2024年5月30日发(作者:萨雨旋)
BOC调制信号特性及其在北斗二代系统中的应用
胡文诏 赵爱萱 兰 伟
信息化时代,卫星导航系统已经成为高技术战争的重要支持系统,它能极大提高军队的指挥、控制、
多兵种协同作战和快速反应能力,大幅度的提高武器装备的打击精度和效能。卫星导航系统提供的高精度、
全天时、全天候的导航、定位和授时服务,已经在许多领域得到了广泛的应用,但是随着应用范围的不断
拓展和服务要求的不断提高,现行的卫星导航系统也逐渐暴露出一些问题。导航频段资源抢夺激烈、导航
信号相互干扰日益严重、人为干扰技术发展迅猛、地面接收电磁环境差、多路径效益不断加剧等问题。为
了达到更好的性能,新一代导航系统如Galileo系统和GPS的M码卫星信号将普遍采用BOC调制方式。
BOC调制是美国为GPS的M码卫星信号提出的调制方式,其功率谱密度形状由一些主瓣和副瓣构成,
其独特的功率谱裂谱特性,可以在实现频段共用的同时实现频谱分离,以减小频谱之间的相互干扰,并且
BOC调制的相关函数在相同码速率条件下比BPSK调制方式更加陡峭,具有更高的码跟踪精度和更好的多
径分辨能力。BOC调制方式的提出引起了各卫星导航大国的极大关注。
本文主要从理论上对BOC调制的基本原理、调制信号的特性及其接收处理方法进行分析。通过对BOC
调制的研究,证明其必将成为我国北斗导航系统的新选择。
一、BOC调制的原理
BOC信号的产生不同于GPS C/A码导航信号,GPS C/A码导航信号是典型的NRZ信号,其产生方
式是50Hz的导航电文与1.023MHz的PRN码模二加,即通常所说的扩频,将合并后的数据通过BPSK
调制上载波发射。而BOC信号与上述调制方式的不同之处在于扩频后的数据并不直接调制上载波,而是与
一定频率的方波信号相乘,其时域表达式如下
(t)=ACD (1)
(2)
令
化为
,为了研究方便,不考虑外部干扰信号的影响,则其时域表达式可简
(3)
式中,A为信号幅度;C( )表示PRN序列,为双向非归零方波副载波;D( )表示导航电文数据;
示码速率为的方波副载波信号;
表
表示符号函数;为码延迟;为载波频率;为初始相位值。BOC(n,m)
中,PN码速率和副载波的速率分别是基准速率的m和n倍。基准速率C/A码速率是1.023MHz, BOC(n,m)
指的就是将码速率为Rc=m×1.023MHz的PN信号调制到速率为Rsc=n×1.023MHz的副载波上,m和
n一般取整数,称为调制系数。
二、BOC调制信号的特性
调制信号的频谱特性
BOC调制是卫星导航系统的一种创造性服务,由于经过了方波调制,其信号有着特殊频谱。信号S(t)
与频率为的副载波相乘,副载波将原信号的频谱分裂成两部分,分别位于载波频率的左右两边,即信号功
率并不是调制到载波频率的主瓣,而是调制到了载波频率两侧的旁瓣上。目前扩频通信系统中,一般采用
BPSK的调制方式,使得大部分功率集中在零频点处,而BOC调制可以使得大部分功率集中在零频点的两
侧,n/m的值越大则距离零频点的距离越远。图1为码速率为10.23MHz的BPSK调制信号,以及
BOC(10,5)、BOC(10,4)、BOC(10,2.5)调制信号的功率谱特性曲线。由图可知BOC调制信号可以和频谱
集中在零频点附近的BPSK调制信号同时传输,可极大的提高传输效率。
图 1
调制信号的功率谱特性
在卫星通信技术迅猛发展的今天,随着各种信号种类的不断增加, BOC调制可以在一定频带内有效
集中信号能量的优点显露无疑。由图1可知BOC调制信号的功率在一定频带内集中度远高于BPSK调制信
号。研究表明,在双边带情况下,BOC(n,m)在4的频带内可以集中86%的信号能量,在6的频带内可以
集中90%的信号能量,在10的频带内可以集中94%的信号能量,在20的频带内可以集中98%的信号
能量。
3. BOC调制信号抗干扰特性
由于与BPSK调制信号相同,BOC调制信号的等效矩形带宽也较大,具有良好的抗窄带干扰能力,BOC
调制信号在抗匹配谱干扰和抗带限白噪声干扰的能力甚至还要优于其抗窄带干扰的能力。研究表明在输入
载噪比相同的条件下,BOC调制信号的抗干扰能力随跟踪门限的增大而减小,而当跟踪门限相同的条件下,
