CN110275189B - 一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法及*** - Google Patents

一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法及*** Download PDF

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Abstract

一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法及***，包括(1)信道编码：将低速电文和高速电文分别进行信道编码，(2)PRN码映射：将经过信道编码的低速电文映射为一路PRN码序列，经过信道编码的高速电文映射为N‑1路PRN码序列，共得到N路PRN码序列；(3)码片时分：将N路PRN码序列逐码片时分为一路信号；(4)基带波形调制：将码片时分后得到的一路信号进行基带波形调制，得到基带信号。

Description

一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法及***
技术领域
本发明属于卫星导航领域，主要涉及一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法及***。
背景技术
目前，四大基本全球卫星导航***(Global Navigation Satellite System,GNSS)的格局已经成型，GNSS能够满足人们最基本的导航、定位和授时需求。为了进一步提升卫星导航***的服务性能，部分***开始提供增强服务：日本QZSS在其L6上提供厘米级增强服务(Centimeter Level Augmentation Service,CLAS)，Galileo计划在其E6频点上提供精度定位服务。
这类导航增强服务通过快速播发精密电文或者精密改正数，提供精密定位服务(Precise Point Positioning,PPP)。精密改正数一般包括轨道、钟差、载波相位偏差改正数，以及码偏差、URA等参数，为了实现高精度定位，精密改正数的播发间隔短，以QZSS为例，钟差改正数播发间隔为5s，其他为30s。
传统的GNSS信号中，播发的是低速的基本导航电文，信息速率通常只有50bps～250bps。而增强服务中，播发的是快速的精密改正数电文，信息速率显著提升。QZSS提供CLAS的L6信号，信息速率达到2kbps左右。因此，GNSS面临同时播发低速的基本导航电文和高速的精密电文的需求。
GNSS信号采用直接扩频调制，为了提升信息速率，传统上有两种手段。第一种方法是保持码速率不变，增加信息速率，这样导致一个符号内的码片数减少，降低了扩频增益，恶化了互相关性能。第二种是保持扩频增益不变，增加信息速率，这样导致码速率增加，信号所占带宽变大。
为了在增加信息速率的同时不改变码速率和扩频增益，QZSS在其L6信号中应用了码移键控(Code-Shift-Keying,CSK)调制信号。CSK是在一种M进制正交调制信号，共有M种扩频调制信号波形，每一种波形能够表示k＝log2(M)比特信息，这M种扩频调制信号波形是同一个基本码循环移位得到的。对于码长为L的扩频码，每一种波形最多表示
Figure BDA0002075792130000021
比特信息。然而，单独的CSK调制信号不适合用于捕获跟踪测量，只适合于数据传输使用。
为了同时播发低速电文和高速电文，专利“一种多次重复移相的码移键控调制方法及其解调方法”(专利号：CN 201811042847.0)提出R-CSK信号，是CSK信号的一个特例，通过同一个码的不同循环移位调制信息，但是最大信息速率受制于码长。专利“一种双速率复合电文信号播发控制方法”(专利号：CN 201810947305.1)和“一种R-CSK双速率复合电文信号播发控制方法”(专利号：CN 201811078853.1)提出采用相位正交的QPSK调制，在I支路采用传统的BPSK信号，播发低速率的基本导航电文，在Q支路采用CSK信号或者R-CSK信号，播发高速率的扩展电文。但通过相分的方式，I支路将消耗一部分功率，进行信号跟踪或者解调时，无法使用全部的信号功率，降低精度与解调门限。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法及***，在一个扩频导航信号上，同时实现高精度测量和低/高数据速率电文播发。
