CN108345014A - 一种正交复用boc调制信号的接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种正交复用BOC调制信号的接收方法,基于正交分相解调技术,采用窄带分量BOC(n,n)和宽带分量BOC(m,n)分离接收方法,增强了接收机的灵活性,对于不同精度要求的情形,可灵活裁剪;采用分步匹配接收技术,先对能量集中的BOC(n,n)完成捕获跟踪后,再接收BOC(m,n)信号分量,同时结合多相关器检测技术,消除捕获模糊度,提升接收灵敏度;采用窄距相关器技术,实现对QMBOC(m,n,γ)精确跟踪,提升信号测量精度。对于测量精度和接收灵敏度要求较高的场景,可采用BOC(n,n)和BOC(m,n)同时跟踪方法完成信号接收测量;在低成本通用测量应用场合,仅采用BOC(n,n)即可完成信号的接收测量。
Description
技术领域
本发明属于卫星导航信号处理领域,涉及一种新型MBOC调制的卫星导航信号,即正交复合二进制偏移载波调制(QMBOC)的卫星导航信号的无模糊度接收方法。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)在全球范围内为覆盖用户提供全天候、高精度、高可靠性的导航服务,在国防建设和国民经济等各领域广泛应用。随着全球卫星导航系统的持续建设和不断发展,各卫星导航系统在同一频段上播发的信号种类不断增多,有限的频谱资源也愈加拥挤。
为了更有效地利用有限频谱资源、同时增强各系统间的兼容性和互操作能力,新体制导航信号采用复合偏移二进制载波(MBOC)调制技术,实现了频带共享和频谱分离。MBOC调制由宽带BOC(m,n)信号与窄带BOC(n,n)信号以一定功率配比复合而成的,其复合实现即可在时域也可在频域进行。目前全球卫星导航系统采用的MBOC调制应用有:现代化GPSL1C信号采用时分复用TMBOC调制,Galileo E1信号采用时域幅度叠加复合CMBOC调制,我国北斗卫星导航系统(BDS)最新公开的北斗三号B1C信号采用正交复用QMBOC调制,B1C信号中心频率在1575.42MHz,与同频点其它信号具有很好的兼容性。
正交复用QMBOC信号由宽带BOC(m,n)信号和窄带BOC(n,n)信号分量组成,两信号分量分别调制在两个相互正交的相位上,简记为QMBOC(m,n,γ),其中第1参数m和第2参数n分别为子载波和伪码频率系数,取正整数,即子载波频率为m*fb、伪码频率为n*fb,频率基数fb一般为1.023MHz,第3参数γ为宽带BOC(m,n)信号分量功率与复合信号的功率比。相比传统BPSK调制信号捕获,QMBOC(m,n,γ)信号具有较高的测量精度和较强的抗干扰能力,但其宽带分量会使接收机相关峰出现多侧峰现象,且侧峰的峰值与各信号分量功率比γ有密切关系,多侧峰带会来捕获模糊度,造成误捕或错捕,使接收机得到错误的伪码测距结果,导致定位偏离;如果采用类似BOC(m,n)的单边带捕获方式,虽然可消除多峰特性,但会造成相关能量损失一半,降低捕获灵敏度,在弱信号环境中甚至无法正常接收信号。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种正交复用BOC调制信号的接收方法,基于正交分相解调技术,采用分步匹配接收技术、多相关器及窄距相关检测技术实现了QMBOC信号的全能量无模糊度接收。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
1)接收机通过天线接收导航卫星下发的导航信号,对接收到的导航信号进行滤波放大;
2)经过滤波放大的信号送入射频单元进行下变频,根据信号中心频点的不同,分别将不同载频的信号下变频变换到不同的信道,得到相应的中频信号IF;
