专利名称：一种导航信号调制方法
技术领域：
本发明涉及卫星导航系统信号体制设计与信号生成领域，特别是上下边带承载不同服务的导航信号恒包络调制方法。
背景技术：
信号体制是卫星导航系统体制的核心，决定了导航系统的先天性能。倘若信号体制设计存在缺陷，即使地面段、空间段和用户段的设备再好，系统的性能仍会存在先天不足，妨碍导航系统的推广与应用。调制方式是导航信号体制研究的重点，它决定了导航信号的功率谱包络，对导航系统的定位测速授时精度、兼容和互操作性、抗干扰能力等关键性能和指标起着决定性的作用。在GPS现代化和伽利略(felileo)信号设计过程中，调制方式设计是业界关注的焦点。目前，卫星导航信号调制已经由第一代GPS采用的BPSK调制扩展到了 B0C、CB0C、TMB0C、 AltBOC等多种新的调制方式并存的格局。其中，AltBOC调制方式具备在上下边带承载不同服务的能力，既可独立接收处理单边带信号达到传统BPSK信号性能，也可联合处理以实现更高的定位精度，已经被COMPASS全球系统采纳为B2频点下行信号的调制方式基线。AltBOC是一种上下边带可以调制不同伪码的类BOC调制方式，它的概念最早于 2000年提出，目的是为了满足在El、E2频带上共用一个高功放传送两路导航信号的需求。 然而，由于非恒包络问题以及Ll频带的信号规划调整，AltBOC调制方式并未在Ll频带上得到采用。2001年，法国航天局(CNES)提出了 4伪码恒包络AltBOC调制方式，并被采纳为 GalileoE5a, E5b频带导航信号的调制方式。在北斗(COMPASS)系统中，采用中心频率为1191.795MHz的AltBOC(15，10)调制方式，下边带中心频率为1176. 45MHz，上边带中心频率为1207. 14MHz，既可实现与 GalileoE5, GPSL5C信号的互操作，又可兼顾与COMPASS区域系统B2信号的兼容问题。然而，为了实现4伪码恒包络调制，Galileo提出的AltBOC调制方式将基带波形的转换速率提升到了子载波的8倍，子载波的电平数提升为4电平，并且插入了乘积项。基带转换速率和子载波电平数的增加，无疑会成倍增加信号产生、接收的复杂度。乘积项的引入，使得复用效率降低，从一定程度上降低了信号性能。CNES通过巧妙的设计使得子载波频率附近的信号分量未降低，使得当接收机仅接收主瓣功率的情况下性能无损失。但是，由于子载波的谐波分量仅调制了无用的乘积信号，降低了大带宽接收条件下的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种导航信号调制方法，该方法具有信号接收处理灵活、 多路复用效率更高、信号产生和接收处理复杂度低的优点。—种导航信号调制方法，具体为(1)对控制时钟CLKO分频得到伪码生成驱动时钟CLKl和时分复用控制时钟 CLK2，控制时钟CLKO的频率为二进制子载波频率的4倍，伪码生成驱动时钟CLKl的频率为码速率的1/2，时分复用控制时钟CLK2的频率等值于码速率；(2) CLKl驱动产生上边带数据通道伪码cBD、下边带数据通道伪码( 和导频通道伪码cP，CLKO驱动产生二进制正弦子载波SCB, sin和二进制余弦子载波SCB,。。s ；(3)下边带数据dA调制Cad得到下边带数据通道基带信号分量Ca ；上边带数据波形dB调制cBD得到上边带数据通道基带信号分量Cb ；(4)子载波调制Ca取反后与Cb相加，再与SCB,sin相乘，得到数据通道在Q支路的信号分量；CA 与Cb相加，再与SCB,。。s相乘，得到数据通道在I支路的信号分量；Cp乘以2，再与SCB,。。s相乘，得到导频通道在I支路的信号分量；(42)当CLK2处于奇数码片时隙内，则将数据通道在Q支路的信号分量作为基带信号Q支路信号分量，以及将数据通道在I支路的信号分量作为基带信号I支路信号分量；当 CLK2处于偶数码片时隙内，则将零信号作为基带信号Q支路信号分量，以及将导频通道在I 支路的信号分量作为基带信号I支路信号分量；(5)基带信号Q支路信号分量调制正弦相位载波，基带信号I支路信号分量调制余弦相位载波，两支路的调制结果合成得到调制射频信号。所述步骤(4)依据当前的CA、Cb和Cp值在调制映射表中查询其对应的基带信号Q 支路分量和基带信号I支路分量；所述调制映射表的构建方法为将所有可能的CA、CB和Cp 值进行组合，对每一个组合按照步骤Gl) 处理，得到每个组合对应的基带信号Q支路分量和基带信号I支路分量，记录每个组合及其对应的的Q支路分量和I支路分量，构建得到调制映射表。