信号的抗干扰能力随载噪比的增大而增大。由BOC调制原理可知,BOC调制信号能以较大的功率发射,
这在一定程度上提高了其抗干扰能力,但是当载噪比大于40dB时,信号的抗干扰能力基本上不会再增强,
这也说明了增大调制信号的功率可以提升系统的抗干扰能力,但其提升能力也是有限的。就整体而言,BOC
调制信号的抗干扰的能力还是比较突出的。
4. BOC信号的自相关和码跟踪特性
卫星导航接收机的码捕获和码跟踪都与信号的相关性能好坏息息相关。由BOC信号的产生原理可知,
BOC信号是将PN码进行一次方波调制后再进行载波调制并通过相应的捕获算法寻找到相关峰值。普通的
BPSK直扩序列的自相关波形只有一个峰值,而BOC信号的自相关波形存在多个峰值,峰值的多少取决于
BOC(n,m)中n/m的大小,相关峰值越多,主相关峰相对就越窄,可以产生较高的码跟踪精度。研究表
明,在白噪声中BOC(10,5)调制信号具有更加优越的跟踪噪声性能,更高的伪码测距精度,其RMS伪距
测距误差约为BPSK(10)调制信号的0.38倍。因此,相比于BPSK调制信号,BOC调制信号具有较强的码
跟踪能力。
三、BOC调制信号的接收处理
由于BOC调制信号的相关函数是多峰结构,主峰较窄,加上噪声和多径的影响,容易错误捕获到副峰
上,增加了捕获和跟踪的难度。因此要对传统的BPSK调制信号处理方法做相应的改变。现阶段比较主流
和前沿的处理方法主要有四种:类似BPSK的单边处理法、峰跳法(bump-jump)、一种无模糊跟踪鉴相器
算法、自相关副峰消除技术(ASPeCT)。其中类似BPSK的单边处理法可以降低捕获时的码相位搜索间隔、
接收机的成本和功耗,增加抗干扰能力;峰跳法(bump-jump) 则可提高码速率的鲁棒性,提供更高的码
跟踪精度。但类似BPSK的单边处理法至少会带来3dB的损耗,而峰跳法(bump-jump)则需要更长的码锁
定时间。相对于前两种方法,一种无模糊跟踪鉴相器算法会降低系统的灵敏度,自相关副峰消除技术
(ASPeCT) 虽能很好的解决由多峰造成的模糊性题,但其实际应用技术还不是很成熟。
四、BOC调制信号在北斗二代导航系统中的应用前景
由于BOC调制信号具有良好的频谱分离能力,可以将较大功率BOC信号与BPSK信号同时发射,进
而提高BOC调制信号的传输效率,并且可以在有限功率范围内集中更强的信号能量,同时具有更强的抗干
扰能力。该信号能够解决导航频段拥挤带来的军用信号和民用信号在频谱上相互干扰问题,采用合理的接
收处理方法,可以实现信号的正确捕获和精确跟踪。另外,BOC调制信号的相关函数相对于相同码速率的
BPSK方式更陡峭,从而具有更高的码跟踪精度和更好的多径分辨能力。鉴于BOC调制信号的上述优点,
BOC调制信号已经被Galileo和GPS系统所采用。
目前,我国在轨运行的北斗卫星导航信号采用BPSK调制卫星导航信号。卫星导航信号是一种伪随机
噪声组合码序列,其码速率、码位长度及重复周期的设计以及调制方式都与信号的抗干扰性能、捕获与跟
踪的难易程度以及测距精度等有着密切关系。采用更先进的信号调制形式是进一步提高北斗卫星导航系统
性能的一个重要途径,也是其未来发展的一个重要趋势。随着我国卫星导航事业的迅速发展,导航信号频
段已日渐拥挤,提高频段利用率是解决频段资源短缺的可行方式。北斗导航信号采用BOC调制信号,不仅
可以提高频段利用率,而且可以抑制信号多路径效应误差、减少信号相干损耗、提高信号跟踪测量精度、
增强信号抗干扰性能及解决强弱信号压制问题等。导航卫星信号的BOC调制、捕获与跟踪技术在国内也得
到了较为深入的研究,该技术已经逐渐成熟,鉴于BOC信号的技术优点及国外的成功经验,其必将成为我
国未来卫星导航信号的优先选择,也将是我国卫星导航系统跨越式发展的一条必由之路。
结束语
BOC 调制频域具备较大的Gabor 带宽, 相关函数主瓣很窄, 可以提高相关测时延的精度。BOC 调制
信号的相关函数的多峰结构造成的模糊, 在接收时可采取一些特殊处理来消除。BOC 调制方式是导航信号
的设计中一种很有潜力的调制方式, 其在性能和码捕获跟踪等方面有待进一步研究。
