GPS系统TMBOC调制的FPGA实现

摘要 TMBOC调制信号是GPS中用于L1频带的一种新的信号形式，具有较好的兼容性和互操作性。文中介绍了TMBOC调制的定义及其频谱特性，阐述了基于FPGA硬件平台的TMBOC调制实现方法，并给出了仿真波形。最后对生成的信号数据进行Matlah分析，结果表明该调制方法正确可行。
关键词 GPS；TMBOC；调制；FPGA

    由于Galileo E1信号和GPS L1信号共用相同的载波频率1 575．42 MHz，为使导航信号具有较好的兼容性和互操作性，美国和欧洲专家组成的联合设计机构推荐MBOC(Multiplexed Binary Offset Carder)作为GPS L1和Calileo E1共用的民用信号调制方式。MBOC调制分为TMBOC(Time multiplexed Binary Offset Carrier)和CBOC(Composite Binary Offset Carrier)两种调制方式，其中GPS L1频带采用了TMBOC调制方式。文中首先对TMBOC调制过程进行介绍，对该信号的时频特性进行分析，在理论分析的基础上完成基于FPGA硬件平台的TMBOC调制，并给出仿真波形。

1 TMBOC调制的生成方式及频谱特性
    TMBOC调制为时分多副载波调制形式，即在数据通道使用单一BOC(1，1)调制，在导频通道使用BOC(1，1)和BOC(6，1)混合调制，且BOC(6，1)占导频通道总功率的4／33，则混合调制的副载波记为TMBOC(6，1，4／33)。
    TMBOC导频通道和数据通道时域表达式如下：
    导频通道信号

    其具体副载波波形如图1所示。

    数据通道和导频支路的功率谱密度计算如下
   
    其中，BOC(m，n)的功率谱密度计算公式如下
   
    从式(6)中可以看出，BOC(1，1)频谱分量占总功率的10／11，BOC(6，1)频谱分量占总功率的10／11，满足MBOC(6，1，1／11)调制的要求。TMBOC的功率谱如图2所示。

    从图2可以看出，由于叠加BOC(6，1)频谱成分，TMBOC的功率谱与BOC(1，1)相比，在±6 MHz和±18 MHz附近出现小主峰。凸出的地方是BOC(6，1)主瓣的地方。如提高BOC(6，1)所占的功率比，则凸出的小主峰的峰值也随之变大。由于MBOC通过在BOC(1，1)的频谱上增加少部分的高频分量，从而获得更窄的自相关峰曲线，提高伪码跟踪精度，且在一定程度上缓解了多径干扰。

2 用FPGA实现TMBOC调制
2．1 基带TMBOC信号的产生
    FPGA(Field Programmable Gate Array逻辑电路具有编程灵活、易修改、速度快、性能稳定可靠、设计开发周期短、设计制造成本低等优点，已广泛应用于通信、数据处理、网络、芯片设计、军事和航空航天等众多领域。设计使用Xilinx公司的ISE10．1集成开发软件进行设计，用ModelSim6．5进行硬件仿真，使用VHDL语言实现系统硬件设计。

    图3为TMBOC基带信号调制方框图。其中clk为外部晶振提供的122．76 MHz时钟信号，经过分频电路产生12．276 MHz的副载波生成时钟、2．046 MHz的副载波生成时钟和1．023MHz的扩频码时钟，这些时钟具有相同的起始点。数据信号和产生的扩频码进行扩频得到扩频信号，扩频信号再与副载波产生器产生的1．023MHz方波副载波进行调制得到数据通道的基带信号。码片选择器对副载波产生器产生的6．138MHz副载波和1．023MHz副载波进行选择，得到时分副载波信号，把时分耐载波信号与另一扩频序列产生器产生的扩频信号进行调制就得到导频通道的基带信号。把两路的基带信号进行合路得到TMBOC基带信号。基带调制中需要对数据通道副载波和导频通道副载波分别乘以系数。
    下面对调制过程的主要模块进行介绍：
    (1)扩频序列产生模块。扩频序列产生器用来产生导数据通道和导频通道的扩频码。TMBOC调制的扩频码主要使用m序列，由一10级反馈移位器构成，生成码片长度为1 023。
    (2)副载波产生模块。数据通道使用单一BOC(1，1)的副载波作为副载波，而导频通道使用BOC(1，1)副载波和BOC(6，1)副载波混合混合生成的副载波。导频通道副载波由码片选择器控制产生。码片选择器的原理是产生一周期为33个时钟周期的信号选择序列，在第1、5、7和30时钟周期取高电平，其他时钟周期取低电平。把信号选择序列和其反相序列分别与BOC(6，1)和BOC(1，1)副载波相乘(与运算)，得到的两路信号再相加(或运算)，这样就生产导频支路的副载波。导频通道副载波生成仿真波形如图4所示。

    把数据通道副载波和导频通道副载波分别乘以系数后与扩频信号进行调制，再合并得到TMBOC调制基带信号。由于系数为小数，在FPGA实现上要进行定点运算，其需要对系数进行量化操作。
    (3)中频载波调制模块。在系统时钟控制下，采用ISE中的DDS口核生成30 MHz的余弦信号作为中频载波，对产生的基带信号进行调制，得到TMBOC中频调制信号。其仿真波形如图5所示。

2．2 功率谱和自相关函数分析
    对FPGA产生的TMBOC基带信号进行采样，采样值运用Matlab进行分析，生成的功率谱如图6所示。

    由图6可知TMBOC在BOC(1，1)频谱的基础上增加了BOC(6，1)分量，这样就获得了更丰富的高频分量，自相关峰曲线也变的更窄，如图7所示，从而提高伪码跟踪精度，且在一定程度上缓解多径干扰。

3 结束语
    文中介绍了TMBOC的调制方法，并对TMBOC特性进行了分析。在理论分析的基础上实现了基于FPGA硬件平台的TMBOC调制，并通过仿真证明了此设计的可行性。采用FPGA进行导航信号的调制设计，可以较好地对导航信号进行研究分析。