基于混沌扩频CDMA的伽利略卫星定位系统BOC调制技术.doc

更多免费论文请到海员论坛下载 基于混沌扩频CDMA的伽利略卫星定位系统BOC调制技术研究本文受上海市教委重点项目（07ZZ102）和创新项目（08YZ109）的资助陈朝1，2 、汤天浩1 、郭金翠2、许银录2、杨浩2（上海海事大学中法联合伽利略系统与海上安全智能交通研究所 上海 200135）1（中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院 湖北 武汉 430074）2摘要：在伽利略系统中，BOC调制技术一直非常关键，针对GPS系统的信号频谱较为集中的缺点，结合BOC调制的频谱分裂特性，利用混沌扩频CDMA技术的随机性和正交性的优点，综合运用于伽利略系统。再仿真对比使用BOC调制和混沌扩频CDMA技术前后系统的相关性能改进的情况，由结果得出混沌的随机性和正交性对伽利略系统的应用非常有利，BOC调制和混沌扩频CDMA技术在伽利略系统中的应用具有可行性和实用意义。关键词：伽利略系统、混沌扩频、 CDMA 2000、BOC调制A Research on Modulation of BOC for Galileo system using Chaotic CDMA Spreading Spectrum Chen Zhao1,2 , Tang Tianhao1, Guo Jincui2, Xu Yinlu2, Yang Hao2Shanghai Maritime University, Department of Electronic Engineering, Shanghai, 2001351China University of Geosciences(Wuhan),Faculty of Mechanical & Electronic Information, Wuhan,4300742Abstract：In Galileo system the BOC modulation is very important. Aiming at the shortcomings of signal spectrum of GPS system, with the advantages of the modulation of BOC and chaotic spreading spectrum CDMA technology which signal is randomness and orthogonal, applying the two technologies in the Galileo system, and using MATLAB Simulink toolbox to simulate. Compared the results of simulation, it is found that it is feasible to apply the modulation of BOC and chaotic spreading spectrum technology in the Galileo system which may be used in real Galileo system.Keywords: Galileo system , chaotic spreading spectrum ,CDMA2000，modulation of BOC1、引言目前广泛应用的GPS系统的一个缺点，当用户数较大时，由于其采用简单的BPSK调制方法，误码率将大大提高，从而导致系统服务质量大大降低。另外由于军事保密需要，GPS系统码型结构并没有完全公开。而随着社会的进步，人们对卫星定位系统的性能的要求越来越高，即民用需求日益增加，因此一个新的能够提供更高的服务质量的卫星定位系统应运而生伽利略系统，一个欧盟正在建造中的民用卫星定位系统，它是继美国现有的“全球定位系统” (GPS) 及俄罗斯的GLONASS系统外，第三个可供民用的定位系统，我国正在加紧研究的北斗系统也已投入试用阶段。伽利略系统采用的BOC调制技术，实现了其频谱与GPS系统的频谱分离，从而避免两个系统的相互影响。近几年来，混沌扩频CDMA技术迅速发展，如果能将其应用在伽利略系统中，将能够克服GPS系统目前的相关缺点，大大提高伽利略系统的性能。这也是我们研究的目的所在。