CN102638319A - 一种导航卫星二进制偏移载波信号的调制性能测试方法 - Google Patents

Abstract

一种导航卫星二进制偏移载波信号的调制性能测试方法，首先对导航卫星下行发播微波频段的BOC调制导航信号进行直接A/D采样，然后在数字域对信号进行变频滤波、希尔伯特变换，采用数字通信中的正交解调、通道增益补偿和相位补偿处理以及测量滤波器滤波后得到测量数据。通过对测量数据进行符号检测、参考信号生成处理和参考滤波器滤波得到参考数据。对参考数据和测量数据进行计算，即可得到反映基带调制性能的参数和信号图。本发明方法对BOC载波调制信号的处理均在数字域进行，在数字域提取BOC单边带频谱，解决了由于存在副载波而导致BOC信号无法用矢量信号分析方法进行调制特性测试的问题。

Description

一种导航卫星二进制偏移载波信号的调制性能测试方法

技术领域

本发明涉及一种导航卫星下行播发信号的调制性能测试方法。

背景技术

目前，我国正在开展新一代全球导航卫***的研制，与前一代区域卫星导航***不同的是，为了提高卫星导航信号的精度和抗干扰能力，在导航卫星的信号体制中将增加BOC(二进制偏移载波)调制的导航信号，导航信号的基带调制性能是导航信号性能的一个重要方面，在卫星研制过程中，导航卫星下行导航性能的基带调制性能参数是整星测试中的关键参数。

现有的数字调制信号的基带调制性能测试一般采用以下两种方式：(1)利用矢量信号分析仪，如德国R/S公司的FSQ序列和美国Agilient的89600系列、E4406VSA系列矢量信号分析仪。(2)利用示波器或频谱仪结合矢量信号分析软件，如Agilient的89600s矢量信号分析软件。现有商品化的矢量信号分析仪或矢量信号分析软件，仅对传统的数字调制信号，如PSK、GMSK、MSK等调制信号适用。由于BOC是一种新型的数字调制信号，主要用于导航信号，调制信号参数不但与载波频率和码速率有关，而且与副载波频率有关，而现有商品化的分析仪或矢量信号分析软件只针对载波频率和码速率，无法完成对BOC调制的导航信号全部基带调制性能参数的测试。

关于矢量信号分析的文献也很多，但这些文献中描述的方法存在以下两种类型的不足之处：第一类是需要训练序列信号对信号变频处理等过程进行信道估计，才能完成信道幅度补偿和相位补偿算法的参数设置，要求产生高质量的训练信号。如文献《Key Algorithms for Accurate GSM EDGE EVMMeasurement on ATE Platform》(Shu Xia，8th International Conference onSolid-State and Integrated Circuit Technology，2006.ICSICT′06.)给出的方法。对于高质量的导航卫星BOC信号而言，意味需要一个更高质量的BOC信号源来校准测试***，这在实际工作中是非常困难的。第二类是需要使用自适应均衡技术对接收信道进行信道估计，如文献《EVM measurement techniquesfor MUOS》(McAllister，IEEE Military Communications Conference，2009.MILCOM 2009.)给出的方法。由于导航信号的调制质量高，因此，估计的误差将对测试结果造成影响，而且在这种方法中信道估计算法实现复杂。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种导航卫星BOC信号的调制性能测试方法，能实现对BOC调制的导航信号基带调制性能参数的测试。

本发明的技术解决方案是：一种导航卫星二进制偏移载波信号的调制性能测试方法，步骤如下：

(1)对导航卫星下行播发的二进制偏移载波调制信号进行直接模数采样；

(2)对直接模数采样数据进行数字混频、数字低通滤波，得到中频二进制偏移载波数字信号；

(3)对中频二进制偏移载波数字信号进行均匀抽取；

(4)对均匀抽取后的二进制偏移载波数字信号再次进行数字低通滤波，在频域内提取二进制偏移载波数字信号所包含的两个信号频谱中的下边带，并对上边带频谱进行抑制；

(5)对再次数字低通滤波后的输出信号进行希尔伯特变换得到复数数据，然后利用Costas环路对复数数据进行载波跟踪，并对完成载波跟踪后的输出信号进行通道增益补偿和相位补偿，得到基带信号；