其中,A为信号幅度,sd(t)为基带信号,γ为宽带BOC(m,n)信号分量功率与复合信号的功率比,cd(t)为伪码,d(t)为调制的电文,fIF为中频信号角频率,sBOC(n,n)为频率为n*fb的子载波,sBOC(m,n)为频率为n*fb的子载波,n(t)为高斯白噪声信号;
3)中频信号IF经模数转化得到至少两位位宽的数字中频信号;
4)本地载波发生器在本地载波NCO产生时钟的驱动下分别生成同相载波信号和正交载波信号,用生成的两路载波分别与量化的数字中频信号IF混频,除去中频载波和多普勒,得到同相基带信号i和正交基带信号q;
5)码NCO产生频率为fc=[m,n]*fb的基准频率时钟C,其中[m,n]为m和n的公倍数,基准频率时钟C通过分频器生成频率为fn、fm的时钟Cn和Cm,fc可以被nfn整除,fc可以被mfm整除;采用Cn驱动子载波1发生器和伪码发生器分别生成子载波SCn和伪码Code,采用Cm驱动子载波2发生器生成子载波SCm;
6)子载波1SCn和伪码Code送入BOC(n,n)发生器进行模二和运算生成BOC(n,n),子载波2SCm和伪码Code送入BOC(m,n)发生器进行模二和运算生成BOC(m,n),且子载波分别通过子载波开关信号控制实现子载波的打开与关闭;
7)将BOC发生器产生的序列BOC(n,n)经过延迟寄存器,分别生成五路甚早EE、早E、即时P、迟L、甚迟LL信号,延迟寄存器延迟间距等同相关器相关间距,五路信号采用等间距延迟,且延迟间距保证EE和LL支路对准BOC相关峰两侧的第一副峰;
8)将同相基带信号i分别与甚早、早、即时、迟、甚迟信号送入相关器进行相关运算,并分别送入积分清零单元,得到五路相关值I1_EE、I1_E、I1_P、I1_L、I1_LL,同样,正交基带信号q与五路延迟信号相乘得到五路相关值Q1_EE、Q1_E、Q1_P、Q1_L、Q1_LL;
9)利用积分结果计算采用同样方法计算 并将与设定的参考门限E进行比较,如果将原始BOC序列延迟1个相关间距,并重复步骤7)至9),直至且
10)开启子载波2SCm,采用BOC(m,n)进行步骤7)~8);分别得到三路同相支路相关值I2_E、I2_P、I2_L,以及三路正交支路相关值Q2_E、Q2_P、Q2_L;按照步骤9)计算
11)利用上述结果计算计算将经过滤波器作为码NCO的输入;同时计算 并将经过滤波器作为载波NCO的输入;同时确保且否则转入步骤8)重复以上步骤;
12)当伪码及载波环路均锁定后,此时利用码相位和载波相位进行测量,并根据能量值提取导航电文,完成信号接收。
本发明的有益效果是:充分利用QMBOC(m,n,γ)调制信号的能量分布和相关峰特性,提出了一种基于正交分相解调技术,采用窄带分量BOC(n,n)和宽带分量BOC(m,n)分离接收方法,增强了接收机的灵活性,对于不同精度要求的情形,可灵活裁剪;采用分步匹配接收技术,先对能量集中的BOC(n,n)完成捕获跟踪后,再接收BOC(m,n)信号分量,同时结合多相关器检测技术,消除捕获模糊度,提升接收灵敏度;采用窄距相关器技术,实现对QMBOC(m,n,γ)精确跟踪,提升信号测量精度。对于测量精度和接收灵敏度要求较高的场景,可采用BOC(n,n)和BOC(m,n)同时跟踪方法完成信号接收测量;在低成本通用测量应用场合,仅采用BOC(n,n)即可完成信号的接收测量。
附图说明
图1是QMBOC信号捕获接收原理框图;
图2是伪码序列及子载波发生器原理框图;
图3是产生的伪码(1MHz)、BOC(1,1)和BOC(6,1)子载波序列波形及相位关系图;
图4是采用分步匹配接收技术在不同副载波下的相关结果;
