GPS系統(tǒng)TMBOC調(diào)制的FPGA實現(xiàn)

李 勇

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

由于Galileo E1信號和GPS L1信號共用相同的載波頻率1575.42 MHz，為使導(dǎo)航信號具有較好的兼容性和互操作性，美國和歐洲專家組成的聯(lián)合設(shè)計機構(gòu)推薦MBOC(Multiplexed Binary Offset Carrier)作為GPS L1和 Galileo E1共用的民用信號調(diào)制方式［1］。MBOC調(diào)制分為TMBOC(Time multiplexed Binary Offset Carrier)和 CBOC(Composite Binary Offset Carrier)兩種調(diào)制方式，其中GPS L1頻帶采用了TMBOC調(diào)制方式。文中首先對TMBOC調(diào)制過程進行介紹，對該信號的時頻特性進行分析，在理論分析的基礎(chǔ)上完成基于FPGA硬件平臺的TMBOC調(diào)制，并給出仿真波形。

1 TMBOC調(diào)制的生成方式及頻譜特性

TMBOC調(diào)制為時分多副載波調(diào)制形式，即在數(shù)據(jù)通道使用單一BOC(1，1)調(diào)制，在導(dǎo)頻通道使用BOC(1，1)和 BOC(6，1)混合調(diào)制，且 BOC(6，1)占導(dǎo)頻通道總功率的4/33，則混合調(diào)制的副載波記為TMBOC(6，1，4/33)。

TMBOC導(dǎo)頻通道和數(shù)據(jù)通道時域表達式如下:

導(dǎo)頻通道信號

數(shù)據(jù)通道信號

圖1 TMBOC副載波時域波形圖

數(shù)據(jù)通道和導(dǎo)頻支路的功率譜密度計算如下

其中，BOC(m，n)的功率譜密度計算公式如下

其中，fc=1.023 MHz。

兩個通道信號疊加后得TMBOC的功率譜密度為

從式(6)中可以看出，BOC(1，1)頻譜分量占總功率的10/11，BOC(6，1)頻譜分量占總功率的 10/11，滿足MBOC(6，1，1/11)調(diào)制的要求。TMBOC的功率譜如圖2所示。

圖2 TMBOC功率譜包絡(luò)圖

從圖2可以看出，由于疊加BOC(6，1)頻譜成分，TMBOC的功率譜與BOC(1，1)相比，在±6 MHz和±18 MHz附近出現(xiàn)小主峰。凸出的地方是BOC(6，1)主瓣的地方。如提高BOC(6，1)所占的功率比，則凸出的小主峰的峰值也隨之變大。由于MBOC通過在BOC(1，1)的頻譜上增加少部分的高頻分量，從而獲得更窄的自相關(guān)峰曲線，提高偽碼跟蹤精度，且在一定程度上緩解了多徑干擾［2］。

2 用FPGA實現(xiàn)TMBOC調(diào)制

2.1 基帶TMBOC信號的產(chǎn)生

FPGA(Field Programmable Gate Array邏輯電路具有編程靈活、易修改、速度快、性能穩(wěn)定可靠、設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于通信、數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)、芯片設(shè)計、軍事和航空航天等眾多領(lǐng)域［3］。設(shè)計使用Xilinx公司的ISE10.1集成開發(fā)軟件進行設(shè)計，用ModelSim6.5進行硬件仿真，使用VHDL語言實現(xiàn)系統(tǒng)硬件設(shè)計。

圖3為TMBOC基帶信號調(diào)制方框圖。其中clk為外部晶振提供的122.76 MHz時鐘信號，經(jīng)過分頻電路產(chǎn)生12.276 MHz的副載波生成時鐘、2.046 MHz的副載波生成時鐘和1.023 MHz的擴頻碼時鐘，這些時鐘具有相同的起始點。數(shù)據(jù)信號和產(chǎn)生的擴頻碼進行擴頻得到擴頻信號，擴頻信號再與副載波產(chǎn)生器產(chǎn)生的1.023 MHz方波副載波進行調(diào)制得到數(shù)據(jù)通道的基帶信號。碼片選擇器對副載波產(chǎn)生器產(chǎn)生的6.138 MHz副載波和1.023 MHz副載波進行選擇，得到時分副載波信號，把時分副載波信號與另一擴頻序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的擴頻信號進行調(diào)制就得到導(dǎo)頻通道的基帶信號。把兩路的基帶信號進行合路得到TMBOC基帶信號。基帶調(diào)制中需要對數(shù)據(jù)通道副載波和導(dǎo)頻通道副載波分別乘以系

