（电路与系统专业论文）基于FPGA的BOC调制技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 本文设计了一个用于区域卫星定位系统的b o c 调制信号产生器，产生一个由 b o c 信号、c a 码扩频信号、p 码扩频信号经b p s k 调制再合成的特定信号。f p g a 的高速、并行和可编程特性，以及基于f p g a 的s o p c 技术的出现，使f p g a 成 为实现b o c 调制信号产生器的理想载体。 本文在b o c 调制的理论分析、系统建模与仿真、以及介绍f p g a 开发技术的 基础上，提出了一种在单片f p g a 上实现b o c 调制信号产生器的扩频码产生、b o c 信号产生、数字b p s k 调制和正交合成的完整方案。针对系统各部分工作频率的 特点，采用公倍数时钟作为全局时钟进行同步设计的方法，解决了多速率系统信 号输出的同步问题。 本文在e p 2 s 6 0 评估板上实现了所提方案，用s i g n a i t a pi i 和频谱分析仪对实 现的b o c 调制信号产生器进行了测试，验证了所提方案的正确性。 关键字：8 0 c ( 二进制偏移载波)信号产生仿真建模f p 6 f i a b s t r a c t l a b s t r a c t a b o c ( b i n a r yo f f s e tc a r r i e r ) m o d u l a t i o ns i g n a lg e n e r a t o rf o rr e g i o n a ls a t e l l i t e n a v i g a t i o ns y s t e mi ss t u d i e da n di m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r , w h i c hg e n e r a t e sb o c m o d u l a t e ds i g n a l sa n ds p r e a d i n gs i g n a l si n c l u d i n gc ac o d ea n dpc o d e ，m o d u l a t e s t h e ms e p a r a t e l yb yb p s kw i t hv a r i a b l eg a i n ，a n dc o m p o u n d st h e mi n t oan e w s i g n a la s a no u t p u t w i t hd e v e l o p m e n to fp l d , s o p c t e c h n o l o g yb a s e do nf p g aa p p e a r e d a n d f o ri t sp a r a l l e lf e a t u r e sa n dp r o g r a m m a b i l i t y , f p g ai ss e l e c t e da sa ni d e a lp l a t f o r mf o r i m p l e m e n t i n gs i g n a lg e n e r a t i o n b a s e do n t h e o r ya n a l y s i s , m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，i n t r o d u c i n gf p g a d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , as c h e m et oi m p l e m e n tt h es y s t e mi nas i n g l ef p g ac h i pi s p r o p o s e d ，i n c l u d i n gg e n e r a t i n gt h es i g n a l s ，b p s km o d u l a t i n ga n dc o m p o u n d i n gt h e s e s i g n a l s a sw o r k i n gf r e q u e n c yi se x a c tm u l t i p l e so fac e r t a i nf r e q u e n c y ，am e t h o dt o m a k ea l lg e n e r a t e ds i g n a l ss y n c h r o n o u si si n t r o d u c e di nd e t a i lf o rt h i sm u l t i r a t es y s t e m ， b yu s i n gs y n c h r o n i z a t i o nc k c u i t sw i t hag l o b a lc l o c kw h o s ef r e q u e n c yi sac