2024年5月30日发(作者:萨雨旋)
BOC调制信号特性及其在北斗二代系统中的应用
胡文诏 赵爱萱 兰 伟
信息化时代,卫星导航系统已经成为高技术战争的重要支持系统,它能极大提高军队的指挥、控制、
多兵种协同作战和快速反应能力,大幅度的提高武器装备的打击精度和效能。卫星导航系统提供的高精度、
全天时、全天候的导航、定位和授时服务,已经在许多领域得到了广泛的应用,但是随着应用范围的不断
拓展和服务要求的不断提高,现行的卫星导航系统也逐渐暴露出一些问题。导航频段资源抢夺激烈、导航
信号相互干扰日益严重、人为干扰技术发展迅猛、地面接收电磁环境差、多路径效益不断加剧等问题。为
了达到更好的性能,新一代导航系统如Galileo系统和GPS的M码卫星信号将普遍采用BOC调制方式。
BOC调制是美国为GPS的M码卫星信号提出的调制方式,其功率谱密度形状由一些主瓣和副瓣构成,
其独特的功率谱裂谱特性,可以在实现频段共用的同时实现频谱分离,以减小频谱之间的相互干扰,并且
BOC调制的相关函数在相同码速率条件下比BPSK调制方式更加陡峭,具有更高的码跟踪精度和更好的多
径分辨能力。BOC调制方式的提出引起了各卫星导航大国的极大关注。
本文主要从理论上对BOC调制的基本原理、调制信号的特性及其接收处理方法进行分析。通过对BOC
调制的研究,证明其必将成为我国北斗导航系统的新选择。
一、BOC调制的原理
BOC信号的产生不同于GPS C/A码导航信号,GPS C/A码导航信号是典型的NRZ信号,其产生方
式是50Hz的导航电文与1.023MHz的PRN码模二加,即通常所说的扩频,将合并后的数据通过BPSK
调制上载波发射。而BOC信号与上述调制方式的不同之处在于扩频后的数据并不直接调制上载波,而是与
一定频率的方波信号相乘,其时域表达式如下
(t)=ACD (1)
(2)
令
化为
,为了研究方便,不考虑外部干扰信号的影响,则其时域表达式可简
(3)
式中,A为信号幅度;C( )表示PRN序列,为双向非归零方波副载波;D( )表示导航电文数据;
示码速率为的方波副载波信号;
表
表示符号函数;为码延迟;为载波频率;为初始相位值。BOC(n,m)
中,PN码速率和副载波的速率分别是基准速率的m和n倍。基准速率C/A码速率是1.023MHz, BOC(n,m)
指的就是将码速率为Rc=m×1.023MHz的PN信号调制到速率为Rsc=n×1.023MHz的副载波上,m和
n一般取整数,称为调制系数。
二、BOC调制信号的特性
调制信号的频谱特性
BOC调制是卫星导航系统的一种创造性服务,由于经过了方波调制,其信号有着特殊频谱。信号S(t)
与频率为的副载波相乘,副载波将原信号的频谱分裂成两部分,分别位于载波频率的左右两边,即信号功
率并不是调制到载波频率的主瓣,而是调制到了载波频率两侧的旁瓣上。目前扩频通信系统中,一般采用
BPSK的调制方式,使得大部分功率集中在零频点处,而BOC调制可以使得大部分功率集中在零频点的两
侧,n/m的值越大则距离零频点的距离越远。图1为码速率为10.23MHz的BPSK调制信号,以及
BOC(10,5)、BOC(10,4)、BOC(10,2.5)调制信号的功率谱特性曲线。由图可知BOC调制信号可以和频谱
集中在零频点附近的BPSK调制信号同时传输,可极大的提高传输效率。
图 1
调制信号的功率谱特性
在卫星通信技术迅猛发展的今天,随着各种信号种类的不断增加, BOC调制可以在一定频带内有效
集中信号能量的优点显露无疑。由图1可知BOC调制信号的功率在一定频带内集中度远高于BPSK调制信
号。研究表明,在双边带情况下,BOC(n,m)在4的频带内可以集中86%的信号能量,在6的频带内可以
集中90%的信号能量,在10的频带内可以集中94%的信号能量,在20的频带内可以集中98%的信号
能量。
3. BOC调制信号抗干扰特性
由于与BPSK调制信号相同,BOC调制信号的等效矩形带宽也较大,具有良好的抗窄带干扰能力,BOC
调制信号在抗匹配谱干扰和抗带限白噪声干扰的能力甚至还要优于其抗窄带干扰的能力。研究表明在输入
载噪比相同的条件下,BOC调制信号的抗干扰能力随跟踪门限的增大而减小,而当跟踪门限相同的条件下,
