基于BOC调制的长码信号捕获技术研究

【摘　要】二进制偏移载波（Binary Offset Carrier ，BOC）调制技术可以利用信号的裂谱特性实现与其他同频率信号的共存.本文对BOC调制技术调制通信信号的原理和具体特点进一步分析和研究，并对BOC信号调制同步捕获的有效方式和技术进行系统的总结和概括，结合Matlab仿真软件设计信号捕获方法。

【关键词】二进制偏移载波调制　快速傅里叶变换　快速傅里叶逆变换　循环相关　直捕

全球定位系统（GPS）是利用GPS卫星实现全球、全天候、实时、连续导航定位的新一代高精度空基导航系统[4]．实现GPS军用和民用信号的分离，增强军用通信的信息容量和抵抗外界干涉的功能性也一直为研究热点。在此热点中，对于M码的研究分离技术则是关键内容，M码即为军用码，它能发送更大的功率而不干涉民用接收机，并可以干扰敌方对信号的利用。过去所应用的GPS通讯设施中，C/A码（粗捕获码）与P码（精码）的信号都是使用二相制相移键控（BPSK）来进行调制，现在的GPS通讯中M码使用了BOC调制器，这是一种全新的调制方式，它采用了全新的技术使M码的频谱与现有信号的分离，同时它的性能也十分强大。

BOC调制技术不但能够使军方使用以前的GPS的频率，而且还可以在战争中使用导航功能，实现军用民用接收通信一体机。使用BOC调制技术，接收机也可充分发挥其带宽的特点，而其使用直接捕获技术自身捕捉获取军用码信号也增强了系统的稳定性、安全性。因此，该技术已发展成接收机同步处理的核心技术[1]。

一、BOC调制技术概述

我们现在所应用的GPS卫星通讯频谱架构中，载频L1、L2均能发出信号，C/A粗码和P(Y)精码位于L1载频有着相互正交关系，L2频段只发送P(Y)码，对应着Ll上的P(Y)码，使电离对其产生的干扰减少消失。C/A码是明码，一般处于公开和未加密的状态，在战争时期使用C/A码能够在某些地域扰乱敌人发送的信号。在现在所使用的GPS卫星信号频谱架构中，在扰乱C/A码的同时也将会造成P(Y)码的错乱，其原因在于此频谱架构中军用信号和民用信号中所有频谱中间部分处在同一波段，在扰乱C/A粗码信号中间部分的同时也会影响到P(Y)精码的中间部分。M码则很好的将军用和民用信号分裂开了，它使用了BOC调制方式可以使频谱分裂，使绝大部分的功率信号集中在L1、L2的边端处，实现信号的有效分离。

GPS系统中，C/A码与P码信号均都使用BPSK进行调制，而M码则使用的是BOC来进行调制，两者比较，BOC调制技术不仅减少了传送时干扰所产生的噪音，还加强了对多线路目标实时跟踪的性能，这种改进使得功率大多数集中在伽柏（Gabor）带的边沿处，强制使其带宽增加，最大限度的使用不同的频带占用的空间，从而使其与一般频带（L1、L2频段）的预存导航信号间的干扰减少。

BOC调制信号的时域表达式为：[7]

其中是是经数据调制的速率为的二进制扩频码; 称为亚载波，是频率为 的双相非归零方波。通常记BOC 调制基带信号为BOC（，），、均为1.023MHz的整数倍。

BOC 调制用亚载波对二进制直接序列扩频(DSSS) 信号再次进行调制，使信号的频谱分裂为两部分，对称地分布在中心频率两侧，如图1所示。

图1 公用一个频点的基带BOC和BPSK信号的频谱图

传统卫星导航信号大都是BPSK调制的DSSS信号，因此BOC 调制很好地实现了频段的共用，而且还可能获得更好的伪码跟踪精度【1】。

二、基于BOC调制长码信号的捕获方法

GPS M码信号使用长扩频码，没有明显的发射周期，又因为调制方式采用的BOC调制技术，在过去的扩频信号中增加了一个亚载波信号，大大增强了M码信息的灵活性，我们可以根据上述中M码信号的特点来对它实现直接捕获，针对性获取信息，来提高捕获的速度和精度[3]。

