CN108345014B - 一种正交复用boc调制信号的接收方法 - Google Patents

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

一种正交复用BOC调制信号的接收方法

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*f_b、伪码频率为n*f_b，频率基数f_b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，s_d(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，c_d(t)为伪码，d(t)为调制的电文，f_IF为中频信号角频率，s_BOC(n，n)为频率为n*f_b的子载波，s_BOC(m，n)为频率为n*f_b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f_c＝[m，n]*f_b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f_n、f_m的时钟Cn和Cm，f_c可以被nf_n整除，f_c可以被mf_m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，s_d(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，c_d(t)为伪码，d(t)为调制的电文，f_IF为中频信号角频率，s_BOC(n，n)为频率为n*f_b的子载波，s_BOC(m，n)为频率为n*f_b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f_c＝[m，n]*f_b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f_n、f_m的时钟Cn和Cm，f_c可以被nf_n整除，f_c可以被mf_m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：

s_B1C(t)＝s_{B1C_data}(t)+js_{B1C_pilot}(t)

其中，s_{B1C_data}(t)为数据分量，由导航电文数据D_{B1C_data}(t)和测距码C_{B1C_data}(t)经子载波sc_{B1C_data}(t)调制产生，子载波采用正弦BOC(1，1)调制方式；s_{B1C_pil。t}(t)为导频分量，由测距码C_{B1C_pilot}(t)经子载波sc_{B1C_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，c_p为导频分量测距伪码，s_BOC(n，n)(t)为BOC(1，1)信号，s_BOC(m，n)(t)为BOC(6，1)信号，即m＝6，n＝1，f_b＝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f_IF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f_c＝[m，n]*f_b＝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s_IF(t)；

其中，A为信号幅度，s_d(t)为基带信号，γ为宽带信号BOC(m，n)信号分量功率与复合信号的功率比，c_d(t)为伪码，d(t)为调制的电文，f_IF为中频信号角频率，s_BOC(n，n)为频率为n*f_b的子载波，s_BOC(m，n)为频率为m*f_b的子载波，n(t)为高斯白噪声信号，t为时间变量；

3)中频信号s_IF(t)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f_c＝[m，n]*f_b的基准频率时钟C，其中，基准频率时钟C通过分频器生成频率为f_n、f_m的时钟Cn和Cm，f_c被nf_n整除，f_c被mf_m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SCn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SCm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“延迟”操作前的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SCm，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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