图5是QMBOC(6,1,4/33)信号与BPSK(1)信号的相关峰对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明所采用的技术方案包括以下步骤:
1)接收机通过天线接收导航卫星下发的导航信号,对接收到的导航信号通过内置低噪声放大器进行滤波,以消除带外噪声和强干扰信号,并对有用信号进行放大;
2)经过滤波放大的信号送入射频单元进行下变频,根据信号中心频点的不同,分别将不同载频的信号下变频变换到不同的信道,得到相应的中频信号IF;
其中,A为信号幅度,sd(t)为基带信号,γ为宽带BOC(m,n)信号分量功率与复合信号的功率比,cd(t)为伪码,d(t)为调制的电文,fIF为中频信号角频率,sBOC(n,n)为频率为n*fb的子载波,sBOC(m,n)为频率为n*fb的子载波,子载波即可为正弦,也可为余弦,n(t)为高斯白噪声信号;
3)下变频后的模拟中频信号IF送入模数转换器(ADC),经模数转化得到两位或者更多位宽的数字中频信号;
4)本地载波发生器在本地载波NCO产生时钟的驱动下分别生成同相载波信号和正交载波信号,用生成的两路载波分别与量化的数字中频信号IF混频,除去中频载波和多普勒,得到同相基带信号i和正交基带信号q;
5)码NCO产生频率为fc=[m,n]*fb的基准频率时钟C,其中[m,n]为m和n的公倍数,基准频率时钟C通过分频器生成频率为fn、fm的时钟Cn和Cm,fc可以被nfn整除,fc可以被mfm整除。采用Cn驱动子载波1发生器和伪码发生器分别生成子载波SCn和伪码Code,采用Cm驱动子载波2发生器生成子载波SCm;
6)子载波1SCn和伪码Code送入BOC(n,n)发生器进行模二和运算生成BOC(n,n),子载波2SCm和伪码Code送入BOC(m,n)发生器进行模二和运算生成BOC(m,n),且子载波可分别通过子载波开关信号控制实现子载波的打开与关闭;最优地,在初步捕获阶段,开启子载波1SCn,关闭子载波2SCm;
7)将BOC发生器产生的序列BOC(n,n)经过延迟寄存器,分别生成五路甚早(EE)、早(E)、即时(P)、迟(L)、甚迟(LL)信号,延迟寄存器延迟间距等同相关器相关间距,五路信号采用等间距延迟,且延迟间距保证EE和LL支路对准BOC相关峰两侧的第一副峰;
8)将同相基带信号i分别与甚早、早、即时、迟、甚迟信号送入相关器进行相关运算,并分别送入积分清零单元,得到五路相关值I1_EE、I1_E、I1_P、I1_L、I1_LL,同样,正交基带信号q与五路延迟信号相乘得到五路相关值Q1_EE、Q1_E、Q1_P、Q1_L、Q1_LL;
9)利用积分结果计算采用同样方法计算 并将与参考门限E进行比较,E根据接收机实测底噪设定;如果将原始BOC序列延迟1个相关间距,并重复7至9步骤,直至且
10)开启子载波2SCm,采用BOC(m,n)进行7~8操作;分别得到三路同相支路相关值I2_E、I2_P、I2_L,以及三路正交支路相关值Q2_E、Q2_P、Q2_L;按照步骤9方法计算
11)利用上述结果计算计算将经过滤波器作为码NCO的输入;同时计算 并将经过滤波器作为载波NCO的输入;同时确保且否则转入8重复以上步骤;
12)当伪码及载波环路均锁定后,此时利用码相位和载波相位进行测量,并根据能量值提取导航电文,完成信号接收。
本实施例给出了详细的实施方法和具体操作步骤。图1是本实施例提出的针对QMBOC新体制信号的捕获接收方法原理框图,所述的方法主要包括:
1.接收机通过天线接收导航卫星下发的导航信号,对接收到的导航信号通过内置低噪声放大器进行滤波,以消除带外噪声和强干扰信号,并对有用信号进行放大;
