CCRW技术在MBOC调制信号下多径抑制性能＊

刘 哲，倪少杰，牟卫华，唐小妹

（国防科技大学电子科学与工程学院 卫星导航定位研发中心，湖南 长沙410073）

0 引 言

MBOC（multiplexed binary offset carrier）是GPS现代化计划中L1C信号和Galileo系统E1开放式服务信号采用的一种新的调制方式。MBOC以BOC（1，1）信号为基线，从频谱上避开了业已存在的BPSK信号，提高了频谱复用率，使抗干扰能力大大增强，同时高频分量BOC（6，1）的存在使信号的跟踪性能有所改善。随着GPS现代化计划的推进和Galileo系统的发展与成熟，MBOC信号的性能受到广泛关注。

在GNSS系统中，多径是由于卫星信号经物体反射或散射后进入接收机引起的，由于很难通过建模、差分等方法消除，因此多径一直是GNSS系统中主要误差源之一。CCRW技术是一种广泛应用于BPSK信号体制下商用接收机上的多径抑制算法。通过改变本地复现码的波形以期获得更理想的鉴相函数，从而更好地抑制多径，CCRW技术在应用于BPSK接收机时取得了很大成功。目前典型的CCRW算法包括窄相关、W1（四相关）、W2、W3、W4CCRW[4]。目前关于 CCRW 技术在BPSK调 制 信 号 下 性 能 的 研 究 比 较 充 分[4，8]，对BOC下的性能研究也较为成熟[7－9]，文献[2]通过将BPSK调制下的CCRW闸波信号直接应用到BOC（1，1），研究了 W2在 BOC（1，1）中的性能。文献[6]研究了窄相关及 W1CCRW 在TMBOC下的性能，文献[3]详细分析了 W2CCRW 在MBOC下的性能，本文则以 W1、W2、W3、W4 CCRW技术为研究对象，系统研究了其直接移植到MBOC信号时的多径抑制性能，并与其在BPSK和BOC（1，1）调制下性能进行了比较。

1 MBOC调制

MBOC是GPS现代化计划和Galileo系统中采用的一种新的信号调制方式。为提高频谱复用率，在L1频点，GPS和Galileo决定采用 MBOC（6，1，1／11）的调制方法，以BOC（1，1）作为基线，并增加高频分量来提高信号的跟踪性能。MBOC（6，1，1／11）表示该信号的频谱由1／11的BOC（6，1）和10／11的BOC（1，1）构成。现有信号体制下有TMBOC和CBOC两种实现方法，二者功率谱密度相同，均为式（1）所示。

TMBOC是一种类似时分复用的方式，为GPS L1C信号所采用。L1C包括数据通道和导频通道，其能量比为1：3。数据通道采用BOC（1，1）调制，导频信号采用TMBOC（6，1，4／33），在每33个方波中，第1、5、7、30个为BOC（6，1），其余为BOC（1，1）。

CBOC（composite BOC）是根据BOC（1，1）和BOC（6，1）不同的幅值权重构成的4电平符号来实现的调制，是幅值的复合式实现，为Galileo系统E1OS信号所采用。E1OS同时播发调制有导航电文的信号和无导航电文的导频信号，二者能量比为1：1，表达式分别为

由于CBOC中用于跟踪的主要是导频通道，因此，主要研究CCRW技术在CBOC导频通道和TMBOC中的多径抑制性能。

2 CCRW技术简介

CCRW技术是广泛应用于二相相移键控（BPSK）信号接收机上的一种多径抑制技术，世界上许多知名的接收机生产商都采用该技术或发明过相关专利。该技术中本地参考波形是一系列的闸波信号，闸波信号由一定数目的基本波形组成，不同闸波波形如图1所示。基本波形的宽度定义为闸波宽度GW.同BPSK接收机相似，本文研究的MBOC接收机中，闸波信号也是根据调制副载波之前的伪码序列产生的。

在接收机基带数字信号处理模块中，来自射频前端的数字中频信号与本地载波相乘后，分别与本地即时码和本地闸波信号进行相关运算，得到IX、QX、IW、QW，四路信号输入到鉴别器中，求得载波相位和码相位跟踪误差，从而完成对载波和伪码的跟踪。四路信号表达式如式（4）至（7）所示。其中A为信号幅度；D为导航电文；fe为载波频率跟踪误差；T为积分时间；θe为初始载波相位误差；Ni，X、Nq，X、Ni，W、Nq，W是高斯白噪声，R（ε）和R（ε）分别表示接收到的卫星信号与本地即时码和本地闸波信号的互相关函数。