o m m o n m u l t i p l eo f t h eo v e r a l lw o r k i n g f r e q u e n c y t h es c h e m ei sr e a l i z e do nd s p d e v e l o p m e n tk i t s t r a t i xl ie p 2 s 6 0a n dt e s t e db y s i g n a l t a p1 1a n ds p e c t r u ma n a l y z e r , w h i c hv e r i f i e st h ev a l i d i t yo ft h es c h e m e k e y w o r d s ：b o c ( b i n a r yo f f s e tc a r r i e r )s i g n a lg e n e r a t i o n s i m u l a t i o n m o d e l i n gf p g a 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优息的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切的法律责任。 本人签名：逾盔 日期盈：! ：笪 关于论文使用授权的说明 本人完全了解两安电子科技大学有关保留和使用学位沦文的规定，即：研究生 住校攻读学位期f h j 论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合 学位论文铆f 究课题冉攥写的文章一律署名单位为西安电了科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，存一年解密后适用本授权书。 本人签名：丛缝 导师签名 二= 珏 日期2 ：厶丝 日期鲨2 ：! ：鲨 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题依据及意义 本文所涉课题源自中科院国家授时中心和西安电子科技大学共同承担的研究 项目“b o c 信号调制器”，其目标是设计一个基于f p g a 的b o c 调制信号产生器。 b o c 信号与传统的扩频信号不同，它具有对称分裂的频谱和多峰结构的自相 关函数，能够与卫星系统上的先有信号共享频带，并具有更好的定位精度和抗干 扰性能。中科院国家授时中心极为重视b o c 调制在国内卫星系统中的应用前景， 至目前已经开展了一些初步的应用研究工作，其中b o c 调制信号产生器将应用于 区域卫星定位系统，产生系统所需的多种信号。 1 2 研究背景 b o c ( b i n a r yo f f s e tc a r t i e r ) 调制是随着g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 卫星 导航系统的发展提出来的，设计初衷是为了使g p s 增发的信号能够与先有的信号 共享频带资源。其主要思想是把调制之前的扩频基带信号先与一定频率方波进行 预调制，使信号能量在频谱上产生分裂，从而与先有信号的频谱有效隔离。在下 一代g p s 系统中，b o c 调制主要用于产生新增的军用信号( 即m 码) 。 b o c 调制一经提出就引起了各卫星导航大国( 包括中国、俄罗斯和欧盟) 的 极大关注，这不仅是因为b o c 调制可以用于卫星导航系统信道的添加，更重要的 是它能提高卫星导航系统的定位精度和改善其它性能( 如抗干扰) 1 1 0 1 1 ”1 。 b o c 调制的概念i l 州首先在2 0 0 1 年由m i t r e 公司的j o h nw b e t z 在b i n a r y o f f s e tc a r r i e rm o d u l a t i o n sf o rr a d i o n a v i g a t i o n ) ) 一文中正式提出，当时还只是作为 产生m 码的一种候选方案。他在文中指出b o c 调制能使新增信号共享先有信号 的频段，相对于传统的b p s k ( p h a s es h i f tk e y i n g ) 调制方式具有更好的性能，并 给出了b o c 信号的几种捕获方法。 增加m 码前的g p s 系统如图1 1 所示，它包括两个载频，u 为1 5 7 5 4 2 m h z ， l 2 为1 2 2 7 6 m h z ，l 1 和l 2 的频段宽度均是_ + 1 2 m h z 。l 1 上调制有两个相互正交 的扩频码：码率为1 0 2 3 m 的p ( y ) 码和码率为1 0 2 3 m 的c a 码，二者均以b p s k 方式调制在l 1 载频上。其中p “) 码是由码率为1 0 2 3 m 的p 码和码率大约为5 0 0 k 的用于加密的w 码模2 相加而成，从而加密p 0 0 只能为美国军方使用。c a 码是 公开的和未加密的明码，除民用之外，还用于引导军用接收机快速捕获p ( y ) 码。 