2.经过滤波放大的信号送入射频单元进行下变频,根据信号中心频点的不同,分别将不同载频的信号下变频变换到不同的信道,得到相应的中频信号IF;具体的,以最新公开的北斗三号B1C信号为例,B1C信号的复包络信号可表示为:
sB1C(t)=sB1C_data(t)+jsB1C_pilot(t)
其中,sB1C_data(t)为数据分量,由导航电文数据DB1C_data(t)和测距码CB1C_data(t)经子载波scB1C_data(t)调制产生,子载波采用正弦BOC(1,1)调制方式;sB1C_pil。t(t)为导频分量,由测距码CB1C_pilot(t)经子载波scB1C_pilot(t)调制,子载波采用QMBOC(6,1,4/33)调制方式,导频分量表达式为:
其中,A为信号幅度,cp为导频分量测距伪码,sBOC(n,n)(t)为BOC(1,1)信号,sBOC(m,n)(t)为BOC(6,1)信号,即m=6,n=1,fb=1.023MHz,γ=4/33;
3.对下变频后的模拟中频信号IF送入模数转换器(ADC)进行采样量化,转化得到2bits或者更多位宽的数字中频信号;
4.本地载波NCO以中频频率fIF产生时钟,并驱动载波发生器生成同相载波信号Carrier_I和正交载波信号Carrier_Q,用生成的两路载波分别与量化的数字中频信号IF相乘,除去中频载波和多普勒,得到同相基带信号i和正交基带信号q;
5.如图2所示的伪码序列及子载波发生器原理图,码NCO产生频率为fc=[m,n]*fb=24*1.023=24.552MHz的基准频率时钟C,基准时钟C经过分频器1产生2.046MHz的时钟C1,经过分频器2产生12.276MHz的时钟C2,经时钟C1、C2驱动子载波发生器和伪码发生器分别生成频率为1.023MHz的伪码Code和子载波1SC1,以及频率为6.138MHz的子载波2SC2;
6.生成的伪码Code、BOC(1,1)信号子载波SC1和BOC(6,1)信号子载波SC2的时域波形图及其相位相对关系如图3所示;生成的子载波1SC1和伪码Code送入BOC(1,1)发生器进行模二和运算生成BOC(1,1),子载波2SC2和伪码Code送入BOC(1,6)发生器进行模二和运算生成BOC(1,6),子载波起始沿与伪码码片起始相位沿严格对齐,且子载波可分别通过子载波开关信号控制实现子载波的打开与关闭;最优地,在初步捕获阶段,开启子载波1SC1,关闭子载波2SC2;
7.将BOC发生器产生的序列BOC经过延迟寄存器,分别生成五路甚早(EE)、早(E)、即时(P)、迟(L)、甚迟(LL)信号,五路信号采用等间距延迟,且延迟间距保证EE和LL支路对准BOC相关峰两侧的第一副峰;
8.将同相基带信号i分别与甚早、早、即时、迟、甚迟信号相乘,并分别送入积分清零单元,得到五路相关值I1_EE、I1_E、I1_P、I1_L、I1_LL,同样,正交基带信号q与五路延迟信号相乘得到五路相关值Q1_EE、Q1_E、Q1_P、Q1_L、Q1_LL;
9.利用积分结果计算采用同样方法计算 并将与参考门限E进行比较,E根据接收机实测底噪设定;如果将原始BOC序列延迟1个相关间距,并重复7至9步骤,直至且
10.最优地,先开启子载波SC1,待捕获成功后再开启子载波SC2,采用BOC(6,1)进行7~8操作;分别得到三路同相支路相关值I2_E、I2_P、I2_L,以及三路正交支路相关值Q2_E、Q2_P、Q2_L;按照步骤9方法计算
11.利用上述结果计算计算将经过滤波器作为码NCO的输入;同时计算 并将经过滤波器作为载波NCO的输入;同时确保且否则转入8重复以上步骤;图4中的R1、R2分别为分别对同相支路BOC(1,1)、正交支路BOC(6,1)捕获跟踪后的相关峰结果,R为同相支路R1和正交支路R2的复合后的相关峰结果。
