一種BOC調制導航信號功率標定方法

李春霞，何巍巍，王宏兵

(1.中國人民解放軍32021部隊，北京 100094；2.航空工業無線電電子研究所，上海 200241)

0 引言

信號功率標定是衡量信號源發射功率準確度、接收機功率估計準確度的重要手段，是衛星導航信號質量監測、星地對接和在軌測試等任務中必不可少的測試項目之一[1]。

傳統導航信號功率標定采用頻譜分析儀，分為2種方法：① 單載波標定方法；② 擴頻信號標定方法[2]。單載波標定方法要求信號源具備單載波發射能力，適用于BPSK，QPSK等各支路可以獨立發射的調制方式；傳統的擴頻信號標定方法能標定帶內總功率，無法給出各支路的功率[3]。

BOC調制信號[4]是一種新型衛星導航信號，在GPS M碼信號[5-6]、Galileo系統衛星導航信號[7-8]設計中得到了廣泛應用。BOC調制特別是AltBOC[9-10]，TD-AltBOC[11]，ACEBOC[12-13]等新型調制信號，相比于傳統的BPSK調制信號，帶寬增大且調制方式復雜，不能單支路獨立發射，實際應用中信噪比低，信號功率無法每個支路單獨標定。

針對上述問題，本文提出一種大信號-功率分配信號功率標定方法，可應用于BOC調制信號單支路功率標定。該方法利用發射通道和接收通道的功率線性化特點，在大功率條件下標定BOC調制(包含AltBOC，TDBOC，TMBOC等所有BOC調制子類[14-15])信號總功率；然后利用各支路信號的功率配比，通過計算分配得到各支路的功率。

1 功率分配標定方法的原理及步驟

1.1 功率分配標定方法的原理

由于傳輸距離遠、衰減大，衛星導航系統接收到的通常是弱信號，其信噪比太低無法利用頻譜儀直接進行標定。在星地對接、地檢系統測試中，對衛星導航模擬信號功率標定通常在高于正常工作電平的強信號條件下進行，信噪比較高，可以利用頻譜儀標定帶內信號總功率。對于BOC調制，通常還需要對各支路功率進行標定。由于BOC調制參數一旦確定，其復用效率、各支路信號的功率占比是固定的，因此各支路的功率可通過計算實現。

根據上述分析，得出功率分配標定方法的原理：首先在強信號條件下利用頻譜儀標定信號總功率；然后在正常工作電平條件下根據所測信號調制方式中各支路的功率配比，計算各支路的電平，即得到了最終的各支路功率標定值。

1.2 功率分配標定方法的步驟

功率分配標定方法包括以下4步。第1步：標定強信號功率；第2步：降低信號功率至正常接收范圍；第3步：計算有用信號功率；第4步：分配計算各支路功率。

1.2.1 標定強信號總功率

強信號總功率標定設備連接圖如圖1所示，將高功率信號源、可調衰減器連接，構成信號發射系統，再連接至頻譜儀。通過減少可調衰減器的衰減量提高信號發射系統的輸出功率，經頻譜儀觀察，當信號譜密度比噪聲譜密度高20 dBc以上時，記錄頻譜儀讀數P1(dBW)，以及信號發射功率配置參數、衰減器讀數。

圖1 強信號總功率標定設備連接圖

測試中要求信號譜度比噪聲譜密度高20 dBc以上，其原因如下：① 信號譜高于噪聲譜，頻譜儀可測量信號功率譜；② 相差20 dB條件下，噪聲所致信號功率測量誤差為10×lg((102+1)/102) =0.04 dB，測量精度比常規的功率標定精度指標0.5 dB高一個數量級，符合常規測量要求。

1.2.2 降低信號功率至正常接收范圍

降低信號功率設備連接圖如圖2所示，將圖1中的可調衰減器輸出改接到接收機。提高可調衰減器的衰減量，觀察接收機工作狀態。當接收機工作狀態正常，表明信號發射系統的輸出功率降低到了正常范圍之內，記錄此時信號發射電路功率配置參數、衰減器讀數。將第1步記錄的信號發射功率配置參數、衰減器讀數，與這一步記錄作差，得出這一步的信號功率降低量Pd(dB)。

圖2 降低信號功率設備連接圖

1.2.3 計算有用信號總功率

記各支路獨立接收條件下多路復用的效率為η，計算有用信號總功率10(P1-Pd)/10η(W)，即為接收機所能接收的各支路信號功率總和。其中，多路復用的功率效率可以根據調制類型、調制參數計算得出。

以ACEBOC調制為例，當同相通道、正交通道功率不同，但是上下邊帶總功率相等時，即PUQ∶PLQ∶PUI∶PLI=1∶1∶β2∶β2時，其中PUQ，PLQ，PUI，PLI依次表示上邊帶正交通道功率、下邊帶正交通道功率、上邊帶同相通道功率和上邊帶同相通道功率，ACEBOC調制可記為ACEBOC(β2)，其復用效率η計算表達式如下：

(1)

根據式(1)可以計算出不同功率比條件下的復用效率，如表1所示。當β2=1，即調制方式為常見4分量AltBOC調制時，復用效率η(1)=85.36%。隨著β2的增加，復用效率η增大。當β2=3時，η(3)=87.20%；當β2=∞時，η(∞)=100%，對應于2分量AltBOC調制。可見，η∈[85.36%,100%]。