2 基于f p g a 的b o c 调制技术研究 l 2 频段只发射p ( y ) 码，以便和u 上的p ( y ) 码相配合，消除电离层的影响。 c a 码 图1 1 增加m 码前的g p s 信号频谱结构 增加m 码后的g p s 系统1 1 0 i i “1 1 “】1 1 5 1 如图1 2 所示。m 码具有分裂的频谱，这 种信号的大部分功率分布在靠近l 1 频段和l 2 频段边沿的位置，它与码率较低的 c a 码共同调制在正交支路上。 p 图1 2 增加m 码后的g p s 信号频谱结构 无独有偶，欧盟的g a l i l e o 卫星导航系统也选定b o c ( 1 ，l 调于e 2 l 1 e 1 频段 的公开服务数据。2 0 0 4 年1 0 月，我国与欧盟正式签署了参加g a l i l e o 计划的协议， 中方将出资2 亿欧元用于g a l i l e o 计划的开发和部署，并将拥有g a l i l e o 系统的2 0 的所有权和全部使用权。目前g a l i l e o 系统己进入全面在轨试验阶段，预期将于2 0 1 0 年j 下式运行。 我国对b o c 信号的研究已经开始 1 2 1 1 弱。例如，北京航空航天大学受8 6 3 计划 资助，研究了g a l i l e o 系统e 2 l 1 e 1 频段的b o c ( 1 ，1 ) 的接收算法。 b o c 信号的产生理论基本成熟，其调制过程可以用二进制表示，因而可以直 接采用数字逻辑器件实现。但是，由于我国b o c 调制的应用研究工作冈i n , j 开始， 目前还未研制出功能完善的b o c 调制信号产生器。 课题研制的b o c 调制信号产生器是一个综合的信号产生系统，用于产生一个 由b o c 信号、c a 码扩频信号、p 码扩频信号按设定增益b p s k 调制再正交合成 的特定信号。课题要求b o c 信号与码率为1 0 2 3 m 的d a 码调制在正交支路，码 率为1 0 2 3 m 的p 码调制在同相支路。b o c 调制信号产生器的这些功能都是为了 第一章绪论3 适应区域定位系统的实验环境、方便现场实验。 目前实现本数字系统可能采用的载体主要有：d s p 、c p l d 、f p g a 、a s i c 。 本系统要求在同一时刻并行产生多路信号进行合成，而且数据率可达百兆以上， 不易用d s p 实现。c p l d 和f p g a 具有高速、并行的特性，b o c 信号和扩频码都 可以用数字逻辑产生，因此本系统适合采用c p u ) 或f p g a 实现。p 码、c a 码和 b o c 信号目前还专用于卫星导航领域，市场上可见到的仅有用于民用接收机的 a s i c ，这些a s i c 只有信号接收的功能，不具备信号产生功能，就目前情况而言， 本系统不可能用现成的a s i c 实现。f p g a 与c p l d 相比，f p g a 的集成度更高、 密度更大、速度更快，特别是基于f p g a 的s o p c 技术使f p g a 内部可以嵌入软 核或硬核处理器，从而使基于f p g a 设计的数字系统变得智能化。所以，本课题 选用f p g a 作为该系统的实现载体。 1 3 本文的主要工作 本文在基于f p g a 构建b o c 调制信号产生器的实现技术方面开展研究，在 b o c 调制理论分析、信号产生的建模与仿真的基础上，设计了一种在单片f p g a 上实现b o c 调制信号产生器的方案。论文对实现的系统进行了测试，取得了满意 效果。本文完成的主要工作包括以下几方面内容： ( 1 ) 对b o c 调制进行理论分析 通过查阅资料了解b o c 调制的基本理论，用m a t l a b 仿真了课题要求的多种 b o c 信号的功率谱和自相关函数。 伫) 信号产生的系统建模与仿真 在深入了解m 序列产生理论的基础上，对扩频码( c a 码和p 码) 的产生算 法结构进行了s i m u l i n k 建模，考察了扩频码的功率谱与理论的一致性，验证了扩 频码产生算法结构的正确性。 在扩频码产生的基础上，对b o c 信号产生方法进行了s i m u l i n k 建模与仿真， 考察了c 协码、p 码和b o c 信号经b p s k 调制后的功率谱，从而验证了整个信号 产生方案的正确性。 ( 3 ) 功能逻辑的f p g a 实现 在单片f p g a 上实现了b o c 调制信号产生器的所有逻辑，包括扩频码产生、 b o c 信号产生，以及频率控制、b p s k 调制、增益控制和正交合成等逻辑。 针对系统各部分工作频率都是某个频率的整数倍的特点，论文提出用公倍数 时钟作为全局时钟进行同步设计的方法，解决了多速率系统多路信号输出的同步 问题。 h ) n i o s 嵌入式系统的f p g a 实现 4 基于f p g a 的b o c 调制技术研究 用s o p cb u i l d e r 定制了基于f p g a 的n i o s 嵌入式系统，扩展片上的p i o 资源 和u a r t 资源，以完成功能逻辑的控制和与主控设备的通信。在n i o si i1 d e 中完 成了n i o s 嵌入式系统的软件设计，软件采用自定义的带校验的通信协议，保证了 协议层控制命令的可靠传输。 ( 5 ) 系统测试 将功能逻辑加载到硬件平台上，用频谱分析仪对各种参数配置下系统产生的 信号频谱进行了测试，测试结果与理论一致，验证了系统方案的正确性。 论文的基本框架： ( 1 ) 第一章简要介绍课题的来源、意义和研究背景，并概括地提出工作的主要 内容。 ( 2 ) 第二章介绍了b o c 信号的定义、表示方法，重点仿真和总结了b o c 信号 的功率谱和自相关函数的特征，给出了一种容易实现的b o c 信号产生方法，并简 要介绍了b o c 调制的几种典型应用。 ( 3 ) 第三章对方案选用的信号产生算法结构进行了系统建模与功率谱仿真，内 容包括m 序列产生、c a 码产生、p 码产生和b o c 信号产生以及它们的b p s k 调 制和正交合成。 ( 4 ) 第四章介绍f p g a 的开发技术，包括设计输入方法、调试技术、p p g a 的 开发流程。 ( 5 ) 第五章重点讨论系统方案及其f p g a 实现，对实现的系统进行测试，给出 了测试结果及分析。 ( 6 ) 最后，给出了课题研究的结论。 第二章b o c 调制的理论分析 5 第二章b o c 调制的理论分析 2 1 引言 研制信号产生系统，首先要明确要产生信号的特性及其产生方法。本章将在 b o c 调制定义的基础上，介绍b o c 信号的功率谱和自相关函数的分析方法：通过 m a t l a b 仿真多种b o c 信号的功率谱和自相关函数，总结其信号特征；并讨论一种 b o c 信号的产生方法。 2 2 1b o c 信号的定义 2 2b o e 调制的基本概念 一般的偏移载波调制信号”“1 的表达式为： s ( f ) e - i 0 吼以( f 一砌互一t o ) c t , ( t - t o ) 式( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中， a 。是数据调制后的扩频码，有单位幅值，相位则在符号表中随机选取。 c r ( t ) 是副载波。它是一个周期为2 正的周期函数； 以( t ) 是扩频符号它是一个持续时间为n t 的矩形脉冲，n 是一个正整数， 表示一个扩频符号持续时间与半个卧载波周期的比值。 口和“分别是相对于某个参考的相位和时间偏移。 b o c 调制是偏移载波调制的特例，b o c 调制得到的信号称为b o c 调制信号， 文中2 也称b o c 信号。对于b o c 信号而言，a 。的取值只能为+ 1 或1 ，扩频码与 扩频符号之积吼以( t 一砌z - t o ) 为持续时间h 互、幅值为+ 1 或者1 的矩形脉冲， q ( t ) 是方波。 图2 1 给出了一个b o c 调制波形的示例，其中数据调制后的扩频序列为+ l 、 1 、+ 1 、11 ，n 取值为4 。 6 基于f p g a 的b o c 调制技术研究 ： 图2 1 b o c 调制实例 对于b o c 信号，令式( 2 1 ) 中 吼( t ) - a n o 一勋t t o ) o r , ( f 一气) 一( 一1 r 如( f 一所t ) 式( 2 2 ) 则，式( 2 1 ) 可以按照n 为偶数或者奇数，分为两类： 当n 为偶数时 s ( f ) e - i o a k q ( f 一砌z t o ) ( 行为偶数) 式( 2 - 3 ) 当，l 为奇数时 5 ( f ) e - 1 8 ( 一1 ) k a k q ( f j b i c t o ) ( n 为奇数) 式( 2 4 ) 由于吼l ( f ) 是参考时间点在零时刻、持续时间为忍个半周期的方波信号，显然： 当 为偶数时，吼( f ) 的均值为零( 没有直流分量) ；当n 为奇数时，吼( t ) 的均 值不为零( 有直流分量) 。 2 2 2b o c 信号的表示 b o c 信号有两种记法，一种记为b 0 c ( 正，c ) ， 扩频码速率。由于l 是副载波的半个周期，因此有： 正。击 这里正是副载波频率，正为 式( 2 - 5 ) 扩频符号的脉冲宽度是n r , ，故扩频码速率为： 无。；丝或者厅，孕 式( 2 6 ) h l ! n j 例如b o c ( 1 0 2 3 m h z ，5 1 1 5 m h z l 表示b o c 信号的副载波频率为1 0 2 3 m h z ， 扩频码速率为5 1 1 5 m h z 。 另一种记法是b o c ( a ，) ，这在g p s 或其它卫星导航系统中更常用，这里口表 第二章b o c 调制的理论分析 7 示副载波频率是ax 1 0 2 3 m h z ，芦表示扩频码的速率是x 1 0 2 3 m h z 。考虑式( 2 6 ) 得： 卢旦n 或者胛一等 式( 2 忉 口 按照这种记法b d c ( 1 0 2 3 m h z ，5 1 1 5 肘- 月2 ) 也可以表示为曰d c ( 1 0 ，5 ) ，其中的厅 取值为4 。 2 3b o c 信号的功率谱和自相关函数 2 3 1b o c 信号的功率谱 假设二进制的扩频码吒在码元时间内出现+ 1 和1 的概率相等，而i ；l + l 和1 的出现是相互独立的，则扩频数字序列的频谱只跟扩频符号p ( f ) 和扩频码元周期亭 有关m ，二进制扩频序列的功率谱为： g ( ，) i p ( ，) i 亭， 式( 2 8 ) 其中p ( ，) 为扩频码符号p ( t ) 的傅立叶变换。 