，以及正弦脉冲波形可变参数ρ。
本发明还可以包括：
所述的扩频码频率fc和子载波频率fsc的取值为1.023MHz的整数倍。
所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦或余弦型基带调制信号的功率谱密度分别为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦型基带调制信号功率谱密度GAWSBOCs(n,m,ρ)(f)为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波余弦型基带调制信号功率谱密度GAWSBOCc(n,m,ρ)(f)为：
本发明的有益效果在于：
(1)信号设计的灵活性高：本发明调制信号能灵活调整正弦脉冲码片所占的时间，为导航信号的设计提供了更多的选择，并通过所选适当的参数，可以灵活调节信号功率谱的主瓣及旁瓣的分裂程度。
(2)跟踪精度高：在接收机带宽内，本发明调制信号的功率谱具有分裂能力且幅值较大，在带宽受限的条件下，具有更高的Gabor带宽与较低的码跟踪误差。
(3)抗多径能力强：本发明调制信号具有恒包络特性，特别适合于采用高效非线性放大器的功率和带宽均受限的卫星导航服务，其多径误差包络衰减的更快且幅度更低。
附图说明
图1是AWSBOC信号调制模型；
图2是AWSBOC信号的实现方法流程图；
图3是AWSBOC信号子载波调制波形；
图4是传统的BOC，SBOC以及AWSBOC实施例信号的功率谱密度；
图5是传统的BOC，SBOC以及AWSBOC实施例信号的码跟踪精度；
图6是传统的BOC，SBOC以及AWSBOC实施例信号的多径误差包络；
图7是传统的BOC，SBOC以及AWSBOC实施例信号的平均多径误差。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1，图2和图3分别为本发明所提的AWSBOC信号调制模型,实现方法流程图以及子载波调制波形，其中图1中的各符号的定义如下：
d(t)：导航信号数据通道信息；
p(t)：导频通道信息；
al：同相支路的伪随机扩频码序列；
bl：正交支路的伪随机扩频码序列；
rec(t)：矩形门函数；
XS-sub(t,ρ)：所述的正弦相位子载波调制波形；
XC-sub(t,ρ)：所述的余弦相位子载波调制波形；
MAWSBOC(t,ρ)：所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制信号；
fc：扩频码频率；
fcar：载波频率；
fsc：子载波频率；
结合图1，图2和图3，本发明实现方法如下：
(1)首先确定扩频码频率fc或扩频码周期Tc(频率和周期互为倒数可任意确定其中一个参数)，子载波频率fsc或子载波周期Tsc，正弦或余弦型子载波调制方式，以及正弦脉冲波形可变参数ρ；
(2)根据扩频码频率fc或扩频码周期Tc和子载波频率fsc或子载波周期Tsc，确定一个扩频码片中整周期子载波个数N，其中N＝Tc/Tsc或N＝fsc/fc；
(3)根据扩频码频率fc或扩频码周期Tc，正弦脉冲波形可变参数ρ以及一个扩频码片中整周期子载波个数N，构造出一个扩频码片间隔内正弦或余弦相位子载波调制波形，具体表示为：
正弦相位子载波调制波形XS-sub(t,ρ)为：
余弦相位子载波调制波形XC-sub(t,ρ)为：
其中Pτ[t]是时间宽度为τ的正弦脉冲波形，即
(4)根据确定的扩频码频率fc或扩频码周期Tc，利用伪随机序列对导航信号进行扩频，然后将得到的扩频信号与步骤(3)所确定的正弦或余弦相位子载波调制波形进行时域相乘，得到所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦或余弦型基带调制信号，具体表示为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦型基带调制信号SAWSBOCs(n,m,ρ)(t)为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波余弦型基带调制信号SAWSBOCc(n,m,ρ)(t)为：
其中d(t)为导航信号数据通道信息；al是伪随机扩频序列的第l个扩频码；L为伪 随机序列的码片长度；rect(t)是矩形门函数，即 或 或
(5)将步骤(4)得到的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦或余弦型基带调制信号进行正交支路的载波调制，得到所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲正弦或余弦相位偏移载波调制信号，具体表示为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲正弦相位偏移载波调制信号MAWSBOCs(n,m,ρ)(t)为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲余弦相位偏移载波调制信号MAWSBOCc(n,m,ρ)(t)为：
其中d(t)为导航信号数据通道信息；p(t)为导频通道信息，取值为全+1或-1；al是同相支路伪随机扩频序列的第l个扩频码；bk是正交支路伪随机扩频序列的第k个扩频码；fcar是载波频率；
(6)将步骤(5)中得到的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制信号进行导航信号的性能评估，若信号的码跟踪精度、抗多径和兼容性不满足所设计的导航系统性能需求及约束条件，则返回步骤(1)，重新确定扩频码频率fc或扩频码周期Tc，子载波频率fsc或子载波周期Tsc，正弦或余弦型子载波调制方式，以及正弦脉冲波形可变参数ρ。
本发明所述的扩频码频率fc和子载波频率fsc的取值为1.023MHz的整数倍。