信号的抗干扰能力随载噪比的增大而增大。由BOC调制原理可知,BOC调制信号能以较大的功率发射,
这在一定程度上提高了其抗干扰能力,但是当载噪比大于40dB时,信号的抗干扰能力基本上不会再增强,
这也说明了增大调制信号的功率可以提升系统的抗干扰能力,但其提升能力也是有限的。就整体而言,BOC
调制信号的抗干扰的能力还是比较突出的。
4. BOC信号的自相关和码跟踪特性
卫星导航接收机的码捕获和码跟踪都与信号的相关性能好坏息息相关。由BOC信号的产生原理可知,
BOC信号是将PN码进行一次方波调制后再进行载波调制并通过相应的捕获算法寻找到相关峰值。普通的
BPSK直扩序列的自相关波形只有一个峰值,而BOC信号的自相关波形存在多个峰值,峰值的多少取决于
BOC(n,m)中n/m的大小,相关峰值越多,主相关峰相对就越窄,可以产生较高的码跟踪精度。研究表
明,在白噪声中BOC(10,5)调制信号具有更加优越的跟踪噪声性能,更高的伪码测距精度,其RMS伪距
测距误差约为BPSK(10)调制信号的0.38倍。因此,相比于BPSK调制信号,BOC调制信号具有较强的码
跟踪能力。
三、BOC调制信号的接收处理
由于BOC调制信号的相关函数是多峰结构,主峰较窄,加上噪声和多径的影响,容易错误捕获到副峰
上,增加了捕获和跟踪的难度。因此要对传统的BPSK调制信号处理方法做相应的改变。现阶段比较主流
和前沿的处理方法主要有四种:类似BPSK的单边处理法、峰跳法(bump-jump)、一种无模糊跟踪鉴相器
算法、自相关副峰消除技术(ASPeCT)。其中类似BPSK的单边处理法可以降低捕获时的码相位搜索间隔、
接收机的成本和功耗,增加抗干扰能力;峰跳法(bump-jump) 则可提高码速率的鲁棒性,提供更高的码
跟踪精度。但类似BPSK的单边处理法至少会带来3dB的损耗,而峰跳法(bump-jump)则需要更长的码锁
定时间。相对于前两种方法,一种无模糊跟踪鉴相器算法会降低系统的灵敏度,自相关副峰消除技术
(ASPeCT) 虽能很好的解决由多峰造成的模糊性题,但其实际应用技术还不是很成熟。
四、BOC调制信号在北斗二代导航系统中的应用前景
由于BOC调制信号具有良好的频谱分离能力,可以将较大功率BOC信号与BPSK信号同时发射,进
而提高BOC调制信号的传输效率,并且可以在有限功率范围内集中更强的信号能量,同时具有更强的抗干
扰能力。该信号能够解决导航频段拥挤带来的军用信号和民用信号在频谱上相互干扰问题,采用合理的接
收处理方法,可以实现信号的正确捕获和精确跟踪。另外,BOC调制信号的相关函数相对于相同码速率的
BPSK方式更陡峭,从而具有更高的码跟踪精度和更好的多径分辨能力。鉴于BOC调制信号的上述优点,
BOC调制信号已经被Galileo和GPS系统所采用。
目前,我国在轨运行的北斗卫星导航信号采用BPSK调制卫星导航信号。卫星导航信号是一种伪随机
噪声组合码序列,其码速率、码位长度及重复周期的设计以及调制方式都与信号的抗干扰性能、捕获与跟
踪的难易程度以及测距精度等有着密切关系。采用更先进的信号调制形式是进一步提高北斗卫星导航系统
性能的一个重要途径,也是其未来发展的一个重要趋势。随着我国卫星导航事业的迅速发展,导航信号频
段已日渐拥挤,提高频段利用率是解决频段资源短缺的可行方式。北斗导航信号采用BOC调制信号,不仅
可以提高频段利用率,而且可以抑制信号多路径效应误差、减少信号相干损耗、提高信号跟踪测量精度、
增强信号抗干扰性能及解决强弱信号压制问题等。导航卫星信号的BOC调制、捕获与跟踪技术在国内也得
到了较为深入的研究,该技术已经逐渐成熟,鉴于BOC信号的技术优点及国外的成功经验,其必将成为我
国未来卫星导航信号的优先选择,也将是我国卫星导航系统跨越式发展的一条必由之路。
结束语
BOC 调制频域具备较大的Gabor 带宽, 相关函数主瓣很窄, 可以提高相关测时延的精度。BOC 调制
信号的相关函数的多峰结构造成的模糊, 在接收时可采取一些特殊处理来消除。BOC 调制方式是导航信号
的设计中一种很有潜力的调制方式, 其在性能和码捕获跟踪等方面有待进一步研究。