本发明的技术解决方案是：
一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法，步骤如下：
(1)信道编码：将低速电文和高速电文分别进行信道编码，
(2)PRN码映射：将经过信道编码的低速电文映射为一路PRN码序列，经过信道编码的高速电文映射为N-1路PRN码序列，共得到N路PRN码序列；
(3)码片时分：将N路PRN码序列逐码片时分为一路信号；
(4)基带波形调制：将码片时分后得到的一路信号进行基带波形调制，得到基带信号。
低速电文的原始信息速率为Rb,L，通过信道编码后符号速率为Rs,L，低速电文符号宽度为Ts,L＝1/Rs,L，编码效率为Rb,L/Rs,L，信道编码后的信息符号流为{dL,m}，dL,m∈{0,1}；
高速电文的原始信息速率为Rb,H，通过信道编码后符号速率为Rs,H，高速电文符号宽度为Ts,H＝1/Rs,H，编码效率为Rb,H/Rs,H，信道编码后的信息符号流为{dH,m}，dH,m∈{0,1}。
低速电文PRN码映射，具体为：
(2.11)生成低速电文的PRN码序列，扩频码序列为{cL,i}，i＝0,1,2,…,Lc-1，cL,i∈{0,1}，码速率为Rc；
(2.12)确定码周期：一个低速数据符号有
Figure BDA0002075792130000031
个码周期，即Ts,L是Lc·Tc的整数倍，Lc是扩频码的码长，Tc＝1/Rc，是码片宽度，
(2.13)将低速电文{dL,m}与扩频码序列{cL,i}异或，得到映射后码序列；即当数据符号dL,m是0时，输出码序列为{cL,i}，当数据符号dL,m是1时，输出码序列为{cL,i}的取反序列
Figure BDA0002075792130000032
映射得到的码序列记为{CL,i}。
高速电文PRN码映射，具体为：
(2.21)生成高速电文的PRN码序列集合；
生成的不同正交扩频码序列个数为Nc个，分别为
Figure BDA0002075792130000033
每个扩频码的码长都是Lc；将每个扩频码循环移位，得到新的正交扩频码序列，最多得到Nc·Lc个正交的扩频码序列，每一个扩频码序列表示
Figure BDA0002075792130000034
比特；
(2.22)根据高速电文的速率，每个扩频码序列表示U比特，
Figure BDA0002075792130000035
共需要M＝2U正交码序列，表示为
Figure BDA0002075792130000036
这些正交码序列来自于
Figure BDA0002075792130000037
以及它们的循环移位；
(2.23)高速电文{dH,m}经串并转换后，输出(N-1)·U路并行电文符号流，记为d(N-1)·U,k＝[d1,k d2,k … d(N-1)·U,k]T，du,k表示第u路电文符号流的第k个符号值；串并转换后符号速率降为
Figure BDA0002075792130000038
(2.24)每一列有(N-1)·U比特电文符号，每U行电文符号映射为一种码序列，共得到N-1种码序列；第(n-1)U+1到n·U路电文符号映射的码序列表示为
Figure BDA0002075792130000041
U个并行电文符号与扩频码映射关系如下表：
Figure BDA0002075792130000042
式中，xn,k为二进制数[d(n-1)U+1,k d(n-1)U+2,k … dn·U+1,k]T的十进制数表示，即
Figure BDA0002075792130000043
码片时分，通过以下方法得到：
(3.1)将低速电文映射的一路扩频码{CL,i}和高速电文映射的N-1路扩频码
Figure BDA0002075792130000044
作为N路并行码序列，1≤n≤N-1；
(3.2)按照逐码片时分的方式，将N路并行码序列合成一路扩频码序列，码片时分复用后的扩频码序列记为：{CM,l}，当(i-1)N+1≤l≤i·N，
Figure BDA0002075792130000045
Figure BDA0002075792130000046
(3.3)通过码片时分后，{CM,l}的码速率增加为原来的N倍，记为N·Rc。
基带波形调制，通过以下方法得到：
(4.1)根据信号性能与兼容性需求，设计码片波形p(t)；
(4.2)将码片时分后的码序列{CM,l}与码片波形p(t)进行调制，基带波形调制后的信号表示为：
Figure BDA0002075792130000051