b o c 信号扩频码元周期宇为一正，对应于p ( f ) 的扩频符号为式( 2 2 ) 中的吼l ( t ) 的傅立叶变换为： 蚓，) - 掣黔p 觚 式( 2 - 9 ) 继续简化式( 2 9 ) ， 当n 为偶数时： 荟( 一1 ) “p 。l1 呻。m + 一狮一2 m _ 1 - e - j 2 。 r r ) 驴4 “见 导 一2 把“皿s i n ( 石屈) p 1 4 “珥 坩如廿吖蚓c o s ( ：r r , ) 】 式( 2 - 1 0 ) 结合式( 2 8 ) ，可以得到咒为偶数时b o c 信号的功率谱： 8 基于f p g a 的b o c 调制技术研究 引( ，) 一壶【絮铲】( 堋数，枷， 同理可以得到甩为奇数时的b o c 信号的功率谱： 川一寿【兰总黯产( 蹦数，枷， 这样当，l 及n 不同时将会有不同的功率谱，各种情况下的功率谱具有各自的一 些特点。图2 2 给出了在4 0 m h z 带宽内仿真的b o c ( 1 0 , 5 ) 、b o c ( 1 0 , 1 0 ) 、b o c ( 5 ，2 ) 、 b o c ( 3 ，2 ) 的归一化功率谱，它们n 的取值分别为4 ，2 ，5 ，3 。 可以看出n 为偶数时和弗为奇数时的b o c 信号功率谱形式上的差别只是前者 包含的是正弦函数、后者包含的是余弦函数。显然，一为奇数时的b o c 信号的功 率谱在中央有一个旁瓣，捍为偶数时则没有。综上所述，b o c 信号的功率谱形状 具有如下特征： ( 1 ) 主瓣数与主瓣之间的旁瓣数之和等于n ，即为2 导或2 譬。 p，c ( 2 ) 主瓣宽度是扩频码速率的2 倍，这和普通的b p s k 调制相同，而旁瓣宽度 等于扩频码速率，即比主瓣窄一半。 ( 3 ) 主瓣的最大值发生在比副载波频率正稍小一些的地方，这是因为上下边带 之间有相互作用的缘故。 棚事( m h z ) b o c t s 瑚功率谁 b o c 0 0 1 0 m 功率谱 图2 2 b o c 信号的功率谱 第二章b o c 调制的理论分析 9 2 3 2b o c 信号的自相关函数 对式( 2 - 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 进行反傅立叶变换1 3 1 ，就可以得到珂分别在偶数和 奇数情况下的b o c 信号自相关函数。但是，实际中的信号产生设备和接收机的带 宽都是有限的，研究接收机在一定带宽下b o c 信号的自相关函数更有实际意义。 为了区别无限带宽和有限带宽的自相关函数，这里特别定义了用反傅立叶变 换方法求解的有限带宽的自相关函数： p , 2 e ( i ) 一re ( ，) ，圳7 矽 式( 2 1 3 ) 一茸2 其中， g i ( ，) 为b o c 信号在无限带宽上的功率谱密度； 屏为要考察的有限带宽。 功率谱被带限以后剩余的能量为： 玑经 a rq ( ，) 彤 式( 2 1 4 ) 一五，2 下面主要通过仿真考察b o c 信号的自相关函数分别在i g h z 和2 4 m h z 带宽 下的差异。图2 3 给出了b o c ( 1 0 ，5 ) 在i g h z 和2 4 m h z 带宽时的归一化自相关函数。 时同( u s ) 在2 4 m h z 带宽上仿真e o c o o 目的自柑关函数 ：f 靼壤 j 一 ；vv ； 图2 3 在1 g h z 和2 4 m h z 带宽上仿真b o c ( 1 0 ，5 1 的自相关函数 可以看出，有限带宽情况下的b o c 信号较无限带宽时有所变化：在频域上表 现为信号功率的损失( 带限) ；在时域上表现为自相关函数波形被平滑。 下面内容主要仿真考察2 4 m t t z 带宽下的多种b o c 信号的自相关函数，以总 结b o c 信号自相关函数的性质。图2 4 给出了2 4 m h z 带宽内的b o c ( 1 0 ，5 1 、 b o c ( 1 0 ，1 0 ) 、b o c ( 5 ，2 ) 、b o c ( 3 ，2 ) 的归一化自相关函数的绝对值，它们栉的取值分 1 0 基于f p g a 的b o c 调制技术研究 别为4 ，2 ，5 ，3 。可以看出b o c 信号自相关函数具有以下特征： ( 1 ) 相关峰总数等于2 n - - 1 ，两峰间的时延为t 。 ( 2 ) 各峰的高度为( - 1 1 i ) n ，其中，为峰值离开主峰( 峰值最大者) 的编号， 可能的取值有0 ，l ，一一1 。 ili 】n tf 嗽基l 二：1i 一一洲y 时间( u s ) 在2 4 m h z 带宽上仿真b o c 0 0 1 0 ) 的自相关函数 ll 玩 ii i ：i ；厂f 卜 。