12.当伪码及载波环路均锁定后,此时利用码相位和载波相位进行测量,并根据能量值提取导航电文,完成信号接收。图5为采用本方案接收的QMBOC(6,1,4/33)调制信号与传统BPSK(1)信号的相关峰特性对比图。本方案涉及的方法中,在对测距精度及接收灵敏度要求不高的应用场合,可省略10~11步骤,在步骤9条件满足时即可进行观测数据的提取。
本说明书中的各实施例均采用相关的方式描述,各实施例之间相同或相似的部分可以相互参考。以上所述的仅为本发明较佳的实施例,并非用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种正交复用BOC调制信号的接收方法,其特征在于包括下述步骤:
1)接收机通过天线接收导航卫星下发的导航信号,对接收到的导航信号进行滤波放大;
2)经过滤波放大的信号送入射频单元进行下变频,根据信号中心频点的不同,分别将不同载频的信号下变频变换到不同的信道,得到相应的中频信号IF;
其中,A为信号幅度,sd(t)为基带信号,γ为宽带BOC(m,n)信号分量功率与复合信号的功率比,cd(t)为伪码,d(t)为调制的电文,fIF为中频信号角频率,sBOC(n,n)为频率为n*fb的子载波,sBOC(m,n)为频率为n*fb的子载波,n(t)为高斯白噪声信号;
3)中频信号IF经模数转化得到至少两位位宽的数字中频信号;
4)本地载波发生器在本地载波NCO产生时钟的驱动下分别生成同相载波信号和正交载波信号,用生成的两路载波分别与量化的数字中频信号IF混频,除去中频载波和多普勒,得到同相基带信号i和正交基带信号q;
5)码NCO产生频率为fc=[m,n]*fb的基准频率时钟C,其中[m,n]为m和n的公倍数,基准频率时钟C通过分频器生成频率为fn、fm的时钟Cn和Cm,fc可以被nfn整除,fc可以被mfm整除;采用Cn驱动子载波1发生器和伪码发生器分别生成子载波SCn和伪码Code,采用Cm驱动子载波2发生器生成子载波SCm;
6)子载波1SCn和伪码Code送入BOC(n,n)发生器进行模二和运算生成BOC(n,n),子载波2SCm和伪码Code送入BOC(m,n)发生器进行模二和运算生成BOC(m,n),且子载波分别通过子载波开关信号控制实现子载波的打开与关闭;
7)将BOC发生器产生的序列BOC(n,n)经过延迟寄存器,分别生成五路甚早EE、早E、即时P、迟L、甚迟LL信号,延迟寄存器延迟间距等同相关器相关间距,五路信号采用等间距延迟,且延迟间距保证EE和LL支路对准BOC相关峰两侧的第一副峰;
8)将同相基带信号i分别与甚早、早、即时、迟、甚迟信号送入相关器进行相关运算,并分别送入积分清零单元,得到五路相关值I1_EE、I1_E、I1_P、I1_L、I1_LL,同样,正交基带信号q与五路延迟信号相乘得到五路相关值Q1_EE、Q1_E、Q1_P、Q1_L、Q1_LL;
9)利用积分结果计算采用同样方法计算 并将与设定的参考门限E进行比较,如果将原始BOC序列延迟1个相关间距,并重复步骤7)至9),直至且
10)开启子载波2SCm,采用BOC(m,n)进行步骤7)~8);分别得到三路同相支路相关值I2_E、I2_P、I2_L,以及三路正交支路相关值Q2_E、Q2_P、Q2_L;按照步骤9)计算
11)利用上述结果计算计算将经过滤波器作为码NCO的输入;同时计算 并将经过滤波器作为载波NCO的输入;同时确保且否则转入步骤8)重复以上步骤;
12)当伪码及载波环路均锁定后,此时利用码相位和载波相位进行测量,并根据能量值提取导航电文,完成信号接收。
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