码片波形p(t)采用矩形码片波形或者二进制偏移载波波形。
对于矩形码片波形，有：
Figure BDA0002075792130000052
对于二进制偏移载波波形，有
Figure BDA0002075792130000053
式中，fs为BOC调制的子载波频率，2fs/(N·Rc)为整数。
进一步的，本发明还提出一种基于所述的混合信息速率的码片时分导航信号调制方法实现的导航信号调制***，包括：
信道编码模块：将低速电文和高速电文分别进行信道编码，信道编码后进行交织以提升抗信道衰落能力。
PRN码映射模块：将经过信道编码的低速电文映射为一路PRN码序列，经过信道编码的高速电文映射为N-1路PRN码序列，共得到N路PRN码序列；
码片时分模块：将N路PRN码序列逐码片时分为一路信号；
基带波形调制模块：将码片时分后得到的一路信号进行基带波形调制，得到基带信号。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)与采用QPSK调制的BPSK和R-CSK混合结构相比，本方法采用码片时分技术，将调制低速电文的一路信号，和调制高速电文的多路信号，逐码片时分后播发。进行信号跟踪和解调时，能够使用全部的功率，提升了信号的跟踪精度。
(2)现有的码片时分通常是两路信号的码片时分，本专利采用多路信号的码片时分，以提升数据速率。
(3)传统CSK调制信号只适用于播发数据，不适合跟踪和码测距，本发明在一个复合信号中，，将具有高精度测距能力的码序列，与调制高速电文的码序列，进行逐码片时分，实现了高精度导航测距与高速率数据播发功能的结合。
(4)现有的CSK只使用一个扩频码的循环移位调制数据，最高数据速率受限于扩频码码长与码速率，本发明可以采用多个不同的扩频码以及它们的循环移位实现更多比特的映射，最高数据速率突破了码长的限制，实现了信息速率的进一步提升。
(5)现有CSK调制方式，码片波形都是采用矩形码片，信号的频谱、测距性能受限制，本发明指出可以采用矩形或者BOC码片波形，以及其他的码片波形，实现高性能和高兼容性。
附图说明
图1为本发明公开的混合信息速率码片时分导航信号调制方案；
图2为低速电文PRN码映射示意图
图3为高速电文串并转换为(N-1)·U路并行示意图
图4为码片时分示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明通过逐码片时分技术，将具有测距能力的可调制低速电文的码序列，与调制了高速电文的码序列时分播发。为描述方便，在本专利中，逻辑电平与信号电平是等价的，采用卫星导航信号中的惯例，逻辑0映射为信号电平1.0，逻辑1映射为信号电平-1.0。
为实现上述目的，本发明公开了一种混合信息速率的码片时分信号调制方法。
1.混合信息速率的码片时分信号调制方法包括以下步骤，如图1所示：
(1)信道编码。将低速电文和高速电文分别进行信道编码，低速电文的原始信息速率为Rb,L，通过信道编码后符号速率为Rs,L，低速电文符号宽度为Ts,L＝1/Rs,L，编码效率为Rb,L/Rs,L，信道编码后的信息符号流为{dL,m}，dL,m∈{0,1}。高速电文的原始信息速率为Rb,H，通过信道编码后符号速率为Rs,H，高速电文符号宽度为Ts,H＝1/Rs,H，编码效率为Rb,H/Rs,H，信道编码后的信息符号流为{dH,m}，dH,m∈{0,1}。信道编码后可以采用交织技术，提升抗信道衰落能力。
(2)PRN码映射。将低速电文映射为一路PRN码序列，高速电文映射为N-1路PRN码序列，共得到N路PRN码序列。
(3)码片时分。将N路PRN码序列逐码片时分为一路信号。
(4)基带波形调制。将码片时分后得到的一路信号进行基带波形调制，得到基带信号。
2.步骤1中(2)所述的低速电文PRN码映射，通过以下方法得到：
1)生成低速电文的PRN码序列，扩频码序列为{cL,i}，i＝0,1,2,…,Lc-1，cL,i∈{0,1}，码速率为Rc。
2)一个低速数据符号有
Figure BDA0002075792130000071
个码周期，即Ts,L是Lc·Tc的整数倍。
3)将低速电文{dL,m}与扩频码序列{cL,i}异或，得到映射后码序列。即当数据符号dL,m是0时，输出码序列为{cL,i}，当数据符号dL,m是1时，输出码序列为{cL,i}的取反序列
Figure BDA0002075792130000072
映射得到的码序列记为{CL,i}。
3.步骤1中(2)所述的高速电文PRN码映射，通过以下方法得到：