1 2 32、原理2.1 BOC调制伽利略系统所采用的BOC调制是一种对矩形子载波的调制，它能将信号的频谱分成两部分，分别位于载波频率的左右两边。其原理见图1，其中fc为扩频码速率，fs为副载波速率。导航数据调制到扩频码后，再调制一矩形副载波，生成BOC信号，最后调制到导航信号频段的主载波上发射出去，其中与GPS信号的区别就是引入了一矩形副载波。4 5图1 BOC调制原理图导航数据BOC信号扩频序列矩形副载波BOC调制可以通过调整参数使其频谱完成不同程度的分离，避免与其它信号频谱上重叠。而且BOC调制方式的信号具有抗干扰和抗衰落能力强，与同频段的GPS信号（BPSK调制信号）的干扰小的特点。2.2 CDMA 2000技术在CDMA众多的技术中，CDMA 2000作为第三代蜂窝移动通信系统的首选技术，其应用很广泛，这里主要对其的CDMA 2000 1x进行介绍，为简单起见，后面的CDMA 2000 1x都用CDMA 2000表示。CDMA 2000的信道划分为前向信道与反向信道两个大的部分，其中反向信道由反向业务信道，反向接入信道，增强接入信道及反向公共控制信道组成。在无线配置方式36中，反向业务信道又包括反向基本信道，反向补充信道等。CDMA2000反向业务信道数据帧在调制之前要经过CRC编码，卷积编码，信号重复，信号抽取以及块交织等过程，如图2所示。添加帧质量指示添加8比特保留位/填充位卷积编码或Turbo编码符号重复符号抽取块交织信道比特流调制符号图2 CDMA2000反向业务信道数据帧调制过程反向业务信道数据帧的调制又分为三个过程：信道的正交化，PN序列的产生以及正交调制。在CDMA2000中使用正交Wlash序列来实现信道的正交化，不同的信道采用不同的Wlash序列来进行扩频，这些Wlash序列的码片速率都等于1.2288Mchip/s；PN序列的产生是由长码生成器（Long Code Generator）产生一个码片速率等于1.2288Mchip/s、长度为242-1的伪随机序列，这个序列与另外两个长度为215的伪随机序列(I支路和Q支路)进行变换之后就得到两个输出PN序列； CDMA2000调制是采用PN信号生成器的I支路和Q支路PN序列对反向信道数据进行扰码，然后把信号调制到载波频率f 上形成射频信号输出。将混沌序列作为CDMA2000系统的扩频序列和地址码，即混沌扩频CDMA技术，将使CDMA2000系统具有混沌的相关特性，从而将更加大大增强系统的性能，使其能够给更多数量的用户提供更高质量的服务。6 3、方案的具体实现3.1 CDMA 2000反向基本信道编码调制模块的介绍CDMA 2000反向基本信道编码调制的模块，其主要包括三大部分：（1）初始化模块。其封装各个模块具有一些相同的参数，如无线配置方式，数据帧长度等，当需要修改参数设置时，只需要在初始化模块中更改相应变量的数值，这个更改将通过初始化命令传递到相应的工作区变量中，进而反映到仿真模型的各个子模块。（2）反向基本信道数据帧（FCH Frame Data）产生模块。其由信源模块，CRC编码器模块，卷积编码器模块，信号交织模块，正交扩频模块组成。在本方案中系统采用无线配置方式3（RC3），帧周期为20ms每帧有80 bit,测信源数据速率为4000bit/s,再加上添加的帧质量指示比特，保留位和填充位，最终由信源模块出来的数据速率为4800bit/s，信源数据经过上述的模块处理后输出一个抽样信号序列，信号的传输速率为1.2288Mchip/s。（3）信号正交调制模块。由PN信号生成器的I支路和Q支路PN序列对反向基本信道数据帧（FCH Frame Data）产生模块送来的数据进行扰码，此处为了便于分析，没有进行数模转换。7 3.2 Galileo信源模块的搭建Galileo信号的调制模块主要由Galileo导航电文信号产生模块，极性转化模块，P码产生模块，C/A码产生模块，分频模块，成帧模块组成。Galileo导航电文信号的速率为50b/s, P码的速率为10.23Mbit/s, C/A码的速率为1.023Mbit/s,经过P码和C/A码扩频后的导航电文信号的速率为10.23Mbit/s,而在上述的CDMA 2000模块的信源信号输入速率为4000bit/s,所以需要进行分频，因为导航电文信号的速率为50b/s，远远小于4000bit/s，所以分频后不会造成信息的丢失。