表1 不同功率比條件下的復用效率

I,Q支路功率比β2調制類型復用效率/%1ACEBOC85.3634分量AltBOC87.20∞2分量AltBOC100

1.2.4 分配計算各支路功率

根據各支路信號的發射功率比，分配計算各支路的功率。各支路發射功率比可以直接采用該調制方式的各支路發射功率比理論值；還可以在工作電平條件下，通過接收機估計不同支路的功率，進而測得各支路的發射功率比。

以ACEBOC調制為例，可以求得各個支路的PUQ，PLQ，PUI，PLI，單位dBW。

(2)

(3)

2 功率分配標定方法使用要求

2.1 信號發射系統功率大范圍可調

上述測試方法第2步要求信號發射系統既可發射功率譜密度高于噪聲譜20 dB以上的強信號，又可發射正常功率電平下的信號。以4種新型衛星導航信號(包括GPS L1C民用信號；Galileo E1，E6，E5民用信號)為例，表2給出了其對應信號源(含衰減器)發射功率動態范圍要求。表2中，強信號功率按照正常信號提升50 dB左右計算，正常信號功率按照ICD文件公開的最大達到地面電平計算[17]。

表2 信號發射系統發射功率動態范圍要求

信號帶寬/MHz強信號功率/dBm正常信號功率/dBm動態范圍/dBL1C20.460-68.4-11748.6E1 OS/ SoL24.552-67.6-11749.4E640.920-65.4-11549.6E551.150-64.4-11247.6

由表2數據可見，由于新型衛星導航信號普遍帶寬較大，這要求信號發射系統輸出功率范圍50 dB可調，通過3種方法可實現：方法1是在信號源輸出功率動態范圍高達50 dB條件下，直接調節信號源輸出功率；方法2是在信號源可輸出高功率、衰減器最大衰減量不低于50 dB條件下，調節可調衰減器衰減值實現；方法3是信號源可輸出高功率且具備一定動態范圍、衰減器具備一定調節范圍條件下，同時條件信號源輸出功率、衰減器衰減量。其中方法2最簡單，是首選方法；方法3是方法一、方法2的結合。采用方法2，需要信號源能夠輸出比正常功率高50 dB的信號。

2.2 發射功率可線性調節

功率分配標定方法在高功率條件下標定總功率，在正常功率條件下分配支路功率，由于正常功率下的各支路功率是通過總功率分配計算而來，其總功率是通過對強信號進行功率調節(衰減)而來，這要求功率調節是線性的。根據上述分析，信號發射系統輸出功率調節通過信號源發射功率、調節衰減器衰減量，或者二者結合實現。衰減器的線性調節通過衰減器的定期計量檢核保障；信號源發射功率線性調節通過信號源設計保障，并通過接收機功率估計來檢核，確保當改變信號源發射功率配置時，其輸出功率能線性反映其變化，例如配置信號源發射功率降低5 dB，其實際輸出功率降低5 dB。可見，發射功率可線性調節是容易保證的。

3 功率分配標定方法應用實例

以某測試任務中的Galileo E5信號發射功率標定為例，驗證功率分配方法的可行性，并用標準接收機檢驗其標定精度。

在信號發射系統輸出功率-110 dBm條件下標定Galileo E5信號發射功率，如圖3所示，信號功率低于噪聲功率，無法準確標定。采用前文提出的功率分配標定方法可進行信號發射系統輸出功率標定。先將衰減器衰減量值減少50 dB，使信號發射系統輸出功率為-60 dBm，如圖4所示，在該電平條件下標定帶內信號總功率，記錄數值為-59.72 dBm。再將衰減器衰減量值增加50 dB，在該電平條件下分配計算各支路信號帶內信號功率如下：Galileo E5信號為AltBOC調制，復用效率η=85.36%，4支路功率比1∶1∶1∶1，代入式(3)得4個支路的功率如下：

PUQ=PLQ=PUI=PLI=-59.72-50+

(4)

圖3 正常信號條件下功率標定

圖4 強信號條件下功率標定

至此完成Galileo E5信號發射功率標定工作，標定測得各支路信號發射功率均為-118.18 dBm。

為檢驗上述標定精度，用某標準接收機標定Galileo E5信號的功率。將標定完畢的信號發射系統連接至標準接收機，該接收機已經通過有線方式標定過，具有高功率測量精度。觀察待其穩定工作后，記錄接收機測得各支路信號的功率估計值。

功率分配方法標定功率、標準接收機實測功率、以及標定功率與實測功率相比的標定誤差，如表3所示。結果表明，4個支路發射功率標定誤差均≤0.3 dB。

表3 Galileo E5信號發射功率標定精度

支路信號標定功率/dBm實測功率/dBm誤差/dBPUIE5a_data-118.18-118.210.18PUQE5a_pilot-118.18-118.220.19PLIE5b_data-118.18-118.320.29PLQE5b_pilot-118.18-118.330.30

4 結束語

針對目前應用廣泛的BOC調制方式，尤其是用查表法生成信號的AltBOC等調制方式，使用功率分配標定方法，在發射功率線性可調的條件下可有效地在較大動態范圍內對衛星導航模擬信號單支路電平進行準確標定，且精度滿足常規的功率標定誤差≤0.5 dB指標要求。該方法已在多個工程項目中得到應用，配合信號模擬源以及應用系統將得到進一步推廣。