(6)根据导航卫星二进制偏移载波信号发射端成型滤波器的特性确定相匹配的测试滤波器的传输函数，然后利用测试滤波器对经通道增益补偿和相位补偿后的基带信号进行滤波，得到IQ基带待测量波形数据；

(7)根据PSK调制方式，对IQ基带待测量波形数据进行符号比特检测，得到符号比特数据，然后根据PSK基带调制方式、符号比特率以及定时恢复处理得到的符号比特同步误差信息生成IQ理想基带信号；

(8)根据导航卫星二进制偏移载波信号发射通道成型滤波器和测试滤波器的特性设置参考滤波器，然后利用参考滤波器对IQ理想基带信号进行滤波，形成IQ基带参考波形数据；

(9)求取IQ基带待测量波形数据与IQ基带参考波形数据之间的误差值，对误差值进行矢量误差处理，得到反映基带调制性能的参数和信号图。

所述步骤(1)中A/D采样的采样率大于二进制偏移载波调制导航信号的伪随机码率的10倍以上，采用的码片个数大于200个。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法对导航卫星下播的BOC信号不进行变频处理，而是直接A/D采样后在数字域进行处理，避免了变频处理带来的幅度相位失真对BOC信号调制性能测试结果的影响；

(2)在数字域处理过程中，从BOC双边带频谱中提取其中一个，利用传统数字PSK调制的矢量信号分析法来进行BOC调制特性参数分析，解决了由于存在副载波而导致BOC信号无法用矢量信号分析方法进行基带调制特性测试的问题；

(3)在数字COSTAS环中采用载波旋转器，进行载波同步时，消除IQ支路的低通滤波器，避免了增益和相位补偿时要进行IQ支路低通滤波的补偿，降低处理实现难度；

(4)通常的中频采样进行调制性能测试的矢量信号方法中，需要有训练序列信号进行信道估计或自适应盲信道估计，实现增益补偿和相位补偿，实现复杂，测量***适应能量差。本方面方法中对BOC载波调制信号直接采样，信号变频和滤波处理均在数字域进行，进行增益补偿和相位补偿时，信道的均衡算法实现简单，而且均衡效果好，将BOC信号调制性能分析过程中的幅度和相位失真进行完美的补偿，信道的幅度相位特性对测试结果影响可以忽略。

附图说明

图1为本发明方法的原理框图；

图2为Galileo导航卫星E1A信号BOC(15，2.5)导航信号的频谱；

图3为数字混频后的低通滤波器的幅频相频特性；

图4为数字混频后的低通滤波器的抽头系数；

图5为数字混频后低通滤波器输出的中频BOC信号的频谱；

图6为抽取后的低通滤波器的幅频相频特性；

图7为抽取后的低通滤波器的抽头系数；

图8为抽取后的低通滤波器输出的中频BOC信号的频谱。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的原理图。本发明方法主要包括导航卫星下播微波频段BOC导航信号的直接A/D采样和数字域信号处理两大部分。用A/D采样对导航卫星下播微波频段BOC导航信号直接采样，采样后的数据进行下变频和低通滤波，然后进行抽取、带通滤波，提取BOC信号频谱结构中两个信号频谱中的一个进行正交解调。根据接收信道特性进行通道的增益和相位补偿，然后根据导航卫星BOC信号发射通道特性进行测量滤波器滤波，生成IQ基带测试信号波形，根据调制方式、符号速率和收发通道特性生成IQ基带参考信号波形数据，IQ基带参考信号波形数据与IQ基带测试信号波形数据求误差，然后进行处理得到BOC调制性能参数的测量结果。