1)生成高速电文的PRN码序列集合。生成的不同正交扩频码序列个数为Nc个，分别为
Figure BDA0002075792130000073
每个扩频码的码长都是Lc。将每个扩频码循环移位，可以得到新的正交的扩频码序列，理论上最多可以得到Nc·Lc个正交的扩频码序列，每一个扩频码序列可以表示
Figure BDA0002075792130000074
比特。
2)根据高速电文的速率，确定需要每个扩频码序列表示U比特，
Figure BDA0002075792130000075
共需要M＝2U正交码序列，表示为
Figure BDA0002075792130000076
这些正交码序列来自于
Figure BDA0002075792130000077
以及它们的循环移位。
3)高速电文{dH,m}经串并转换后，输出(N-1)·U路并行电文符号流，记为d(N-1)·U,k＝[d1,k d2,k … d(N-1)·U,k]T，du,k表示第u路电文符号流的第k个符号值。串并转换后符号速率降为
Figure BDA0002075792130000081
4)每一列有(N-1)·U比特电文符号，每U行电文符号映射为一种码序列，第(n-1)U+1到n·U路电文符号映射的码序列表示为
Figure BDA0002075792130000082
U个并行电文符号与扩频码映射关系如下表：
Figure BDA0002075792130000083
式中，xn,k为二进制数[d(n-1)U+1,k d(n-1)U+2,k … dn·U+1,k]T的十进制数表示，即
Figure BDA0002075792130000084
4.步骤1中(3)所述的码片时分，通过以下方法得到：
1)将低速电文映射的一路扩频码{CL,i}和高速电文映射的(N-1)路扩频码
Figure BDA0002075792130000085
(1≤n≤N-1)作为N路并行码序列。
2)按照逐码片时分的方式，将N路并行码序列合成一路扩频码序列，码片时分复用后的扩频码序列记为：{CM,l}，当(i-1)N+1≤l≤i·N，
Figure BDA0002075792130000086
Figure BDA0002075792130000087
3)通过码片时分后，{CM,l}的码速率增加为原来的N倍，记为N·Rc。
5.步骤1中(4)所述的基带波形调制，通过以下方法得到：
1)根据信号性能与兼容性需求，设计码片波形，p(t)。可以采用矩形码片波形或者二进制偏移载波(BOC)波形。对于矩形码片波形，有：
Figure BDA0002075792130000091
对于正弦BOC码片波形，有
Figure BDA0002075792130000092
式中，fs为BOC调制的子载波频率，2fs/(N·Rc)为整数。
2)将码片时分后的码序列{CM,l}与码片波形p(t)进行调制，基带波形调制后的信号表示为：
Figure BDA0002075792130000093
实施例：本发明公开的混合信息速率的码片时分导航信号调制方法操作步骤如下：
(1)信道编码。
将低速电文和高速电文分别进行信道编码，低速电文的原始信息速率为Rb,L＝50bps，通过信道编码后符号速率为Rs,L＝100sps，低速电文符号宽度为10ms，编码效率为1/2，信道编码后的信息符号流为{dL,m}，dL,m∈{0,1}。高速电文的原始信息速率为Rb,H＝2.4kbps，通过信道编码后符号速率为Rs,H＝4.8ksps，编码效率为1/2，信道编码后的信息符号流为{dH,m}，dH,m∈{0,1}。
(2)PRN码映射。
低速电文的PRN码序列序列为{cL,i}，i＝0,1,2,…,1022，cL,i∈{0,1}，码长是Lc＝1023，码速率为Rc＝1.023Mcps。一个低速数据符号有10个码周期。将低速电文{dL,m}与扩频码序列{cL,i}异或，得到映射后码序列{CL,i}，映射过程如附图2所示。
生成高速电文的PRN码序列集合。生成的不同正交扩频码序列个数为Nc＝1个，扩频码的码长都是Lc＝1023。将该扩频码循环移位，得到M＝32个正交扩频码序列，表示为
Figure BDA0002075792130000101
每一个扩频码序列可以表示U＝6比特。将高速电文{dH,m}经串并转换后，输出4×6＝24路并行电文符号流，记为d24,k＝[d1,k d2,k … d24,k]T，du,k表示第u路电文符号流的第k个符号值，串并转换后符号速率降为200sps。高速电文串并转换为(N-1)·U路并行示意图如附图3所示。
