基于混沌擴(kuò)頻CDMA的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)BOC調(diào)制技術(shù).doc

更多免費(fèi)論文請到海員論壇下載 基于混沌擴(kuò)頻CDMA的伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)BOC調(diào)制技術(shù)研究本文受上海市教委重點(diǎn)項(xiàng)目（07ZZ102）和創(chuàng)新項(xiàng)目（08YZ109）的資助陳朝1，2 、湯天浩1 、郭金翠2、許銀錄2、楊浩2（上海海事大學(xué)中法聯(lián)合伽利略系統(tǒng)與海上安全智能交通研究所 上海 200135）1（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）機(jī)械與電子信息學(xué)院 湖北 武漢 430074）2摘要：在伽利略系統(tǒng)中，BOC調(diào)制技術(shù)一直非常關(guān)鍵，針對GPS系統(tǒng)的信號頻譜較為集中的缺點(diǎn)，結(jié)合BOC調(diào)制的頻譜分裂特性，利用混沌擴(kuò)頻CDMA技術(shù)的隨機(jī)性和正交性的優(yōu)點(diǎn)，綜合運(yùn)用于伽利略系統(tǒng)。再仿真對比使用BOC調(diào)制和混沌擴(kuò)頻CDMA技術(shù)前后系統(tǒng)的相關(guān)性能改進(jìn)的情況，由結(jié)果得出混沌的隨機(jī)性和正交性對伽利略系統(tǒng)的應(yīng)用非常有利，BOC調(diào)制和混沌擴(kuò)頻CDMA技術(shù)在伽利略系統(tǒng)中的應(yīng)用具有可行性和實(shí)用意義。關(guān)鍵詞：伽利略系統(tǒng)、混沌擴(kuò)頻、 CDMA 2000、BOC調(diào)制A Research on Modulation of BOC for Galileo system using Chaotic CDMA Spreading Spectrum Chen Zhao1,2 , Tang Tianhao1, Guo Jincui2, Xu Yinlu2, Yang Hao2Shanghai Maritime University, Department of Electronic Engineering, Shanghai, 2001351China University of Geosciences(Wuhan),Faculty of Mechanical & Electronic Information, Wuhan,4300742Abstract：In Galileo system the BOC modulation is very important. Aiming at the shortcomings of signal spectrum of GPS system, with the advantages of the modulation of BOC and chaotic spreading spectrum CDMA technology which signal is randomness and orthogonal, applying the two technologies in the Galileo system, and using MATLAB Simulink toolbox to simulate. Compared the results of simulation, it is found that it is feasible to apply the modulation of BOC and chaotic spreading spectrum technology in the Galileo system which may be used in real Galileo system.Keywords: Galileo system , chaotic spreading spectrum ,CDMA2000，modulation of BOC1、引言目前廣泛應(yīng)用的GPS系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)用戶數(shù)較大時(shí)，由于其采用簡單的BPSK調(diào)制方法，誤碼率將大大提高，從而導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量大大降低。另外由于軍事保密需要，GPS系統(tǒng)碼型結(jié)構(gòu)并沒有完全公開。而隨著社會的進(jìn)步，人們對衛(wèi)星定位系統(tǒng)的性能的要求越來越高，即民用需求日益增加，因此一個(gè)新的能夠提供更高的服務(wù)質(zhì)量的衛(wèi)星定位系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生伽利略系統(tǒng)，一個(gè)歐盟正在建造中的民用衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它是繼美國現(xiàn)有的“全球定位系統(tǒng)” (GPS) 及俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)外，第三個(gè)可供民用的定位系統(tǒng)，我國正在加緊研究的北斗系統(tǒng)也已投入試用階段。伽利略系統(tǒng)采用的BOC調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了其頻譜與GPS系統(tǒng)的頻譜分離，從而避免兩個(gè)系統(tǒng)的相互影響。