李 雪，李晓东，王增柱

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

引言

卫星导航信号模拟器能够为导航接收机的设计、验证、测试提供输入信号源，是卫星导航接收机研发和卫星导航信号系统验证的主要工具。随着GPS现代化，Galileo系统、“北斗二代”卫星导航系统逐步开发完善，BOC（Binary Offset Carrier）调制信号、MBOC（Multiplexed Binary Offset Carrier）（包括CBOC（Composite Binary Offset Carrier）和TMBOC（Time Multiplexed Binary Offset Carrier））调制信号、AltBOC（Alternate Binary Offset Carrier）调制信号也得到广泛采用［1～3］。

BOC调制包括正弦BOC、余弦BOC、CBOC、TMBOC、AltBOC等调制方式，虽然形式多样，但耗费资源多，软件兼容性差，不利于工程实现。传统的QPSK调制实现方式比较简单，但是难以适应复杂的信号结构。研究一种既可以产生BOC信号，又能产生传统的QPSK信号的通用基带信号生成方法非常必要。

经过分析，采用QPSK调制方式实现BOC信号是生成通用基带信号的有效途径。正弦BOC、余弦BOC信号其实就是在QPSK调制的基础上增加了副载波，所以它们可以按照QPSK调制方法实现；TMBOC的实现与正、余弦BOC的实现类似，只需要在副载波调制时加入时分控制信号即可。而对于CBOC和AltBOC信号，调制方式比较复杂，无法直接采用QPSK调制方式实现，因此如何采用QPSK调制方式实现CBOC和AltBOC信号是生成通用基带信号的关键，也是本文要重点解决的问题。

1 CBOC调制信号生成方法

Galileo导航系统E1频点采用CBOC（6，1，1/11）调制方式［4～6］，其调制框图示于图1。

图1 E1 CBOC调制框图Fig.1 Modulation scheme for the E1 CBOC signal

输出E1信号表达式如下

其中，CE1-B为B支路扩频码，CE1-C为C支路扩频码，DE1-B为B支路导航电文数据流，scE1-B，a为B支路1.023MHz副载波，scE1-B，b为B支路6.138MHz副载波，scE1-C，a为C支路1.023MHz副载波，scE1-C，b为C支路6.138MHz副载波。

从式（1）可以看出，CBOC调制是多比特位调制，直接实现会非常复杂。因此对式（1）加入载波调制，重新整理，得到式（2）。

由式（2）可以看出，E1的调制表达式可以分为两部分:α（eE1-B（t）scE1-B，a（t）cosωteE1-C（t）scE1-C，a（t）sinωt）和β（eE1-B（t）scE1-B，b（t）cosωt+eE1-C（t）scE1-C，b（t）sinωt）。前者实际上是一个QPSK调制，后者可近似为QPSK调制，只不过符号与QPSK调制不同。

令

得到

其中，ω1为基带频率，ω2为本振频率。再令

得到

根据上述推导，E1信号可以采用两个单独的QPSK通道生成，而功率项可以通过控制中频功率得到。

通过以上变换就可以按照QPSK实现方式生成CBOC调制信号。

2 AltBOC调制信号生成方法

Galileo导航系统的E5频点信号采用AltBOC（15，10）调制，其表达式如式（9）所示，两个副载波均为4电平量，4路扩频信号为双电平量，合成信号为恒包络信号［7～9］。

本文采用的实现方法忽略交调项影响，将两个通道分别进行QPSK调制，其中一个QPSK调制信号的频谱被偏移至载波频率左边的15f0（f0=1.023MHz）频率处，另一个信号频谱被偏移至载波频率右边的15f0频率处，然后叠加生成AltBOC调制信号，其实现框图如图2所示。本方案由于忽略了交调项，会对信号的恒包络特性有一定的影响，但对于小功率的模拟器来说这种影响可以忽略，在实际的工程实现中，这种方法是可行的。

图2 两路QPSK信号合成生成Galileo E5信号原理Fig.2 The principle diagram of Galileo E5 signal generation with the combination of two QPSK signals

3 通用基带信号生成方法

基于以上分析，所有BOC信号都可以采用QPSK调制方式实现，因此本文提出一种通用的基带信号生成方法，通过软件配置不同的选择开关产生BPSK、QPSK以及BOC信号，其通道结构如图3所示。

其中，K1为分时复用开关，K2用于选择I路不同速度的码时钟，K3用于选择Q路不同速度的码时钟，K4为分时控制信号开关，K5为I支路副载波选择开关，K6为Q支路副载波选择开关，K7为复副载波选择开关，K8为QPSK输入信号选择开关，K9为BPSK与QPSK选择开关。