3.3 BOC调制模块的介绍BOC调制模块主要由扩频码生成器，方波生成器，乘法器等模块组成，由于经过CDMA 2000反向基本信道编码调制模块输出的信号由相位相差的两个支路信号组成，对两支路信号分别进行BOC调制，把输出的结果看成复数的实部和虚部，在进行增益处理后输出数字的经CDMA 2000系统调制的伽利略信号。4、系统总体模块的设计与仿真 用Galileo信源模块替换CDMA 2000反向基本信道编码调制模块中的的信源模块，然后将CDMA 2000模块输出的结构作为BOC调制模块的输入，再将CDMA 2000模块中Wlash序列生成模块和PN序列生成模块用相应长度的混沌序列产生模块更改或替换，这样总的系统模块便搭建完成，具体见图3。图3 系统总体模块5、仿真结果分析（仿真中为了便于运行和对比结果，将混沌序列产生式的参数固定，而且所有的调制均为基带调制，信号波形均截取最后一帧）5.1 比较使用混沌序列前后CDMA 2000信道编码调制的频谱衰减情况图4（没有使用混沌序列） 图5（使用混沌序列）由图4，5可以得出，使用混沌序列后，信道调制的频谱衰减特性更加的平滑，又因为混沌扩频序列没有周期，类似于一个随机过程，并且混沌序列的产生相对其他PN伪随机序列要容易的多，因此系统更加容易实现，有更加好的保密性，更加的难以破译。5.2比较使用混沌序列前后和BOC调制前后信号频谱特性： 图6 图7注释：图6（没有使用BPSK调制GPS信号频谱）图7（使用BPSK调制GPS信号频谱）图8（使用CDMA 2000+BOC调制伽利略信号频谱）图9（使用CDMA 2000+混沌序列+BOC调制伽利略信号频谱） 图8 图9由图6，7，8，9可得，伽利略卫星系统中使用的BOC调制技术，实现了将信号功率由主瓣移至旁瓣的目的，从而使得其与GPS的频谱不重合，避免了相互的干扰，提高了服务质量。对比图8、9可以得出使用混沌序列进行扩频后的信号功率由主瓣移至旁瓣的效果更加显著。与GPS系统的相互干扰更加的小。这四幅图还从侧面反映出对伽利略信号进行CDMA 2000信道调制的可行性。6、结论通过MATLAB的仿真和对相关结果的分析，可以得出两个方面的结论。首先,从CDMA 2000信道编码调制技术前后，伽利略信号的频谱特性图，可以看出，使用CDMA 2000信道编码调制后的伽利略信号具有了CDMA 2000信号的相关特性。而CDMA 2000信号具有抗干扰性能好，抗多径衰落能力强，保密安全性高的特点，并且CDMA 2000系统属宽带低噪比，波形采用高冗余度纠错编码和高效数字调制技术，可确保了超低误码率话音和数据传输，这些特点可以确保运用CDMA 2000技术伽利略系统的性能将大大提高误码率性能。其次，从BOC调制前后，以及经过CDMA2000调制模块前后伽利略信号的频谱衰减情况上，可以看出经过混沌扩频CDMA信道编码调制，信号的特性达到了经BOC调制所预期的效果。而且信号也具有了混沌和CDMA2000信号的相关特点。由总体的分析，我们可以得出在伽利略系统中使用BOC调制技术和混沌扩频CDMA信道技术是可行的。参考文献：1 杨俊, 武奇生 GPS基本原理及其Matlab仿真M 西安电子科技大学出版社, 2006,105-1252 邱致和 GPS M码信号的BOC调制 导航J, 2005,41(1):1-18.3 BC BARKER, JW BETZ, JE CLARK et al. Overview of the GPS M Code Signal J. MITRE Technical Papers Archive,2004,2(4):34-574 GUENTER W. HEIN, JEREMIE GODET, JEAN-LUC ISSLER et al. Status of Galileo Frequency and Signal DesignC. Proceedings of ION Galileo, 20025 ADINA BURIAN, ELENA SIMONA LOHAN, MARKKU RENFORS. Oversampling Limits for Binary Offset Carrier Modulation for the Acquisition of Galileo SignalsC. Proceedings of Nordic Radi