循环相关技术、并行多普勒补偿技术和基于伪码相关性的直接捕获算法等是直捕技术的主要内容。下图3是一种快速直捕技术的方案图。

图2 快速直捕方案图

BOC调制信号在捕捉信号方面所采用是循环相关的技术，但是循环的方式有很多种，由于伪随机噪声码（PRN）发展应用越来越复杂，因此如何找到快速有效的捕捉算法成为了新的瓶颈式问题。

怎样使运算效率得到有效提升是首要解决的难题。在硬件方面，只能是开发出全新的硬件技术才能完成速率的提升；在算法方面，和原子时钟技术比石英时钟精确度上升了10000倍相类似，要提升运算效率就要设定一个合理的捕获算法。本文使用基于快速傅里叶变换（FFT）的频域相乘法求得接收信号与本地信号循环相关的结果，即用接收信号频谱数据与本地信号频谱数据的共轭值相乘，再对乘积求FFT反变换实现直接捕获。此外，接收GPS的M码信号的载波频率处在边沿位置，产生了多普勒频移，需进行多普勒补偿。在分析处理运用BOC调制的M码信号同步接收时，可以使进入捕获状态的接收信号更加靠近真实的中频率信号，相关峰值更加明显。但是使用单一传送通道和相串联的方式还是不能达到对搜捕速率的需求，所以我们需使用多通道并联的多普勒频移补偿方式。仿真运算过程中采用了载波并行的方案。在不同捕获阶段使用不同的多普勒补偿方案，，来实现伪随机码捕获与载波捕获同步完成。

三、基于BOC调制长码信号捕获环路建模

对GPS M码通讯实现同步原理进行分析研究以及根据其所表现出的特点，我们对M码同步接收进行了系统的建模。重点介绍单边带捕获技术。

BOC调制信号运用单边带捕捉获取信处理的具体操作：

（一）BOC调制信号通过GPS卫星传送到接收机的天线前端并进行相应的前端处理，对信号减少噪声，把高频率信号变为中频率信号，然后进行模数（A/D)转换转化成数字数据，经过边带选择器，使接收信号分为上下边带两路信号，两路信号分别经过已经设置好带宽的带通滤波器，进行滤波处理。再对通过滤波处理的信息进行并行多普勒补偿给以相对应的步进值，以此来扩展为多通道的亚载波信号。

（二）进行并行多普勒补偿给予相对应的步进值，以此来扩展为多通道的亚载波信号，并且以相同的时钟频率为基准，发射出本地信号，而后用方波对此信号进行调制，然后对调制后的本地信号和接收信号运用循环运算进行处理，分离出在其中一个通道中多普勒频移补偿状态中最大峰值，再根据事先定好的门阀值进行比较，此门阀值是使用的比例门阀值，所以可以对其做出相应的判断。若最大峰值比门阀值小，那么需再移动本地伪随机码序列，再依照上述方式做一次，若比门阀值大，则复现的二进偏移调制信号与接收信号的频率率的数值相近，它们所产生的差值不超过有限个码元，相对应的多普勒频移的误差也小于一定频率间隔值，来实现捕获。

对信号进行捕捉获取进程中，采用了时域上的伪随机码串联行载波并行的方式，使用循环相关计算，因为在前一阶段的捕获过程中，对伪随机码和多普勒频移已做了初步的判断，减小了误差范围。就伪随机码来说，在相对移动捕获中对本地信息进行复制而产生伪码序列，得到有限码元，来预防在获捉信息的后续阶段出现过快或停滞的状况。在调制频率的整个过程中，使用最大比例峰值的方法将其与门阀值进行比较，使伪随机码的误差值小于一个码元的数值内。就载波来说，捕捉获取载频的中间部分，以此来减小对多普勒频移的查找，再进行并行多普勒补偿给以相对应的步进量，再次减小多普勒频移数值的范围，实现对信息的捕捉。