下面以Galileo导航卫星E1A信号作为实例对本发明的方法进行详细的说明。BOC调制方式用BOC(α，β)表示，其中参数β表示以1.023Mcps为基数归一化后的码率，参数α表示以1.023Mcps为基数归一化的副载波频率。E1A信号中心频率为1575.42MHz，调制信号形式为BOC(15，2.5)，表示伪随机码的速率为2.5×1.023＝2.5625Mcps，副载波频率为15×1.023＝15.345MHz。(1)首先用模拟的扩频信号源产生一个模拟的Galileo导航卫星E1A信号，中心频率1575.42MHz，调制信号形式为BOC(15，2.5)，用采样率为5GHz的A/D采样器对E1A导航信号进行直接高速采样，这里采样时间为0.5ms，采用码片个数为1281个，采样点个数为2500000个，BOC信号的频谱如图2所示。

(2)在数字域生成一个本地1545.42MHz的数字本振信号，对采样数据进行数字混频、数字低通滤波。低通滤波器1选用FIR滤波器，其传输函数的数学表达式为：

$H_1\left(z_1\right)=\underset{i=1}{\overset{M_1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i{z}_1^{-i}---\left(1\right)$

式中C_i为低通滤波器1的第i抽头系数，M₁为低通滤波器1的阶数，

f_s为采样频率，这里为5Gsa/s。

本例中低通滤波器1的阶数为156，其幅频和相频特性如图3所示，各抽头系数如图4所示。低通滤波后得到中心频率为30MHz的BOC数字信号，低通滤波器1输出的中频BOC信号的频谱如图5所示；

(3)选择抽取系数10，对中频BOC数字信号进行均匀抽取，对抽取后的BOC信号数据再次进行数字低通滤波，低通滤波器2也为FIR滤波器，其传输函数的数学表达式为：

$H_2\left(z_2\right)=\underset{i=1}{\overset{M_2}{\mathrm{\Σ}}}{F}_i{z}_2^i---\left(2\right)$

式中F_i为低通滤波器2的第i抽头系数，M₂为低通滤波器2的阶数，

M为抽取率系数。

本例中低通滤波器2阶数为78，其幅频和相频特性如图6所示，抽头系数如图7所示。低通滤波器2提取BOC信号频谱中两个边带中的下边带信号谱，对上边带频谱进行抑制，低通滤波器2输出的信号频谱如图8所示；

(4)对低通滤波器2输出的单个信号，首先进行希尔伯特变换，转换为复数数据，然后利用鉴相器、环路滤波器、载波旋转器和数字压控振荡器组成的Costas环路完成对输入复数数据的载波跟踪。低通滤波器2输出的单个信号谱结构输出信号s(k)表示为：

$s\left(k\right)=a\left(k\frac{M}{f_s}\right)\cos ({2\mathrm{\πf}}_{i}k\frac{M}{f_s}+{\mathrm{\θ}}_i)---\left(3\right)$

式中

为低通滤波器2输出信号第k个样本点的幅度，f_i为低通滤波器2输出信号的中心载波频率，θ_i为低通滤波器2输出信号第k个样本点初始相位。

希尔伯特变换后形成的复数S(k)表示为：

$S\left(k\right)=A\left(k\frac{M}{f_s}\right)e^{j({2\mathrm{\πf}}_{i}k\frac{M}{f_s}+{\mathrm{\θ}}_i)}---\left(4\right)$

式中

为信号s(k)的幅度。

这样I支路的信号I(k)表示为：

$I\left(k\right)=A\left(k\frac{M}{f_s}\right)\cos ({2\mathrm{\πf}}_{i}k\frac{M}{f_s}+{\mathrm{\θ}}_i)---\left(5\right)$

Q支路的信号Q(k)表示为：

$Q\left(k\right)=A\left(k\frac{M}{f_s}\right)\sin ({2\mathrm{\πf}}_{i}k+\frac{M}{f_s}+{\mathrm{\θ}}_i)---\left(6\right)$