鉴别器分为相干和非相干两种，实际中应用较多的是非相干鉴别器，其鉴相函数如式（8）所示。

图1 不同闸波信号波形

3 CCRW技术在MBOC下的多径抑制性能分析

主要采用基于多径误差包络的多径抑制性能分析方法[5]，分析比较不同闸波信号的多径抑制性能。

理想无限带宽情况下不同闸波波形在闸宽为1／12（单位：码片，下同）的鉴相函数如图2所示。可以看出，MBOC调制下鉴相函数有以下特点：

1）鉴相函数在延迟为零附近并不是线性的，这是由MBOC中存在的BOC（6，1）分量造成的；

2）各鉴相函数均有多个过零点，因此使用类似Bump－jumping的辅助校验技术来保证码跟踪环路的正确锁定是十分有必要的；

3）CBOC调制中四种技术的牵引范围相同，都是[－0.08 0.08]。TMBOC中 W1、W2、W3的牵引范围为[－0.08 0.08]，W4的牵引范围较大，为[－0.08 0.17]。

不同调制方式下各闸波信号多径误差包络如图3和图4所示。为了分析方便，仿真所用多径为单路镜面反射模型，多径信号幅度为直达信号的0.5倍，射频前端简化为－3dB带宽为20M、阻带为30M的带通滤波器，图3中闸宽为1／12，图4中闸宽为1／16。

由误差包络可以得出以下结论：

1）在 MBOC调制下，W2、W3、W4CCRW技术能较好地抑制延迟较大的多径，而对短延迟多径不能完全抑制，这与BPSK和BOC（1，1）下结论类似。同时TMBOC调制下，延迟大于0.5码片的多径信号仍有一定影响，这是因为鉴相函数在延迟小于－0.4码片时仍有一定起伏。W1CCRW性能较BPSK调制变差，虽然在延迟为一个码片附近的多径抑制能力优于BPSK，但对0.5码片之内的多径抑制作用有限，而在实际中，由于较大延迟的多径在传播过程中能量损耗较大，我们更关心的是延迟小于0.5码片的多径；

2）类似于BPSK和BOC（1，1），MBOC调制下，闸宽越小，多径误差包络越理想，其包络面积、包络极值、有效包络区间长度等都随闸宽的降低而减小；

3）MBOC调制下 W2、W3、W4CCRW 误差包络形状并不规则，载波延迟为0和π时误差包络并不对称，这与鉴相函数线性程度和对称性较低有关。W2与W4多径误差包络较为相似，W3则有较大不同，有效包络区间长度较大，包络面积也大于W2和W4CCRW，但三者的性能均优于W1。

图4 不同调制方式中各闸波信号在闸宽为1／16码片时多径误差包络

以BPSK调制下 W2CCRW在闸宽为1／12时的包络面积为准，测得不同条件下各多径误差包络面积如表1。通过表1可知：

1）W2、W3、W4在闸宽为1／12条件下，在TMBOC下面积与在BPSK和BOC（1，1）下基本相等，在CBOC下则小得多，W2和W4在CBOC下面积约为在BPSK下的58%，W3约为85%；

2）W2、W3、W4在闸宽为1／16条件下，多径误差的包络面积大小关系为：TMBOC＞BPSK≈BOC（1，1）＞CBOC。这是由于在TMBOC信号下应用CCRW技术时没有考虑BOC（6，1）分量，对BOC（6，1）采用了和 BOC（1，1）相同的处理方式，因此没有发挥出高频分量的跟踪优势，造成在TMBOC信号下性能有所下降；

3）W1在闸宽为1／12时，面积大小关系为CBOC＞BOC（1，1）＞TMBOC＞BPSK，在闸宽为1／16时，面积大小关系为BOC（1，1）＞BPSK＞TMBOC＞CBOC.

表1 不同条件下不同闸宽归一化误差包络面积统计

4 结 论

介绍了 W1、W2、W3、W4CCRW四种技术的基本原理，并从误差包络面积、包络极值、有效包络区间长度等几个方面比较了这几种技术在MBOC调制信号下的性能。虽然以上几种闸波信号都是针对BPSK信号设计的，但其在CBOC调制下的性能优于BPSK调制。由于MBOC信号特性与BPSK并不相同，因此针对MBOC信号的特点来设计闸波波形是提高MBOC信号接收机多径抑制性能的一种可行思路，这部分工作还需进一步深入研究。

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