一种BOC调制导航信号功率标定方法

李春霞，何巍巍，王宏兵

(1.中国人民解放军32021部队，北京 100094；2.航空工业无线电电子研究所，上海 200241)

0 引言

信号功率标定是衡量信号源发射功率准确度、接收机功率估计准确度的重要手段，是卫星导航信号质量监测、星地对接和在轨测试等任务中必不可少的测试项目之一[1]。

传统导航信号功率标定采用频谱分析仪，分为2种方法：① 单载波标定方法；② 扩频信号标定方法[2]。单载波标定方法要求信号源具备单载波发射能力，适用于BPSK，QPSK等各支路可以独立发射的调制方式；传统的扩频信号标定方法能标定带内总功率，无法给出各支路的功率[3]。

BOC调制信号[4]是一种新型卫星导航信号，在GPS M码信号[5-6]、Galileo系统卫星导航信号[7-8]设计中得到了广泛应用。BOC调制特别是AltBOC[9-10]，TD-AltBOC[11]，ACEBOC[12-13]等新型调制信号，相比于传统的BPSK调制信号，带宽增大且调制方式复杂，不能单支路独立发射，实际应用中信噪比低，信号功率无法每个支路单独标定。

针对上述问题，本文提出一种大信号-功率分配信号功率标定方法，可应用于BOC调制信号单支路功率标定。该方法利用发射通道和接收通道的功率线性化特点，在大功率条件下标定BOC调制(包含AltBOC，TDBOC，TMBOC等所有BOC调制子类[14-15])信号总功率；然后利用各支路信号的功率配比，通过计算分配得到各支路的功率。

1 功率分配标定方法的原理及步骤

1.1 功率分配标定方法的原理

由于传输距离远、衰减大，卫星导航系统接收到的通常是弱信号，其信噪比太低无法利用频谱仪直接进行标定。在星地对接、地检系统测试中，对卫星导航模拟信号功率标定通常在高于正常工作电平的强信号条件下进行，信噪比较高，可以利用频谱仪标定带内信号总功率。对于BOC调制，通常还需要对各支路功率进行标定。由于BOC调制参数一旦确定，其复用效率、各支路信号的功率占比是固定的，因此各支路的功率可通过计算实现。

根据上述分析，得出功率分配标定方法的原理：首先在强信号条件下利用频谱仪标定信号总功率；然后在正常工作电平条件下根据所测信号调制方式中各支路的功率配比，计算各支路的电平，即得到了最终的各支路功率标定值。

1.2 功率分配标定方法的步骤

功率分配标定方法包括以下4步。第1步：标定强信号功率；第2步：降低信号功率至正常接收范围；第3步：计算有用信号功率；第4步：分配计算各支路功率。

1.2.1 标定强信号总功率

强信号总功率标定设备连接图如图1所示，将高功率信号源、可调衰减器连接，构成信号发射系统，再连接至频谱仪。通过减少可调衰减器的衰减量提高信号发射系统的输出功率，经频谱仪观察，当信号谱密度比噪声谱密度高20 dBc以上时，记录频谱仪读数P1(dBW)，以及信号发射功率配置参数、衰减器读数。

图1 强信号总功率标定设备连接图

测试中要求信号谱度比噪声谱密度高20 dBc以上，其原因如下：① 信号谱高于噪声谱，频谱仪可测量信号功率谱；② 相差20 dB条件下，噪声所致信号功率测量误差为10×lg((102+1)/102) =0.04 dB，测量精度比常规的功率标定精度指标0.5 dB高一个数量级，符合常规测量要求。

1.2.2 降低信号功率至正常接收范围

降低信号功率设备连接图如图2所示，将图1中的可调衰减器输出改接到接收机。提高可调衰减器的衰减量，观察接收机工作状态。当接收机工作状态正常，表明信号发射系统的输出功率降低到了正常范围之内，记录此时信号发射电路功率配置参数、衰减器读数。将第1步记录的信号发射功率配置参数、衰减器读数，与这一步记录作差，得出这一步的信号功率降低量Pd(dB)。

图2 降低信号功率设备连接图

1.2.3 计算有用信号总功率

记各支路独立接收条件下多路复用的效率为η，计算有用信号总功率10(P1-Pd)/10η(W)，即为接收机所能接收的各支路信号功率总和。其中，多路复用的功率效率可以根据调制类型、调制参数计算得出。

以ACEBOC调制为例，当同相通道、正交通道功率不同，但是上下边带总功率相等时，即PUQ∶PLQ∶PUI∶PLI=1∶1∶β2∶β2时，其中PUQ，PLQ，PUI，PLI依次表示上边带正交通道功率、下边带正交通道功率、上边带同相通道功率和上边带同相通道功率，ACEBOC调制可记为ACEBOC(β2)，其复用效率η计算表达式如下：

(1)