每一列有4×6＝24比特电文符号，每6个一组映射为一种码序列，第6(n-1)+1到6n路电文符号映射的码序列表示为
Figure BDA0002075792130000102
6个并行电文符号与扩频码映射关系如下表：
Figure BDA0002075792130000103
式中，xn,k为二进制数[d6(n-1)+1,k d6(n-1)+2,k … d6n+1,k]T的十进制数表示，即
Figure BDA0002075792130000104
(3)码片时分。
将低速电文映射的一路扩频码{CL,i}和高速电文映射的4路扩频码
Figure BDA0002075792130000105
作为5路并行码序列。按照逐码片时分的方式，将5路并行码序列合成一路扩频码序列，码片时分复用后的扩频码序列记为：{CM,l}，当5(i-1)+1≤l≤5i，
Figure BDA0002075792130000106
Figure BDA0002075792130000107
码片时分示意图如附图4所示。通过码片时分后，{CM,l}的码速率增加为原来的5倍，即为5.115Mcps。
(4)基带波形调制。
采用码片波形p(t)进行波形调制，基带波形调制后的信号表示为：
Figure BDA0002075792130000111
对于矩形码片波形，有：
Figure BDA0002075792130000112
在该例子中，信息速率为50bps的低速电文与信息速率为2.4kbps的高速电文同时播发，实现了高信息速率播发。本例中，只使用了一个扩码序列的32个循环移位进行高速电文调制，通过增加扩频码序列的个数，信息速率还能进一步提升。此外，调制低速电文的扩频码序列和调制高速电文的扩频码序列，按照时分图案，合路为一个信号，作为一个整体进行信号跟踪，没有其他支路分流信号功率，因此在进行信号跟踪时，能够使用全部的信号功率，实现高精度的跟踪。
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 (8)

1.一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法，其特征在于步骤如下：
(1)信道编码：将低速电文和高速电文分别进行信道编码；
(2)PRN码映射：将经过信道编码的低速电文映射为一路PRN码序列，经过信道编码的高速电文映射为N-1路PRN码序列，共得到N路PRN码序列；
低速电文PRN码映射，具体为：
(2.11)生成低速电文的PRN码序列，扩频码序列为{cL,i}，i＝0,1,2,…,Lc-1，cL,i∈{0,1}，码速率为Rc；
(2.12)确定码周期：一个低速数据符号有
Figure FDA0003207287270000011
个码周期，即Ts,L是Lc·Tc的整数倍，Lc是扩频码的码长，Tc＝1/Rc，是码片宽度，
(2.13)将低速电文{dL,m}与扩频码序列{cL,i}异或，得到映射后码序列；即当数据符号dL,m是0时，输出码序列为{cL,i}，当数据符号dL,m是1时，输出码序列为{cL,i}的取反序列
Figure FDA0003207287270000012
映射得到的码序列记为{CL,i}；
高速电文PRN码映射，具体为：
(2.21)生成高速电文的PRN码序列集合；
生成的不同正交扩频码序列个数为Nc个，分别为
Figure FDA0003207287270000013
每个扩频码的码长都是Lc；将每个扩频码循环移位，得到新的正交扩频码序列，最多得到Nc·Lc个正交的扩频码序列，每一个扩频码序列表示
Figure FDA0003207287270000014
比特；
(2.22)根据高速电文的速率，每个扩频码序列表示U比特，
Figure FDA0003207287270000015
共需要M＝2U正交码序列，表示为
Figure FDA0003207287270000016
这些正交码序列来自于
Figure FDA0003207287270000017
以及它们的循环移位；
(2.23)高速电文{dH,m}经串并转换后，输出(N-1)·U路并行电文符号流，记为d(N-1)·U,k＝[d1,k d2,k … d(N-1)·U,k]T，du,k表示第u路电文符号流的第k个符号值；串并转换后符号速率降为
Figure FDA0003207287270000018
Rs,H为高速电文的通过信道编码后符号速率；