圖3 TMBOC中頻信號調(diào)制圖

下面對調(diào)制過程的主要模塊進行介紹:

(1)擴頻序列產(chǎn)生模塊。擴頻序列產(chǎn)生器用來產(chǎn)生導(dǎo)數(shù)據(jù)通道和導(dǎo)頻通道的擴頻碼。TMBOC調(diào)制的擴頻碼主要使用m序列，由一10級反饋移位器構(gòu)成，生成碼片長度為1023。

(2)副載波產(chǎn)生模塊。數(shù)據(jù)通道使用單一BOC(1，1)的副載波作為副載波，而導(dǎo)頻通道使用BOC(1，1)副載波 和BOC(6，1)副載波混合混合生成的副載波。導(dǎo)頻通道副載波由碼片選擇器控制產(chǎn)生。碼片選擇器的原理是產(chǎn)生一周期為33個時鐘周期的信號選擇序列，在第1、5、7和30時鐘周期取高電平，其他時鐘周期取低電平。把信號選擇序列和其反相序列分別與 BOC(6，1)和 BOC(1，1)副載波相乘(與運算)，得到的兩路信號再相加(或運算)，這樣就生產(chǎn)導(dǎo)頻支路的副載波。導(dǎo)頻通道副載波生成仿真波形如圖4所示［5］。

圖4 導(dǎo)頻通道副載波生成仿真波形

(3)中頻載波調(diào)制模塊。在系統(tǒng)時鐘控制下，采用ISE中的DDS IP核生成30 MHz的余弦信號作為中頻載波，對產(chǎn)生的基帶信號進行調(diào)制，得到TMBOC中頻調(diào)制信號。其仿真波形如圖5所示。

圖5 TMBOC中頻調(diào)制信號

2.2 功率譜和自相關(guān)函數(shù)分析

對FPGA產(chǎn)生的TMBOC基帶信號進行采樣，采樣值運用Matlab進行分析，生成的功率譜如圖6所示。

圖6 TMBOC信號頻譜圖

由圖6可知TMBOC在BOC(1，1)頻譜的基礎(chǔ)上增加了BOC(6，1)分量，這樣就獲得了更豐富的高頻分量，自相關(guān)峰曲線也變的更窄，如圖7所示，從而提高偽碼跟蹤精度，且在一定程度上緩解多徑干擾。

圖7 TMBOC信號自相關(guān)函數(shù)

3 結(jié)束語

文中介紹了TMBOC的調(diào)制方法，并對TMBOC特性進行了分析。在理論分析的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了基于FPGA硬件平臺的TMBOC調(diào)制，并通過仿真證明了此設(shè)計的可行性。采用FPGA進行導(dǎo)航信號的調(diào)制設(shè)計，可以較好地對導(dǎo)航信號進行研究分析。

［1］European Space Agency.Galileo open service signal in space interface control document［S］.France:OS SIS ICD，2008.

［2］HEIN G W，WALLNER S.The MBOC modulation:A final touch for the Galileo frequency and signal plan［C］.USA:ION GNSS 2007，2007:1515 －1529.

［3］李云松，宋瑞，雷杰，等.Xilinx FPGA設(shè)計基礎(chǔ)(VHDL版)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［4］ELLIOTI D K.GPS原理與應(yīng)用［M］.邱致和，王萬義，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［5］BETZ J W.Design and performance of code tracking for the GPS m code signal［C］.Salt Lake city，UT:ION National Technical Meeting，2000.