根据式(1)可以计算出不同功率比条件下的复用效率，如表1所示。当β2=1，即调制方式为常见4分量AltBOC调制时，复用效率η(1)=85.36%。随着β2的增加，复用效率η增大。当β2=3时，η(3)=87.20%；当β2=∞时，η(∞)=100%，对应于2分量AltBOC调制。可见，η∈[85.36%,100%]。

表1 不同功率比条件下的复用效率

I,Q支路功率比β2调制类型复用效率/%1ACEBOC85.3634分量AltBOC87.20∞2分量AltBOC100

1.2.4 分配计算各支路功率

根据各支路信号的发射功率比，分配计算各支路的功率。各支路发射功率比可以直接采用该调制方式的各支路发射功率比理论值；还可以在工作电平条件下，通过接收机估计不同支路的功率，进而测得各支路的发射功率比。

以ACEBOC调制为例，可以求得各个支路的PUQ，PLQ，PUI，PLI，单位dBW。

(2)

(3)

2 功率分配标定方法使用要求

2.1 信号发射系统功率大范围可调

上述测试方法第2步要求信号发射系统既可发射功率谱密度高于噪声谱20 dB以上的强信号，又可发射正常功率电平下的信号。以4种新型卫星导航信号(包括GPS L1C民用信号；Galileo E1，E6，E5民用信号)为例，表2给出了其对应信号源(含衰减器)发射功率动态范围要求。表2中，强信号功率按照正常信号提升50 dB左右计算，正常信号功率按照ICD文件公开的最大达到地面电平计算[17]。

表2 信号发射系统发射功率动态范围要求

信号带宽/MHz强信号功率/dBm正常信号功率/dBm动态范围/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数据可见，由于新型卫星导航信号普遍带宽较大，这要求信号发射系统输出功率范围50 dB可调，通过3种方法可实现：方法1是在信号源输出功率动态范围高达50 dB条件下，直接调节信号源输出功率；方法2是在信号源可输出高功率、衰减器最大衰减量不低于50 dB条件下，调节可调衰减器衰减值实现；方法3是信号源可输出高功率且具备一定动态范围、衰减器具备一定调节范围条件下，同时条件信号源输出功率、衰减器衰减量。其中方法2最简单，是首选方法；方法3是方法一、方法2的结合。采用方法2，需要信号源能够输出比正常功率高50 dB的信号。

2.2 发射功率可线性调节

功率分配标定方法在高功率条件下标定总功率，在正常功率条件下分配支路功率，由于正常功率下的各支路功率是通过总功率分配计算而来，其总功率是通过对强信号进行功率调节(衰减)而来，这要求功率调节是线性的。根据上述分析，信号发射系统输出功率调节通过信号源发射功率、调节衰减器衰减量，或者二者结合实现。衰减器的线性调节通过衰减器的定期计量检核保障；信号源发射功率线性调节通过信号源设计保障，并通过接收机功率估计来检核，确保当改变信号源发射功率配置时，其输出功率能线性反映其变化，例如配置信号源发射功率降低5 dB，其实际输出功率降低5 dB。可见，发射功率可线性调节是容易保证的。

3 功率分配标定方法应用实例

以某测试任务中的Galileo E5信号发射功率标定为例，验证功率分配方法的可行性，并用标准接收机检验其标定精度。

在信号发射系统输出功率-110 dBm条件下标定Galileo E5信号发射功率，如图3所示，信号功率低于噪声功率，无法准确标定。采用前文提出的功率分配标定方法可进行信号发射系统输出功率标定。先将衰减器衰减量值减少50 dB，使信号发射系统输出功率为-60 dBm，如图4所示，在该电平条件下标定带内信号总功率，记录数值为-59.72 dBm。再将衰减器衰减量值增加50 dB，在该电平条件下分配计算各支路信号带内信号功率如下：Galileo E5信号为AltBOC调制，复用效率η=85.36%，4支路功率比1∶1∶1∶1，代入式(3)得4个支路的功率如下：

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

(4)

图3 正常信号条件下功率标定

图4 强信号条件下功率标定

至此完成Galileo E5信号发射功率标定工作，标定测得各支路信号发射功率均为-118.18 dBm。

为检验上述标定精度，用某标准接收机标定Galileo E5信号的功率。将标定完毕的信号发射系统连接至标准接收机，该接收机已经通过有线方式标定过，具有高功率测量精度。观察待其稳定工作后，记录接收机测得各支路信号的功率估计值。

功率分配方法标定功率、标准接收机实测功率、以及标定功率与实测功率相比的标定误差，如表3所示。结果表明，4个支路发射功率标定误差均≤0.3 dB。

表3 Galileo E5信号发射功率标定精度

支路信号标定功率/dBm实测功率/dBm误差/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 结束语

针对目前应用广泛的BOC调制方式，尤其是用查表法生成信号的AltBOC等调制方式，使用功率分配标定方法，在发射功率线性可调的条件下可有效地在较大动态范围内对卫星导航模拟信号单支路电平进行准确标定，且精度满足常规的功率标定误差≤0.5 dB指标要求。该方法已在多个工程项目中得到应用，配合信号模拟源以及应用系统将得到进一步推广。