(2.24)每一列有(N-1)·U比特电文符号，每U行电文符号映射为一种码序列，共得到N-1种码序列；第(n-1)U+1到n·U路电文符号映射的码序列表示为
Figure FDA0003207287270000021
U个并行电文符号与扩频码映射关系如下表：
Figure FDA0003207287270000022
式中，xn,k为二进制数[d(n-1)U+1,k d(n-1)U+2,k … dn·U+1,k]T的十进制数表示，即
Figure FDA0003207287270000023
(3)码片时分：将N路PRN码序列逐码片时分为一路信号；
(4)基带波形调制：将码片时分后得到的一路信号进行基带波形调制，得到基带信号。
2.根据权利要求1所述的一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法，其特征在于：低速电文的原始信息速率为Rb,L，通过信道编码后符号速率为Rs,L，低速电文符号宽度为Ts,L＝1/Rs,L，编码效率为Rb,L/Rs,L，信道编码后的信息符号流为{dL,m}，dL,m∈{0,1}；
高速电文的原始信息速率为Rb,H，高速电文符号宽度为Ts,H＝1/Rs,H，编码效率为Rb,H/Rs,H，信道编码后的信息符号流为{dH,m}，dH,m∈{0,1}。
3.根据权利要求2所述的一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法，其特征在于：码片时分，通过以下方法得到：
(3.1)将低速电文映射的一路扩频码{CL,i}和高速电文映射的N-1路扩频码
Figure FDA0003207287270000031
作为N路并行码序列，1≤n≤N-1；
(3.2)按照逐码片时分的方式，将N路并行码序列合成一路扩频码序列，码片时分复用后的扩频码序列记为：{CM,l}，当(i-1)N+1≤l≤i·N，
Figure FDA0003207287270000032
Figure FDA0003207287270000033
(3.3)通过码片时分后，{CM,l}的码速率增加为原来的N倍，记为N·Rc。
4.根据权利要求3所述的一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法，其特征在于：基带波形调制，通过以下方法得到：
(4.1)根据信号性能与兼容性需求，设计码片波形p(t)；
(4.2)将码片时分后的码序列{CM,l}与码片波形p(t)进行调制，基带波形调制后的信号表示为：
Figure FDA0003207287270000034
5.根据权利要求4所述的一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法，其特征在于：码片波形p(t)采用矩形码片波形或者二进制偏移载波波形。
6.根据权利要求5所述的一种混合信息速率的码片时分导航信号调制方法，其特征在于：
对于矩形码片波形，有：
Figure FDA0003207287270000035
对于二进制偏移载波波形，有
Figure FDA0003207287270000036
式中，fs为BOC调制的子载波频率，2fs/(N·Rc)为整数。
7.一种基于权利要求1所述的混合信息速率的码片时分导航信号调制方法实现的导航信号调制***，其特征在于包括：
信道编码模块：将低速电文和高速电文分别进行信道编码，
PRN码映射模块：将经过信道编码的低速电文映射为一路PRN码序列，经过信道编码的高速电文映射为N-1路PRN码序列，共得到N路PRN码序列；
码片时分模块：将N路PRN码序列逐码片时分为一路信号；
基带波形调制模块：将码片时分后得到的一路信号进行基带波形调制，得到基带信号。
8.根据权利要求7所述的导航信号调制***，其特征在于：低速电文的原始信息速率为Rb,L，通过信道编码后符号速率为Rs,L，低速电文符号宽度为Ts,L＝1/Rs,L，编码效率为Rb,L/Rs,L，信道编码后的信息符号流为{dL,m}，dL,m∈{0,1}；
高速电文的原始信息速率为Rb,H，通过信道编码后符号速率为Rs,H，高速电文符号宽度为Ts,H＝1/Rs,H，编码效率为Rb,H/Rs,H，信道编码后的信息符号流为{dH,m}，dH,m∈{0,1}；信道编码后进行交织以提升抗信道衰落能力。
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