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二进制偏移载波调制信号码同步技术研究

潘毅  
【摘要】:随着全球导航卫星系统的高速发展及其应用越来越广泛,它已经逐渐深入到民用和军用领域的各个方面,这就对其所提供的导航、定位和授时等服务提出了更高的要求。因此,为了缓解有限的频谱资源与越来越多的导航卫星之间的矛盾,新一代全球导航卫星系统采用了二进制偏移载波(BOC)信号,它能够以频谱相互分离的方式与传统二进制相移键控(BPSK)信号实现频谱资源共享。BOC调制信号就是对BPSK基带信号再进行周期性的副载波调制。增加的副载波调制将BOC信号功率谱主瓣分裂成了两个部分,其主瓣宽度更小,使得BOC信号的抗干扰、抗多径能力更加优越。但是副载波调制也使其自相关函数产生了多个相关峰,在码同步过程中引入了模糊性。另外,实际应用中复杂的通信环境难免会引起诸多问题,比如多径效应造成码跟踪环路锁定点发生偏移;大多普勒频移是接收机与卫星之间做高速相对运动时的固有现象,使得捕获阶段的检测出现较大误差;在干扰下,接收信号的波形和频谱发生了严重的失真,造成信号无法成功捕获。所以本文针对上述问题展开了研究,其主要工作可以分为以下三个部分:(1)针对BOC信号码同步过程中的模糊性问题,本文提出了基于双时延搜索捕获算法、基于ACF卷积分解捕获算法和无模糊多径抑制码跟踪算法。对于双时延搜索捕获算法,将伪码时延和副载波时延作为两个独立变量进行处理,给出了捕获函数的精确表达式。对于基于ACF卷积分解捕获算法,BOC信号自相关函数可以写成三角形函数与脉冲串相卷积的形式,并依据这一原理提出了捕获函数和结构。对于无模糊多径抑制码跟踪算法,先设计出理想鉴相曲线,再通过本地辅助加权矩阵与输出鉴相曲线相关来无限趋近于理想鉴相曲线的方式,最终得到抗多径、无误锁点的码跟踪环路。仿真分别验证了三种无模糊算法的有效性,并给出了与其它算法的性能对比结果。(2)针对高动态下接收到的BOC信号多普勒频率以及多普勒变化率往往难以精确补偿的问题,提出了基于离散多项式相位变换(DPT)和PMF-FFT捕获算法。首先通过DPT对接收信号定阶再将载波中的高动态项降阶,然后对处理后的信号采用PMF-FFT算法进行捕获。利用线性调频信号能够在分数阶傅里叶变换(FRFT)域形成尖峰,提出了基于DPT和FRFT捕获算法。该算法建立高动态下相关结果的模型,在降阶处理后采用FRFT算法对高动态项进行估计补偿,并得到伪码相位。理论分析推导了两种算法的复杂度和性能,仿真实验给出了捕获实现结果,并和其它算法做了性能对比。(3)针对干扰下BOC信号失真难以捕获的问题,先将全相位谱分析和PMF-FFT算法相结合提出了PMF-ap FFT算法,抑制了频谱泄露从而增强了捕获性能。在宽带干扰下,通过满足无线通信系统要求的快速FRFT算法抑制了干扰,再采用PMF-ap FFT算法实现了捕获。在窄带干扰下,根据接收信号的频谱确定干扰位置,设计出调节参数能实现任意点陷波的全相位滤波器,然后通过PMF-ap FFT算法实现了干扰抑制后的信号捕获。最后,仿真证明了两个算法的有效性和优越性。


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