载波旋转器的传输函数H_R(k)为：

$H_R\left(k\right)\exp \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}k\frac{M}{f_s}\right)---\left(7\right)$

式中f₀为数字压控振荡器产生的频率。

经过载波旋转器后的输出信号S_P(k)为：

S_P(k)＝S(k)H_R(k)(8)

载波旋转器后的输出信号S_P(k)的IQ支路信号I_P(k)、Q_P(k)分别为：

$I_P\left(k\right)=A\left(k\frac{M}{f_s}\right)\cos (2\mathrm{\π}(f_i-f_0)k\frac{M}{f_s}+{\mathrm{\θ}}_i)---\left(9\right)$

$Q_P\left(k\right)=A\left(k\frac{M}{f_s}\right)\sin (2\mathrm{\π}(f_i-f_0)k\frac{M}{f_s}+{\mathrm{\θ}}_i)---\left(10\right)$

对载波旋转器的输出信号进行鉴相，如采用反正切函数的鉴相法，计算各样本点的相位差异φ_e(k)：

${\mathrm{\φ}}_e\left(k\right)=\arctan \left(\frac{Q_P\left(k\right)}{I_P\left(k\right)}\right)---\left(11\right)$

(5)根据数字混频后的低通滤波器1和抽取后的低通滤波器2的传输函数，计算得到整个接收通道的传输函数H_R：

$H_R=H_1\left(z_1\right)\⊗H_2\left(z_2\right)---\left(12\right)$

式中

表示循环卷积。然后，计算通道增益补偿和相位补偿处理的传输函数H_C，

$H_C=\frac{1}{H_R}---\left(13\right)$

(6)对Costas环完成载波跟踪后的输出信号集合S_P进行通道增益补偿和相位补偿处理，输出信号集合S_P由各S_P(k)组成。

(7)导航卫星的BOC调制信号在发射端往往都经过了成型滤波，以限制传输带宽和较少码间干扰，同时尽可能的减少信号损耗。因此为了消除发射通道对调制信号分析结果的影响，根据导航卫星BOC调制信号生成和发射通道的特性，生成一个测量滤波器，测量滤波器与导航卫星BOC信号发射端成型滤波器相匹配。成型滤波器有多种形式，如升余弦滤波器、根升余弦滤波器、高斯滤波器等形式，不同的滤波器时频响应不同，必须根据导航卫星BOC信号发射端成型滤波器特性正确选择。这里，假定为了使得整个导航卫星BOC信号的发收***的传递函数要符号***间干扰的升余弦特性，且考虑到在抽样时刻信噪比最大的收发匹配要求，发射端成型滤波器的频域特性为近似根升余弦特性，因此测量滤波器选择根升余弦滤波器。根升余弦滤波器根据滚降系数α(0≤α≤1)、符号比特速率，通过Matlab软件计算确定根升余弦滤波器的阶数和抽头系数，这里符号比特速率为副载波频率的两倍，即30.69MHz，根升余弦滤波器传输函数H_st的数学表达式为：

$H_{\mathrm{st}}\left(z_2\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i{z}_2^i---\left(14\right)$

式中N为根升余弦滤波器的阶数，R_i为根升余弦滤波器的第i抽头系数。

通过成型滤波后得到IQ基带测量需要的波形数据集合S_T：

$S_T=S_P\⊗[H_c\⊗H_{\mathrm{st}}\left(z_2\right)]---\left(15\right)$

(8)根据PSK调制方式，对IQ基带待测量波形数据进行符号比特检测，得到符号比特数据，然后根据PSK基带调制方式、符号比特率以及符号比特同步误差信息生成IQ理想基带信号；符号比特同步误差信息通过符合定时恢复实现，符合定时恢复的实现可以使用数字通信***常用的方法：米勒-穆勒算法、Gardner算法和早迟门算法。