近幾年來，混沌擴(kuò)頻CDMA技術(shù)迅速發(fā)展，如果能將其應(yīng)用在伽利略系統(tǒng)中，將能夠克服GPS系統(tǒng)目前的相關(guān)缺點(diǎn)，大大提高伽利略系統(tǒng)的性能。這也是我們研究的目的所在。1 2 32、原理2.1 BOC調(diào)制伽利略系統(tǒng)所采用的BOC調(diào)制是一種對矩形子載波的調(diào)制，它能將信號的頻譜分成兩部分，分別位于載波頻率的左右兩邊。其原理見圖1，其中fc為擴(kuò)頻碼速率，fs為副載波速率。導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制到擴(kuò)頻碼后，再調(diào)制一矩形副載波，生成BOC信號，最后調(diào)制到導(dǎo)航信號頻段的主載波上發(fā)射出去，其中與GPS信號的區(qū)別就是引入了一矩形副載波。4 5圖1 BOC調(diào)制原理圖導(dǎo)航數(shù)據(jù)BOC信號擴(kuò)頻序列矩形副載波BOC調(diào)制可以通過調(diào)整參數(shù)使其頻譜完成不同程度的分離，避免與其它信號頻譜上重疊。而且BOC調(diào)制方式的信號具有抗干擾和抗衰落能力強(qiáng)，與同頻段的GPS信號（BPSK調(diào)制信號）的干擾小的特點(diǎn)。2.2 CDMA 2000技術(shù)在CDMA眾多的技術(shù)中，CDMA 2000作為第三代蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的首選技術(shù)，其應(yīng)用很廣泛，這里主要對其的CDMA 2000 1x進(jìn)行介紹，為簡單起見，后面的CDMA 2000 1x都用CDMA 2000表示。CDMA 2000的信道劃分為前向信道與反向信道兩個(gè)大的部分，其中反向信道由反向業(yè)務(wù)信道，反向接入信道，增強(qiáng)接入信道及反向公共控制信道組成。在無線配置方式36中，反向業(yè)務(wù)信道又包括反向基本信道，反向補(bǔ)充信道等。CDMA2000反向業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)幀在調(diào)制之前要經(jīng)過CRC編碼，卷積編碼，信號重復(fù)，信號抽取以及塊交織等過程，如圖2所示。添加幀質(zhì)量指示添加8比特保留位/填充位卷積編碼或Turbo編碼符號重復(fù)符號抽取塊交織信道比特流調(diào)制符號圖2 CDMA2000反向業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)幀調(diào)制過程反向業(yè)務(wù)信道數(shù)據(jù)幀的調(diào)制又分為三個(gè)過程：信道的正交化，PN序列的產(chǎn)生以及正交調(diào)制。在CDMA2000中使用正交Wlash序列來實(shí)現(xiàn)信道的正交化，不同的信道采用不同的Wlash序列來進(jìn)行擴(kuò)頻，這些Wlash序列的碼片速率都等于1.2288Mchip/s；PN序列的產(chǎn)生是由長碼生成器（Long Code Generator）產(chǎn)生一個(gè)碼片速率等于1.2288Mchip/s、長度為242-1的偽隨機(jī)序列，這個(gè)序列與另外兩個(gè)長度為215的偽隨機(jī)序列(I支路和Q支路)進(jìn)行變換之后就得到兩個(gè)輸出PN序列； CDMA2000調(diào)制是采用PN信號生成器的I支路和Q支路PN序列對反向信道數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼，然后把信號調(diào)制到載波頻率f 上形成射頻信號輸出。將混沌序列作為CDMA2000系統(tǒng)的擴(kuò)頻序列和地址碼，即混沌擴(kuò)頻CDMA技術(shù)，將使CDMA2000系統(tǒng)具有混沌的相關(guān)特性，從而將更加大大增強(qiáng)系統(tǒng)的性能，使其能夠給更多數(shù)量的用戶提供更高質(zhì)量的服務(wù)。6 3、方案的具體實(shí)現(xiàn)3.1 CDMA 2000反向基本信道編碼調(diào)制模塊的介紹CDMA 2000反向基本信道編碼調(diào)制的模塊，其主要包括三大部分：（1）初始化模塊。其封裝各個(gè)模塊具有一些相同的參數(shù)，如無線配置方式，數(shù)據(jù)幀長度等，當(dāng)需要修改參數(shù)設(shè)置時(shí)，只需要在初始化模塊中更改相應(yīng)變量的數(shù)值，這個(gè)更改將通過初始化命令傳遞到相應(yīng)的工作區(qū)變量中，進(jìn)而反映到仿真模型的各個(gè)子模塊。（2）反向基本信道數(shù)據(jù)幀（FCH Frame Data）產(chǎn)生模塊。其由信源模塊，CRC編碼器模塊，卷積編碼器模塊，信號交織模塊，正交擴(kuò)頻模塊組成。在本方案中系統(tǒng)采用無線配置方式3（RC3），幀周期為20ms每幀有80 bit,測信源數(shù)據(jù)速率為4000bit/s,再加上添加的幀質(zhì)量指示比特，保留位和填充位，最終由信源模塊出來的數(shù)據(jù)速率為4800bit/s，信源數(shù)據(jù)經(jīng)過上述的模塊處理后輸出一個(gè)抽樣信號序列，信號的傳輸速率為1.2288Mchip/s。（3）信號正交調(diào)制模塊。由PN信號生成器的I支路和Q支路PN序列對反向基本信道數(shù)據(jù)幀（FCH Frame Data）產(chǎn)生模塊送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼，此處為了便于分析，沒有進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。