实现所述导航信号调制方法的调制系统，包括顺序相接的第一乘法器3、第一减法器4、第二乘法器7、第一时分复用器11 ；及顺序相接的第四乘法器2、第二加法器5、第五乘法器8、第二时分复用器12 ；及顺序相接的第七乘法器6和第八乘法器9 ；及分别连接第一乘法器3、第四乘法器2和第七乘法器6的伪码生成器1 ；及连接伪码生成器1的第一分频器17 ；及分别连接第二乘法器7、第五乘法器8和第五乘法器9的子载波生成器；及分别连接第一时分复用器11和第二时分复用器12的第二分频器18 ；所述第一乘法器3连接第二加法器5，第四乘法器2连接第一减法器4，所述第八乘法器9连接第二时分复用器12，所述第一时分复用器11和第二时分复用器12连接射频调制器，所述第一时分复用器11还接收零信号输入；实现所述导航信号调制方法的调制系统，包括相接的分频器M和伪码生成器19，伪码生成器19通过第一异或器20连接基带调制�？�26的第一输入端，伪码生成器19通过第二异或器21连接基带调制�？樯虻牡诙淙攵耍甭肷善�19还连接基带调制�？樯虻牡谌淙攵耍琓D-AltBOC基带调制�？� 26的两个输出端连接射频调制器。本发明的技术效果体现在本发明TD-AltBOC调制信号的时域特征如下，在奇数时隙内，I、Q支路基带波形由上边带数据通道伪码Cbd和下边带数据通道伪码Cad决定，当Cbd = 0，Cad = 0时，I支路基带波形表现为二进制余弦子载波，Q支路基带波形为0 ；当Cbd = 0，Cad = 0时，I支路基带波形表现为反相二进制余弦子载波，Q支路基带波形为0 ；当Cbd = 0，Cad = 1时，I支路基带波形为0，Q支路基带波形表现为二进制正弦子载波；当Cbd = 1，Cad = 0时，I支路基带波形为0，Q支路基带波形表现为反相二进制正弦子载波。在偶数时隙内，Q支路基带波形为0，I支路基带波形由导频通道伪码Cp决定，当Cp = 0时，I支路基带波形表现为二进制余弦子载波，当Cp = 1时，I支路基带波形表现为反相二进制余弦子载波。TD-AltBOC调制信号的基带波形如图5所示。TD-AltBOC(15，10)调制的基带信号波形如图5所示，TD-AltBOC调制信号的功率谱包含两个主瓣，一个主瓣的谱峰位于载波频率加子载波频率处，主要为上边带信号分量，另一个主瓣的谱峰位于载波频率减子载波频率处，主要为下边带信号分量。TD-AltBOC(15，10)调制信号的归一化功率谱如图6所示。TD-AltBOC调制信号具有良好的接收灵活性。上边带信号可以看作中心频率数值等于载波频率加子载波频率的BPSK(Rc)调制信号，下边带信号可以看作中心频率数值等于载波频率减子载波频率的BPSK(Rc)调制信号。上、下边带信号可以分别接收，获得与 BPSK(Rc)相当的接收性能；上、下边带信号也可以联合接收，获得与B0C(fs，Re)相当的接收性能。TD-AltBOC调制信号具有100%的复用效率。采用时分技术，实现了上下边带的4 个信号分量的恒包络复用，没有引入乘积信号分量，不存在复用损耗。复杂度方面，TD-AltBOC的上下边带导频通道共用伪码，双边带联合接收等价为余弦BOC调制，导频信号跟踪所需的伪码产生器和相关器数目可以降低一半；TD-AltBOC 的子载波符号转换速率为子载波频率的四倍，而AltBOC的子载波符号转换速率为子载波频率的八倍，信号生成所需的基带处理速率降低一半；TD-AltBOC的子载波波形为2电平， AltBOC的子载波波形为4电平，匹配接收时单个相关器消耗的硬件资源更低；TD-AltBOC调制信号的数据通道和导频通道分时出现，一些消耗硬件资源较大的基本单元(如乘法器) 可以实现分时复用，从而提高资源利用率、降低硬件资源消耗。因此，TD-AltBOC信号的产生和接收复杂度远低于AltBOC信号。
图ITD-AltBOC信号分量传送时序关系。图2TD_AltB0C调制信号生成框图。图3TD_AltB0C调制信号生成实施方案。图4为TD-AltBOC调制星座图及信号波形。
图5为TD-AltBOC(15，10)调制的基带信号波形图。 图6为TD-AltBOC(15，10)调制信号的归一化功率谱。
具体实施例方式本发明结合逐码片时分复用方式和2信号AltBOC调制方式，解决了 4信号的恒包络调制问题，命名为时分Al tBOC方式，简写为TD-Al tBOC。一、TD-AltBOC 原理TD-AltBOC (m, η)调制的参数定义m表示子载波频率相对基准频率f0的倍数，即 fs = HiXftl, η表示码速率相对基准频率f0的倍数，即R。= nXf^。