一一j ，u i i 一i l 时间( u s ) 在2 4 m h z 带宽上仿真b o c ( 5 2 ) 的自相关函数 时间( u s ) 在2 4 m h z 带宽上仿真b o c ( s 2 ) 的自相关函数 i ； 瀚一一杰劁匕芦 图2 4 在2 4 m 带宽上仿真多种b o c 信号自相芙函数的绝对值 2 3b o c 信号的产生方法 由b o c 信号的定义可知，信息码、扩频码和副载波都是二进制的，比值n 是 一个整数，它们的产生在相位上必须严格对齐，因此实现时三者的时钟应取自同 一全局时钟。图2 5 给出了一种可行的b o c 信号的产生方法。 图2 5 中，b o c 信号产生分为四个模块：扩频码产生模块、信息码产生模块、 频率控制模块、调制模块。各个模块的主要功能为： ( 1 ) 扩频码产生模块用于产生扩频用的伪随机码，为适应卫星导航系统的需 要，产生的扩频码周期要足够长( 选用周期较长的m 码或g p s 系统中的p 码) 。 ( 2 ) 信息码产生模块用于产生导航信息码或用户信息码，信息码的内容允许用 户定制。 ，5 g 阜鬟草日i 帮盛*苹目i 单瓦薜l苹目i 革医薛l掣，日i 第二章b o c 调制的理论分析 ( 3 ) 频率控制模块用于控制信息码速率、扩频码速率和方波频率，以便实现课 题要求的各种b o c 信号。 ( 4 ) 调制模块用于完成“扩频码调制信息码”和“方波调制扩频码”。 图2 5b o c 信号产生原理框图 虽然图中用于表示调制的符号是一个乘法单元，但是对于b o c 调制而言，该 乘法可以用简单的数字逻辑异或运算代替，下面对此给出一个简要的证明。 b o c 调制中的信息码、扩频码、方波都是二进制的，b o c 调制乘法的输入只 有两种状态s + 1 一1 ) ，其输出结果也属于该集合，因此可以用数字逻辑代替。 b o c 调制乘法运算 s 1s 2 结果 + 1+ 1+ 1 + 111 1+ 11 11+ 1 数字逻辑异或运算 s 1s 2 结果 0 o0 0 11 1 01 1 10 图2 6 用数字逻辑表示b o c 调制 由图2 6 可以看出：用数字的“o ”和1 代替b o c 调制过程中的“+ 1 ”和“1 ”，b o c 调制的乘法可以用数字逻辑的“异或”( 模2 加法) 运算代替。 2 4b o c 调制在卫星导航系统中的应用 b o c 调制是为解决下一代g p s 卫星导航系统军民信号频谱隔离提出的， b o c ( 1 0 ，5 ) 已经选定用于产生g p s 系统的l 1 和l 2 上的m 码信号1 1 0 l 。增加m 码 后g p s 系统的信号包括：码率为1 0 2 3 m h z 的p 码、码率为1 0 2 3 m h z 的c a 码、 b o c ( 1 0 ，5 ) 信号。这三个信号的归一化功率谱和归一化相关函数绝对值如图2 7 所 示。由图可见，a o c ( 1 0 , 5 ) 的主瓣能量出现在靠近副载波1 0 2 3 m h z 的位置，可以 基于f p o a 的b o c 调制技术研究 与先有的c a 码的频谱隔离。从性能上讲，由于b o c 0 0 ，5 ) 内部调制了1 0 2 3 m h z 的副载波，其自相关函数出现了多个相关峰，主峰宽度比码率为1 0 2 3 m h z 的p 码还要窄，这就意味着b o c ( 1 0 ，5 ) 在码率没有增长( 带宽不增加) 的条件下，可以 将g p s 卫星导航系统的定位精度至少提高2 倍。 曼： l 。1 0 n 即哪坷与p 旧的功率谱 i e o c 0 0 目j r e = 4 稼 、厂、 b蔺 ” 觯5 ” b o c t i o 屏与c 棚时功搴谱c 0 0 舟与c 棚的自柑关函数 一日0 c l 0 目f 4 c 脶珥 ； ；： li i - j - 霸i 飞 径：黛鼾二蕊 一m 、 图2 7g p s 卫星导航系统应用b o a l 0 , 5 ) g a l i l e o 卫星导航系统中也使用了b o c 调制，其中b o c ( 1 ，1 ) 已经选定用于 g a l i l e o 系统e 2 l 1 e 1 频段的公开服务数据。g a l i l e o 系统期望采用b o c ( 1 ，1 ) 获得 比传统b p s k 信号更好的定位精度和抗干扰性能。b o c ( 1 ，1 ) 的功率谱和自相关函 数如图2 8 所示。 e o c ( 1 街功率落 b o c ( i 瑚自帽关函麓 一r f ； ， lif 1f ii ii l | ，、 fw 盯谮铲薯7 图2 8g a l i l e o 卫星导航系统应用b o c o ，1 ) 在b o c ( 1 ，1 ) 信号捕获方面，必须考虑副载波的影响。b o c o ，1 ) 的自相关函数 具有3 个峰值，中间的零点会使接收机判定信号不存在，因此传统的b p s k 信号 摹韶帮荦士 v爵鸢十士 第二章b o c 调制的理论分析 捕获算法不再适用。北京航空航天大学受8 6 3 计划资助，研究了g a l i l e o 系统 e 2 l 1 e 1 频段的b o c ( 1 ，1 ) 的接收算法1 ”，取得了满意效果。由于信号接收不属于 本文的工作，这里不再展开讨论。 2 5 小结 本章主要在b o c 调制理论分析的基础上仿真并总结了b o c 信号的功率谱和 自相关函数的特征。