四、基于BOC调制信号捕获环路仿真步骤

在对BOC调制信息成功实现同步接收和建模后，在输入信号为BOC（10,5）调制的长码信号，采用了Matlab对BOC调制信号直捕性能进行了仿真设计。算法流程为：

在对二进偏移调制信息成功实现同步接收和建模后，在BIC（10,5）采用了Matlab7.1对二制偏移调制信号直捕性能进行了仿真设计。其流程描述为：

Step1：收集，查看卫星信号，掌握原始数据信息，并对所收集的信号进行高频转中频，复制等操作，进而转化为基带信号。

Step2：用边带选择器来选择边带处理的方式，如果结果为单边带处理方式则实行Step3，相反实行Step4。

Step3：并行处理接收的军用码信号，并对它边沿信号进行分析处理。

Step4：接收信号通过滤波器，并设定滤波器相应参数，使它输出相对应的单边带或双边带信号，而上面附带的数据是整个捕获阶段的可靠依据。

Step5：并行多谱勒补偿分析处理，把运算所得的中间频率段作为重心，并且给以相对应的步进量使其产生本地N路载波信号。

Step6：上步所产生的载波信号和接收的采样信号实行并行混频处理，进而产生N路消除载波后的亚载波调制信号。

Step7：对处理后的N路接收信号并行FFT计算。

Step8：本地信号产生相应长度的军用码序列，并复制它。

Step9：生成本地亚载波信号，使它与本地军用码信号进行调制，对调制后的军用码信号再次进行FFT运算。

Step10：将步骤7、9所得数据并行相乘。

Step11：N路相乘step10中所得结果并进行IFFT后取模运算。

Step12：应用边带选择器得也此信号是单边带还是多边带处理信号，如果是单边则实行行Step13，相反实行Step14。

Step13：上、下边带处理结果则无效。

Step14：取Step11中输出结果的最大比例峰值，与门限值进行比较。

Step15：根据最大比例峰值与捕获门限值的大小进行分析，如果大于门限值，那么进入跟踪环路，相反则调整本地码的码偏位置，从Step8再次执行。

用BOC调制对M码信号进行调制，可以将伪码误差值缩小在1个码元的数值内，使用多通道信号并行多普勒补偿处理，能够使捕获的载波频率与正确的载波频率只相差5个赫兹。综上所述，能够得出在干扰处在一定值内，同步接收可以百分百正确的接收数据，进而实现理想信号同步的要求。

五、结论

随着科技发展导航系统已经成为信息化战争中重要的组成部分，它可以有效的提高对作战部队的指挥控制、军兵种协同作战和快速反应能力[4]。目前,在轨运行的北斗卫星导航信号我国采用BPSK调制信号，随着卫星导航事业高速发展,导航信号频段日渐拥挤,提高频段利用率已势在必行。采用BOC调制信号,不仅能够提高频段利用率,而且可以减少信号相干损耗、抑制信号多路径效应误差、增强信号抗干扰性能、解决强弱信号压制问题及提高信号跟踪测量精度等。在相同码速率下，将BOC调制信号与BPSK调制信号相比较，具有码跟踪热噪声误差小、多径误差小的优点,对下一步卫星导航系统信号的研究具有重要意义。

参考文献：

[1]陆云,刘建永,曾京.GPS干扰技术及其仿真应用[J].光电技术用,2004,19(5):44-46.

[2]李廷军,金慧琴,郝建平.GPS干扰技术[J].现代电子技术,2001,(4):4-6.

[3]谭显裕.GPS在导航战中的作用及其干扰对抗研究[J].现代防御技术,2001. (6):42-47.

[4]赵昀,张其善,寇艳红.基于Matlab的数字中频GPS信号生成模型[J].信号处理,2005,21(3):300-303.

[5]王伟,徐定杰.基于FFT的伪码快速捕获[J].哈尔滨工程大学学报,2003,24(6):646-650.

[6]姚芬.未来人工观察系统发展设想[J].指挥信息系统与技术,2011，2（6）：1-5.