为保证副载波、扩频码严格对齐，在设计中，采用码速率最高的副载波的NCO来产生其他副载波和伪随机码的时钟。在图3中，对码A1Iw和码A1Qw进行分频得到A2Iw和A2Qw，将A1Iw和A2Iw配置到I路副载波选择器输入端，A1Qw和A2Qw配置到Q路副载波选择器输入端，通过开关控制实现不同副载波调制。扩频码的产生是对A1Iw、A1Qw、A2Iw和A2Qw取下降沿变窄得到A1In、A1Qn、A2In和A2Qn，将A1In和A2In配置到I路码时钟选择器输入端，A1Qn和A2Qn配置到Q路码时钟选择器输入端，通过开关控制实现不同扩频码的输入。

图3 通用基带信号产生通道结构Fig.3 Channel structure diagram of universal baseband signal generation

4 仿真分析

本节从信号功率谱图的角度验证本文通用基带信号产生方法的正确性。图4为多体制多系统卫星导航信号模拟源。将设计输出的信号直接连接到频谱分析仪上，得到信号实测频谱图。图5为CBOC（6，1，1/11）调制信号理论频谱图和实测频谱图。由于BOC（6，1）扩频符号的加入，使得CBOC调制信号在±6MHz附近比BOC（1，1）调制信号的功率谱密度要高。图6为AltBOC（15，10）调制信号理论频谱图和实测。由于对接收机来说只考虑主瓣，因此在满足接收机要求的情况下，本文采用的方法是可以实现Alt-BOC（15，10）调制信号生成的。

图4 多体制多系统卫星导航信号模拟源Fig.4 Multi-modulation and multi-system satellite navigation signal simulator

5 结束语

本文介绍了采用QPSK调制方式生成CBOC调制信号和AltBOC调制信号的方法，提出一种通用的基带信号产生结构，既可以产生各种新体制的BOC信号，又能生成传统的BPSK、QPSK信号，能够满足GPS、GLONASS、Galileo和北斗等全球导航卫星系统的研发需求。本文方法减少了资源耗费，降低了设计复杂度，已在多体制多系统模拟器中得到实现，测试结果良好，为将来研制更高性能的导航信号模拟器打下了基础。

图5 CBOC（6，1，1/11）调制信号频谱Fig.5 Power spectral density of CBOC（6，1，1/11）modulation signal

图6 AltBOC（15，10）调制信号频谱Fig.6 Power spectral density of AltBOC（15，10）modulation signal

［1］谢 钢.全球导航卫星系统原理［M］.北京:电子工业出版社，2013.Xie Gang.The Principle of Global Navigation Satellite System［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2013.

［2］张 鑫，田 丰，李彩华，等.可配置新体制导航信号生成方法及性能分析［J］.导航定位学报，2013，1（4）:36～41.Zhang Xin，Tian Feng，Li Caihua，et al.Configurable Modernized Navigation Signal Generation Method and Performance Analysis［J］.Journal of Navigation and Positioning，2013，1（4）:36 ～41.

［3］Kaplan Elliott D，Hegarty Christopher J.GPS原理与应用［M］.寇艳红，译.第二版.北京:电子工业出版社，2007:105～109.Kaplan Elliott D，Hegarty Christopher J.Understanding GPS:Principle and Applications［M］.Kou Yanhong，Trans.2nd ed.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2007:105 ～109.

［4］Galileo Joint Undertaking.Galileo Open Service Signal in Space Interface Control Document［S］.［s.l.］:European Space Agency/Galileo Joint Undertaking，2010.

［5］Kou Yanhong，Zhang Bo，Zhao Yun.Design and Implementation of a Multi-signal-structure GNSS Signal Simulator Using Low IF Digital Quadrature Modulation［C］//Proceedings of the 21stInternational Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation（ION GNSS 2008）.Savannah:［s.n.］，2008:2677 ～2691.

［6］Fantino Mautizio，Mulassano Paolo，Dovis Fabio，et al.Performance of the Proposed Galileo CBOC Modulation in Heavy Multipath Environment［J］.Wireless Pres Communication，2008，44（3）:323 ～339.

［7］雷志远，郭 际，卢晓春.恒包络AltBOC信号调制方式分析［J］.时钟频率学报，2013，36（1）:44～53.Lei Zhiyuan，Guo Ji，Lu Xiaochun.Analysis of Constant Envelope AltBOC Modulation［J］.Journal of Clock Frequency，2013，36（1）:44 ～53.

［8］Lestarquit L，Artaud G，Issler J L.AltBOC for Dummies or Everything You Always Wanted to Know about AltBOC［C］//ION GNSS，Savannah:GA，2008:961 ～970.

［9］王 璐，李 鹏，刘崇华.AltBOC导航信号调制技术研究［C］//第二届中国卫星导航学术年会电子文集（CSNC 2011）.上海:中国卫星导航系统管理办公室，2011.Wang Lu，Li Peng，Liu Chonghua.Study on AltBOC Navigation Signal Technology［C］//The Second Session of the China Satellite Navigation Conference（CSNC 2011）.Shanghai:Chinese Satellite Navigation System Management Office，2011.