由于副载波预调制的影响，b o c 信号的功率谱能量产生了对 称性分裂，频谱主瓣位置与副载波频率有关，主瓣之间的旁瓣数与比值n 有关；其 自相关函数具有多峰结构，在占用相同带宽的条件下，b o c 信号的自相关函数比 传统的b p s k 信号具有更窄的主峰宽度。 在b o c 信号产生方面，本章从b o c 信号定义引申出了一种可行的信号产生 算法结构，并从理论上证明了b o c 调制过程中的乘法可以用数字逻辑异或运算代 替，该方法降低了用f p g a 产生b o c 信号的复杂度，为工程实现b o c 调制信号 产生器做好了准备。 第三章信号产生的系统建模与仿真 第三章信号产生的建模与仿真 3 1 引言 系统建模与仿真可以用于检验信号产生算法结构是否正确，或者对已有成熟 的算法结构的理解是否正确。本章将在理论分析的基础上，使用m a t l a b 的动态建 模、仿真和分析工具s i m u l i n k ，对本课题涉及的信号产生算法结构进行建模，以检 验信号产生算法的正确性。建模与仿真的任务包括： ( 1 ) 对线性反馈移位寄存器方式产生m 序列的算法结构进行建模。 ( 2 ) 对p 码和c a 码的产生算法结构进行建模，并仿真其功率谱。 ( 3 ) 对b o c ( 1 0 ，5 ) 、a o c 0 0 1 0 ) 、b o c ( 8 , 4 ) 、b o c ( 8 ，8 ) 的产生算法结构进行建 模，并仿真其功率谱。这几种b o c 信号是课题要求的信号形式。 ( 4 ) 对基带信号的b p s k 调制和正交合成过程进行建模：b o c 信号与码率为 1 0 2 3 m 的c ，a 码调制在正交支路，码率为1 0 2 3 m 的p 码调制在同相支路。仿真 合成的功率谱，观察其频谱隔离效果，并选择合适的调制频率。 3 2 1m 序列的产生方法 3 2m 序列的产生 伪随机序列通常采用反馈移位寄存器来产生，按照反馈方式的不同，它又分 为线性反馈法和非线性反馈法两类。其中，由线性反馈移位寄存器产生出的周期 最长的二进制数字序列称为最大长度的序列，通常称为m 序列，本文中也称m 码。 因为m 码的理论比较成熟，可以直接用数字逻辑电路实现，本文选用m 码作为产 生扩频码的基本方式。 图3 1 给出的是一个由n 级移位寄存器构成的m 码产生器的结构r 它由n 个 双稳态触发器和模2 的开关网络组成。双稳态触发器的两种状态记作“矿和1 ，第 i 级移位寄存器的状态决定于前一时钟控制后的第i - 1 级移位寄存器的状态。特别 的是，第一级寄存器的状态决定于前一时钟由某些级输出进行模2 加法反馈的状 态。图中c o ，c l ，巳均为反馈线，其中c o c - 1 。c 1 ，c 29 * - * 9 q 一。若为1 表示参与反 馈；若为o ，则表示断开反馈线，即不参与反馈。 基于f p g a 的b o c 调制技术研究 图3 1m 码产生原理框图 一个线性反馈移位寄存器能否产生m 码，决定于它的反馈系数q 。一般用特 征多项式来研究r l l 码产生结构的性质，图3 1 中的结构用特征多项式表示为： m ) 。c 0 + 叩”r 。荟 式 人们经过大量的计算已经总结了能够产生m 码的各次特征多项式1 4 1 。 实际的扩频码往往是由各种i n 码通过不同结构组合得到，n l 码的性质对检验 扩频码产生算法结构的正确性很有帮助，本文用到的m 码的基本性质有： ( 1 ) n 级线性移位寄存器产生的m 码的周期为p - 掣一1 。设码元宽度等于为e ， 则n l 码的一个周期可表示为i ? 一1 ) i 。 ( 2 ) m 码的一个周期中，“l ，的个数比“o ”的个数多一个。 ( 3 ) 定义m 码的自相关函数为 r o ，一塑堕笔靠季苫著彝磊掣式。动 那么， f 1 ， ( f 是p i 的整数倍) 聊卜1 - 击 不是p 稚数倍) 郏。 ( 4 ) 平移等价序列 把i i l 码偏移不同的码片得到的序列称为平移等价序列。 将两个平移等价序列进行模2 相加，得到的仍是结构不变的另一平移等价序 列。 ( 5 ) 截断码 截短码是将码长为p 的i n 码，截去一段卸，而构成码长为p 一p 一卸的码。 产生截短码的方法比较简单，一般是在移位寄存器的反馈回路上增加一个状态检 测器，使码长为p 的m 码经过p 个状态后，自动复位到初始状态。 ( 6 ) 复合码 第三章信号产生的系统建模与仿真1 7 如果几个m 码的长度p l ，n ，以两两互素，则将这几个m 码模2 相加可以构 成周期更长的复合码，复合码的长度为： p 5 i = i p i式0 - 4 ) 3 2 2m 序列产生的建模与仿真 m 序列产生是c a 码和p 码产生的基础，课题中所有m 序列的算法结构都应 当检验无误。鉴于各种m 序列的建模方法是相同的，这里只择其一种m 码说明本 文工作，其它的不再赘述。 在s i m u l i n k 环境中，建立仿真文件，按照图3 1 所示的方法，拖放所需模块至 仿真文件并连接，连接好的模型5 1 如图3 2 所示。 图3 2m 码产生的s i m u l i n k 建模 图3 2 中的“d e l a y ”模块用于控制信号的延迟点数，模拟移位寄存器应将延迟 点数设置为1 。