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TD-AltBOC调制将信号传送时间分为奇、偶两个时隙，时隙宽度等于伪码码片宽度，奇数时隙传送上、下边带的数据通道信号分量，偶数时隙传送上、下边带的导频通道信号分量。信号分量传送的时序关系如图1所示。图1中，B2b_D表示上边带数据通道信号分量，B2b_P表示上边带导频通道信号分量，B2a_D表示下边带数据通道信号分量，B2a_P表示下边带导频通道信号分量。TD-AltBOC调制基带信号的数学表达式为s (t) = [dA (t) cAD (t) +cAP (t) ] [SCB, cos (t) - jSCB, sin (t)]+ [dB (t) cBD (t) +cBP (t) ] [SCB, cos (t) + jSCB, sin (t)]式中，dA(t)为下边带数据通道调制的数据位波形，Cad (t)为下边带数据通道伪码波形，cAP(t)为下边带数据通道伪码波形，dB(t)为上边带数据通道调制的数据位波形， cBD (t)为上边带数据通道伪码波形，cBP (t)为上边带数据通道伪码波形，SCB,。。s(t)为二进制余弦子载波，SCB,sin(t)为二进制正弦子载波。它们分别为
^ NAD -1cAD{t)=Y ￡ CAD{k)p{t-{2NADl + 2k)Tc)
I=-OO k=0 GO NAP -1 ⑴=ΣΣ CAp{k)p{t-{2NAPl + 2k + \)Tc)
I=-OO k=0
^ NBD -ιcBD { =Y ￡ CBD{k)p(t-{2NBDl + 2k)Tc)
=-οο k=0 GO Nbp -1cBH J CBP{k)p{t-{2NBP+2k + \)Tc)
l=-oo k=0SCB, cos (t) = sign (cos (2 Ji fst))SCB,sin(t) = sign (sin (2 π fst))式中，Cad为下边带数据通道伪码序列(取值为士 1)，Cap为下边带导频通道伪码序列，Cbd为上边带数据通道伪码序列，Cbp为上边带导频通道伪码序列，NmNfN-Nm分别为
Cap、Cap、Cbp的码长，Tc为伪码码片宽度，为矩形脉冲，sign( ·)表示符号运算，fs 为子载波频率(B2信号为15 X 1. 023MHz)。MO定义如下
,、il 0<t<T；,TD-AltBOC调制信号的星座图及信号波形如图4所示。图4中，CA、CB分别表示某一时隙传送的下边带伪码和上边带伪码。在当前时隙为奇数时隙时，Ca = dACAD，CB = dBCBD，在当前时隙为偶数时隙时，Ca = CAP,CB = CBP。实线描绘的信号波形为同相支路波形，虚线描绘的信号波形为正交支路波形。若上下边带采用相同码序列，即Cap = Cbp时，TD-AltBOC调制基带信号的表达式为s(t) = [dA (t) cAD (t) +dB (t) cBD (t) ] SCB, cos (t)+ j [-dA (t) cAD (t) +dB (t) cBD (t) ] SCB, sin (t)+2cBP(t)SCBjC0S(t)S卩，偶数时隙只可能在同相支路上出现二进制余弦子载波。若上下边带采用相反码序列，即Cap = -Cbp时，TD-AltBOC调制基带信号的表达式为s(t) = [dA (t) cAD (t) +dB (t) cBD (t) ] SCB, cos (t)
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+ j [-dA (t) cAD (t) +dB (t) cBD (t) ] SCB, sin (t)+2jcBP(t)SCB,sin(t)S卩，偶数时隙只可能在正交支路上出现二进制正弦子载波。为了降低信号接收处理复杂度并优化接收性能，本发明采用上下边带导频通道伪码相同的TD-AltBOC方案。数学表达式为s(t) = [dA (t) cAD (t) +dB (t) cBD (t) ] SCB, cos (t)+ j [-dA (t) cAD (t) +dB (t) cBD (t) ] SCB, sin (t) (1)+2cP(t)SCBjC0S(t)当2fs · Tc为奇数时，TD-AltBOC信号的归一化功率谱为