(9)根据BOC信号发射通道成型滤波器和测量滤波器的特性，设置参考滤波器参数；参考滤波器用于均衡BOC信号发射通道成型滤波器和测量滤波器的联合影响，这里，BOC信号发射通道成型滤波器和测量滤波器均为根升余弦滤波器，传递函数均为H_st，所以参考滤波器传输函数的数学表达式H_sr可以确定为：

$H_{\mathrm{sr}}=H_{\mathrm{st}}\⊗H_{\mathrm{st}}---\left(16\right)$

信号通过参考滤波器的处理后，形成IQ基带参考信号波形数据集合S_R：

$S_R=S_T\⊗H_{\mathrm{sr}}---\left(17\right)$

(9)求取IQ基带测量信号波形数据与IQ基带参考信号波形数据之间的误差值，对误差值进行矢量误差处理，从而得到反映基带调制性能的参数和信号图，包括：矢量幅度误差EVM、矢量相位误差EVP、误差矢量的频谱图、误差矢量时域波形等。

矢量误差EV计算：

EV(k)＝S_T(k)-S_R(k)(18)

式中S_T(k)为IQ基带测量需要的波形数据集合S_T中的第k个数据，S_R(k)为IQ基带参考信号波形数据集合S_R中的第k个数据。

矢量幅度误差EVM计算：

${\mathrm{EVM}}_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\underset{i+}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|\mathrm{EV}\left(k\right)\right|}^2}{\underset{i+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|S_T\left(k\right)\right|}^2}}---\left(19\right)$

式中N为参加计算的数据总个数。

矢量相位误差EVP计算：

$\mathrm{EVP}\left(k\right)=\arctan \left(\frac{\mathrm{Re}\left(\mathrm{EV}\left(k\right)\right)}{\mathrm{Im}\left(\mathrm{EV}\left(k\right)\right)}\right)---\left(20\right)$

式中Re(EV(k))表示EV(k)的实部，Im(EV(k))表示EV(k)的虚部；

误差矢量的频谱通过对矢量误差EV进行FFT处理可以得到。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种导航卫星二进制偏移载波信号的调制性能测试方法，其特征在于步骤如下：

(1)对导航卫星下行播发的二进制偏移载波调制信号进行直接模数采样；

(2)对直接模数采样数据进行数字混频、数字低通滤波，得到中频二进制偏移载波数字信号；

(3)对中频二进制偏移载波数字信号进行均匀抽取；

(4)对均匀抽取后的二进制偏移载波数字信号再次进行数字低通滤波，在频域内提取二进制偏移载波数字信号所包含的两个信号频谱中的下边带，并对上边带频谱进行抑制；

(5)对再次数字低通滤波后的输出信号进行希尔伯特变换得到复数数据，然后利用Costas环路对复数数据进行载波跟踪，并对完成载波跟踪后的输出信号进行通道增益补偿和相位补偿，得到基带信号；

(6)根据导航卫星二进制偏移载波信号发射端成型滤波器的特性确定相匹配的测试滤波器的传输函数，然后利用测试滤波器对经通道增益补偿和相位补偿后的基带信号进行滤波，得到IQ基带待测量波形数据；

(7)根据PSK调制方式，对IQ基带待测量波形数据进行符号比特检测，得到符号比特数据，然后根据PSK基带调制方式、符号比特率以及定时恢复处理得到的符号比特同步误差信息生成IQ理想基带信号；

(8)根据导航卫星二进制偏移载波信号发射通道成型滤波器和测试滤波器的特性设置参考滤波器，然后利用参考滤波器对IQ理想基带信号进行滤波，形成IQ基带参考波形数据；

(9)求取IQ基带待测量波形数据与IQ基带参考波形数据之间的误差值，对误差值进行矢量误差处理，得到反映基带调制性能的参数和信号图。

2.根据权利要求1所述的一种导航卫星二进制偏移载波信号的调制性能测试方法，其特征在于：所述步骤(1)中A/D采样的采样率大于二进制偏移载波调制导航信号的伪随机码率的10倍以上，采用的码片个数大于200个。

Images