本发明所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦或余弦型基带调制信号的功率谱密度分别为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦型基带调制信号功率谱密度GAWSBOCs(n,m,ρ)(f)为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波余弦型基带调制信号功率谱密度GAWSBOCc(n,m,ρ)(f)为：
结合图4。AWSBOCs(5,2.5,0.6)具有与SBOCs(5,2.5)相当的功率谱旁瓣衰减速度，且明显优于BOCs(5,2.5)信号，表现出较高的频谱效能。同时AWSBOCs(5,2.5,0.6)在±10MHz附近，较传统的SBOCs(5,2.5)信号具有更多的高频分量，因此对于传统的24MHz民用接收机而言，能够表现出更好的导航性能。
结合图5。其中环路带宽BL＝1Hz，前端带宽为24MHz。由图5可知，随着载噪比的增加，AWSBOCs(5,2.5,0.6)信号跟踪误差曲线始终低于BOCs(5,2.5)和SBOCs(5,2.5)，具有更高的码跟踪精度。
结合图6和图7。仿真中，选取相关间隔为0.1chip，接收机带宽为24MHz，多径信号与直达信号的幅度比MDR为-6dB。从图6可以看出，本发明所提的AWSBOCs(5,2.5,0.6)信号相对于BOCs(5,2.5)和SBOCs(5,2.5,0.6)信号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，AWSBOCs(5,2.5,0.6)信号的多径误差曲线具有较快的衰减速度，能够更快的进行收敛，同时图7表明AWSBOCs(5,2.5,0.6)信号的最大平均多径误差幅度低于BOCs(5,2.5)和SBOCs(5,2.5,0.6)信号，因此，本发明所提的AWSBOCs(5,2.5,0.6)信号实施例较其它传统信号具有很强的抗多径能力。
综上所述，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，本发明所提的一种基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制方法，它可以灵活调整正弦脉冲码片所占的时间，为导航信号的设计提供了更多的选择，使导航信号具有更好的码跟踪性能、抗干扰、抗多径以及与其它系统信号的兼容能力，并有效抑制功率谱大幅度的旁瓣并提高导航信号的频率效能。

Claims (2)

1.一种基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)首先确定扩频码周期Tc，子载波周期Tsc，正弦或余弦型子载波调制方式，以及正弦脉冲波形可变参数ρ；
(2)根据扩频码周期Tc和子载波周期Tsc，确定一个扩频码片中整周期子载波个数N，其中N＝Tc/Tsc；
(3)根据扩频码周期Tc，正弦脉冲波形可变参数ρ以及一个扩频码片中整周期子载波个数N，构造出一个扩频码片间隔内正弦或余弦相位子载波调制波形，具体表示为：
正弦相位子载波调制波形XS-sub(t,ρ)为：
余弦相位子载波调制波形XC-sub(t,ρ)为：
其中Pτ[t]是时间宽度为τ的正弦脉冲波形，即
(4)根据确定的扩频码周期Tc，利用伪随机扩频序列对导航信号进行扩频，然后将得到的扩频信号与步骤(3)所确定的正弦或余弦相位子载波调制波形进行时域相乘，得到基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦或余弦型基带调制信号，具体表示为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦型基带调制信号SAWSBOCs(n,m,ρ)(t)为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波余弦型基带调制信号SAWSBOCc(n,m,ρ)(t)为：
其中d(t)为导航信号数据通道信息；al是伪随机扩频序列的第l个扩频码；L为伪随机扩频序列的码片长度；rect(t)是矩形门函数，即 或或
(5)将步骤(4)得到的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦或余弦型基带调制信号进行正交支路的载波调制，得到基于时间宽度可调的正弦脉冲正弦或余弦相位偏移载波调制信号，具体表示为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲正弦相位偏移载波调制信号MAWSBOCs(n,m,ρ)(t)为：
基于时间宽度可调的正弦脉冲余弦相位偏移载波调制信号MAWSBOCc(n,m,ρ)(t)为：
其中d(t)为导航信号数据通道信息；p(t)为导频通道信息，取值为全+1或-1；al是同相支路伪随机扩频序列的第l个扩频码；bk是正交支路伪随机扩频序列的第k个扩频码；fcar是载波频率；
(6)将步骤(5)中得到的基于时间宽度可调的正弦脉冲正弦相位偏移载波调制信号和基于时间宽度可调的正弦脉冲余弦相位偏移载波调制信号进行导航信号的性能评估，若信号的码跟踪精度、抗多径和兼容性不满足所设计的导航系统性能需求及约束条件，则返回步骤(1)，重新确定扩频码周期Tc，子载波周期Tsc，正弦或余弦型子载波调制方式，以及正弦脉冲波形可变参数ρ；
所述的扩频码频率fc和子载波频率fsc的取值为1.023MHz的整数倍。
2.根据权利要求1所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波调制方法，其特征在于，所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波正弦型基带调制信号功率谱密度GAWSBOCs(n,m,ρ)(f)为：
所述的基于时间宽度可调的正弦脉冲偏移载波余弦型基带调制信号功率谱密度GAWSBOCc(n,m,ρ)(f)为：
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