将反馈点选在第3 个和第1 0 个抽头处( 详见后文g 1 码的特征多 项式) ，异或的结果反馈到第1 级的输入。为了便于实现同步，启用各个“d e l a y ” 模块的复位输入端，并设置为上升沿有效。 设定该子模块的输入( r e s e t ) 和输出( g 1 ) ，形成c a 码所需的g 1 码产生器 子系统“g o l dc o d e l ”。设置一个模1 0 2 3 的计数器触发“g o l dc o d e l ”复位，用“s i g n a l t ow o r k s p a c e ”将数据导入到m a t l a b 的工作空间，变量名取为g 1 。用s i m u l i n k 中 的虚拟示波器、虚拟频谱仪对码流进行时域分析和频域分析，如图3 3 所示。 恐 图3 3 在s i m u l i n k 中分析g 1 码的算法结构 为进一步验证仿真数据的可靠性，用m a t l a b 对导入到工作空间中的码流数据 基于f p g a 的b o c 调制技术研究 进行自相关分析，结果如图3 4 所示。注意图3 4 中的自相关分析是一般意义的自 相关函数，并不是严格定义的m 码自相关函数。图3 4 表明：用反馈移位寄存器 方法产生的g 1 码具有良好的自相关特性。按照m 码产生的原理，检验工作空间 中g 1 码数据正确无误。码流g 1 为： “1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，1 ，0 ，o ，0 ，1 ，1 ，1 ，0 ，0 ，0 ，” 保存工作空间中码流g 1 形成文件“g 1 m a t ，作为实现时的参考。 0 码的自相关分折 l o 土土。 ：。一上一一 ： iri j 3 3 1c a 码的产生方法 _ 点藏 图3 4 g 1 码的自相关分析 3 3c a 码的产生 图3 5c a 码产生原理框图 如图3 5 所示，c a 码通过两个1 0 级反馈移位寄存器组合产生l l l l 2 l ：上面的 移位寄存器产生m 码g 1 、下面的移位寄存器产生m 码g 2 。g 1 码和g 2 的特征多项 式为： 第三章信号产生的系统建模与仿真1 9 g 1 ( 工) - 1 + 矿+ 矿 g 2 ( x ) - l + x 2 + 毒3 + 工6 + 石8 + 工9 + z l o 式( 3 5 ) 式( 3 6 ) c a 码是g 1 和g 2 的乘积码，通过在某些点上断开g 寄存器反馈抽头，可产生 不同的延迟偏置。选择不同的平移等价序列g 2 ，和g 1 相乘( 模2 相加) ，可得到不 同结构的c a 码，c a 码可表示为： g ( f ) 一g 1 ( f ) g 2 。( t + 逻) ，沩0 或正整数 式( 3 7 ) g 1 和g 2 的一个周期的码总数为1 0 2 3 ，码速率均为1 0 2 3 m ，因此周期都是1 毫秒。采用不同的f 王可以产生1 0 2 3 种结构不同的乘积码，再加上g 1 和嚷本身， 共有1 0 2 5 种结构不同的c a 码。两个长度和速率相同但结构不同的m 码相乘， 得到的乘积码叫做g o l d 码，o a 码属于g o l d 码。需要特别指出，g o l d 码不是m 码，它的自相关性比m 码要差些。但是g o l d 码结构简单、调整方便，能够满足一 般场合的测距要求，因而应用于卫星定位系统的租测。 3 ，3 2c 码产生的建模与仿真 g 1 码的建模方法作为m 码产生的例子已经在前面说明，g 2 码的建模方法与 g l 码类似，这里不再赘述，只需要注意：平移选择器组合可以产生多种结构不同 的m 码，为了方便说明本文工作，这里取第2 个和第6 个抽头处的值模2 相加的 结果作为0 2 码的输出。 按照c a 码定义，将g 1 码产生子系统的输出与g 2 码产生子系统的输出进行 模2 相加即可得到c a 码，其s i m u l i n k 建模如图3 6 ( a ) 所示。用虚拟频谱仪可 以直接观察到c a 码的频谱，其中的主瓣带宽约为2 m ，与理论值一致，如图3 6 ( b ) 所示。 4 在工作空间中察看c 执码流： “1 ，1 ，0 ，0 ，1 ，0 ，0 ，0 ，0 ，0 ，1 ，1 ，1 ，0 ，0 ，1 ，0 ，1 ，0 ，” 保存工作空间中码流c a 形成文件“c a m a t ”，作为实现时的参考。 系统实现时需要的其它结构的c 协码，其建模方法与本小节方法类似，这里 不再赘述。 2 0 基于f p g a 的b o c 调制技术研究 ( a ) c a 码产生的s i m u l i n k 建模 一八：i 一2 l 糊d 84oo24s8 f l a m e ef r e q t t e 仳y m h z ( b ) 用虚拟频谱仪察观察c a 码的频谱 图3 6 在s i m u l i n k 中分析c a 码的算法结构 3 4 1p 码的产生方法 l o 2 3 懈z 时钟 复位 3 4p 码的产生 图3 7 p 码产生原理框图 如图3 7 所示，p 码由上下两部分1 1 2 1 反馈移位寄存器组合产生。上半部分的 两个1