7 3.2 Galileo信源模塊的搭建Galileo信號的調(diào)制模塊主要由Galileo導(dǎo)航電文信號產(chǎn)生模塊，極性轉(zhuǎn)化模塊，P碼產(chǎn)生模塊，C/A碼產(chǎn)生模塊，分頻模塊，成幀模塊組成。Galileo導(dǎo)航電文信號的速率為50b/s, P碼的速率為10.23Mbit/s, C/A碼的速率為1.023Mbit/s,經(jīng)過P碼和C/A碼擴(kuò)頻后的導(dǎo)航電文信號的速率為10.23Mbit/s,而在上述的CDMA 2000模塊的信源信號輸入速率為4000bit/s,所以需要進(jìn)行分頻，因?yàn)閷?dǎo)航電文信號的速率為50b/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于4000bit/s，所以分頻后不會造成信息的丟失。3.3 BOC調(diào)制模塊的介紹BOC調(diào)制模塊主要由擴(kuò)頻碼生成器，方波生成器，乘法器等模塊組成，由于經(jīng)過CDMA 2000反向基本信道編碼調(diào)制模塊輸出的信號由相位相差的兩個(gè)支路信號組成，對兩支路信號分別進(jìn)行BOC調(diào)制，把輸出的結(jié)果看成復(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部，在進(jìn)行增益處理后輸出數(shù)字的經(jīng)CDMA 2000系統(tǒng)調(diào)制的伽利略信號。4、系統(tǒng)總體模塊的設(shè)計(jì)與仿真 用Galileo信源模塊替換CDMA 2000反向基本信道編碼調(diào)制模塊中的的信源模塊，然后將CDMA 2000模塊輸出的結(jié)構(gòu)作為BOC調(diào)制模塊的輸入，再將CDMA 2000模塊中Wlash序列生成模塊和PN序列生成模塊用相應(yīng)長度的混沌序列產(chǎn)生模塊更改或替換，這樣總的系統(tǒng)模塊便搭建完成，具體見圖3。圖3 系統(tǒng)總體模塊5、仿真結(jié)果分析（仿真中為了便于運(yùn)行和對比結(jié)果，將混沌序列產(chǎn)生式的參數(shù)固定，而且所有的調(diào)制均為基帶調(diào)制，信號波形均截取最后一幀）5.1 比較使用混沌序列前后CDMA 2000信道編碼調(diào)制的頻譜衰減情況圖4（沒有使用混沌序列） 圖5（使用混沌序列）由圖4，5可以得出，使用混沌序列后，信道調(diào)制的頻譜衰減特性更加的平滑，又因?yàn)榛煦鐢U(kuò)頻序列沒有周期，類似于一個(gè)隨機(jī)過程，并且混沌序列的產(chǎn)生相對其他PN偽隨機(jī)序列要容易的多，因此系統(tǒng)更加容易實(shí)現(xiàn)，有更加好的保密性，更加的難以破譯。5.2比較使用混沌序列前后和BOC調(diào)制前后信號頻譜特性： 圖6 圖7注釋：圖6（沒有使用BPSK調(diào)制GPS信號頻譜）圖7（使用BPSK調(diào)制GPS信號頻譜）圖8（使用CDMA 2000+BOC調(diào)制伽利略信號頻譜）圖9（使用CDMA 2000+混沌序列+BOC調(diào)制伽利略信號頻譜） 圖8 圖9由圖6，7，8，9可得，伽利略衛(wèi)星系統(tǒng)中使用的BOC調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將信號功率由主瓣移至旁瓣的目的，從而使得其與GPS的頻譜不重合，避免了相互的干擾，提高了服務(wù)質(zhì)量。對比圖8、9可以得出使用混沌序列進(jìn)行擴(kuò)頻后的信號功率由主瓣移至旁瓣的效果更加顯著。與GPS系統(tǒng)的相互干擾更加的小。這四幅圖還從側(cè)面反映出對伽利略信號進(jìn)行CDMA 2000信道調(diào)制的可行性。6、結(jié)論通過MATLAB的仿真和對相關(guān)結(jié)果的分析，可以得出兩個(gè)方面的結(jié)論。首先,從CDMA 2000信道編碼調(diào)制技術(shù)前后，伽利略信號的頻譜特性圖，可以看出，使用CDMA 2000信道編碼調(diào)制后的伽利略信號具有了CDMA 2000信號的相關(guān)特性。而CDMA 2000信號具有抗干擾性能好，抗多徑衰落能力強(qiáng)，保密安全性高的特點(diǎn)，并且CDMA 2000系統(tǒng)屬寬帶低噪比，波形采用高冗余度糾錯(cuò)編碼和高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)，可確保了超低誤碼率話音和數(shù)據(jù)傳輸，這些特點(diǎn)可以確保運(yùn)用CDMA 2000技術(shù)伽利略系統(tǒng)的性能將大大提高誤碼率性能。其次，從BOC調(diào)制前后，以及經(jīng)過CDMA2000調(diào)制模塊前后伽利略信號的頻譜衰減情況上，可以看出經(jīng)過混沌擴(kuò)頻CDMA信道編碼調(diào)制，信號的特性達(dá)到了經(jīng)BOC調(diào)制所預(yù)期的效果。而且信號也具有了混沌和CDMA2000信號的相關(guān)特點(diǎn)。由總體的分析，我們可以得出在伽利略系統(tǒng)中使用BOC調(diào)制技術(shù)和混沌擴(kuò)頻CDMA信道技術(shù)是可行的。參考文獻(xiàn)：1 楊俊, 武奇生 GPS基本原理及其Matlab仿真M 西安電子科技大學(xué)出版社, 2006,105-1252 邱致和 GPS M碼信號的BOC調(diào)制 導(dǎo)航J, 2005,41(1):1-18.3 BC BARKER, JW BETZ, JE CLARK et al. 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