权利要求
1.一种导航信号调制方法，具体为(1)对控制时钟CLKO分频得到伪码生成驱动时钟CLKl和时分复用控制时钟CLK2，控制时钟CLKO的频率为二进制子载波频率的4倍，伪码生成驱动时钟CLKl的频率为码速率的1/2，时分复用控制时钟CLK2的频率等值于码速率；(2)CLKl驱动产生上边带数据通道伪码cBD、下边带数据通道伪码cAD和导频通道伪码 Cp, CLKO驱动产生二进制正弦子载波SCB, sin和二进制余弦子载波SCB,。。s ；(3)下边带数据dA调制cAD得到下边带数据通道基带信号分量Ca；上边带数据波形dB 调制cBD得到上边带数据通道基带信号分量Cb ；(4)子载波调制(41)Ca取反后与Cb相加，再与i^CB,sin相乘，得到数据通道在Q支路的信号分量；CA与Cb 相加，再与SCb, _相乘，得到数据通道在I支路的信号分量；Cp乘以2，再与SCb, _相乘，得到导频通道在I支路的信号分量；(42)当CLK2处于奇数码片时隙内，则将数据通道在Q支路的信号分量作为基带信号 Q支路信号分量，以及将数据通道在I支路的信号分量作为基带信号I支路信号分量；当 CLK2处于偶数码片时隙内，则将零信号作为基带信号Q支路信号分量，以及将导频通道在I 支路的信号分量作为基带信号I支路信号分量；(5)基带信号Q支路信号分量调制正弦相位载波，基带信号I支路信号分量调制余弦相位载波，两支路的调制结果合成得到调制射频信号。
2.根据权利要求1所述的导航信号调制方法，其特征在于，所述步骤(4)依据当前的 CA、Cb和Cp值在调制映射表中查询其对应的基带信号Q支路分量和基带信号I支路分量；所述调制映射表的构建方法为将所有可能的CA、CB和Cp值进行组合，对每一个组合按照步骤Gl) ^幻处理，得到每个组合对应的基带信号Q支路分量和基带信号I支路分量，记录每个组合及其对应的的Q支路分量和I支路分量，构建得到调制映射表。
3.实现权利要求1所述导航信号调制方法的调制系统，包括顺序相接的第一乘法器(3)、第一减法器0)、第二乘法器(7)、第一时分复用器(11)；及顺序相接的第四乘法器O)、第二加法器(5)、第五乘法器(8)、第二时分复用器(12)；及顺序相接的第七乘法器(6)和第八乘法器(9)；及分别连接第一乘法器(3)、第四乘法器⑵和第七乘法器(6)的伪码生成器⑴；及连接伪码生成器(1)的第一分频器(17)；及分别连接第二乘法器(7)、第五乘法器(8)和第五乘法器(9)的子载波生成器；及分别连接第一时分复用器(11)和第二时分复用器(1 的第二分频器(18)； 所述第一乘法器C3)连接第二加法器(5)，第四乘法器( 连接第一减法器，所述第八乘法器(9)连接第二时分复用器(12)，所述第一时分复用器(11)和第二时分复用器 (12)连接射频调制器，所述第一时分复用器(11)还接收零信号输入；
4.实现权利要求2所述导航信号调制方法的调制系统，包括相接的分频器04)和伪码生成器(19)，伪码生成器(19)通过第一异或器00)连接基带调制�？�06)的第一输入端，伪码生成器(19)通过第二异或器连接基带调制�？�(26)的第二输入端，伪码生成器(19)还连接基带调制�？�06)的第三输入端，TD-AltBOC 基带调制�？�06)的两个输出端连接射频调制器。
全文摘要
本发明提供了一种导航信号调制方法，具体为将上下边带数据通道差信号与正弦二进制子载波相乘得到Q支路奇数时隙基带信号，上下边带数据通道和信号与余弦二进制子载波相乘得到数据通道I支路奇数时隙基带信号；将上下边带导频通道差信号与正弦二进制子载波相乘得到Q支路偶数时隙基带信号，上下边带导频通道和信号与余弦二进制子载波相乘得到I支路偶数时隙基带信号；对I、Q支路基带信号进行QPSK调制得到TD-AltBOC调制信号。通过本发明，可以实现在两个相邻频带传送不同的导航业务，每个导航业务包含数据通道和导频通道，每个子带的导航信号可以独立接收，也可联合接收上下边带信号获得高精度导航性能。
文档编号G01S19/01GK102209056SQ20111009497
公开日2011年10月5日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者严涛, 唐祖平, 陈朝辉, 魏蛟龙 申请人:华中科技大学
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