РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2012, том 57, № 6, с. 656-670
ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ^^^^^^^^^^^^ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
УДК 621.391.2
ПОЛНЫЕ AltBOC-СИГНАЛЫ с непостоянной и постоянной ОГИБАЮЩЕЙ ДЛЯ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ © 2012 г. М. С. Ярлыков
Поступила в редакцию 15.05.2011 г.
Рассмотрены формирование и структура четырехкомпонентного и восьмикомпонентного полных AltBOC-сигналов (Alternative Binary Offset Carrier modulated signals) для спутниковых радионавигационных систем (СРНС) нового поколения (в частности, СРНС Galileo и Compass (BeiDou-2)). Че-тырехкомпонентный полный AltBOC-сигнал имеет непостоянную во времени огибающую, тогда как огибающая восьмикомпонентного полного AltBOC-сигнала постоянна. Проанализированы огибающие и фазы таких AltBOC-сигналов при различных значениях коэффициента кратности ме-андровых импульсов. Построены графики и отмечены особенности комбинационных компонент восьмикомпонентного полного AltBOC-сигнала, обусловливающих постоянство огибающей во времени. Дана классификация AltBOC-сигналов. При анализе практических особенностей за основу взята модуляция типа AltBOC(15,10), характерная для СРНС Galileo и Compass.
ВВЕДЕНИЕ
AltBOC-сигналы (Alternative Binary Offset Carrier modulated signals) составляют отдельную группу сложных мультиплексированных меандровых шумоподобных сигналов (ШПС), применение которых представляет значительный интерес для спутниковых радионавигационных систем нового поколения (например, систем Galileo и Compass (BeiDou-2)) [1—5]. Стремление передавать на одной несущей частоте в спутниковых радионавигационных системах (СРНС) несколько (по меньшей мере, два) меандровых ШПС (МШПС) при сохранении всех достоинств BOC-сигналов обусловило активную разработку AltBOC-сигна-лов. Применение одной несущей частоты для передачи нескольких мультиплексированных навигационных сигналов (в том числе и МШПС) позволяет использовать в бортовом передатчике навигационно-космического аппарата (НКА) общий передающий тракт и тем самым сократить число выходных усилителей мощности и антен-но-фидерных систем, а также избежать трудностей по юстировке фазовых центров различных антенн.
Термин "Alternative" исторически возник при разработке сигнально-кодовых конструкций для СРНС Galileo применительно к сигналам частотного диапазона E5. Тогда один AltBOC-сигнал с модуляцией типа AltBOC(15, 10) на несущей частоте f0 = 1191.795 МГц был предложен для использования как альтернатива двум первоначально планируемым ШПС с четверичной фазовой модуляцией типа QPSK(10) (quadrature phase shift keying) на несущих частотах f0L = 1176.45 МГц
(поддиапазон E5a) для одного ШПС и f0U = = 1207.14 МГц (поддиапазон E5b) для другого ШПС[1-3].
Идея построения типового AltBOC-сигнала заключается в формировании его модулирующей функции в виде суммы двух видеосигналов с одной боковой полосой частот (SSB — single sideband) каждый, причем у одного видеосигнала подавлена (в той или иной степени) верхняя боковая полоса частот, а у другого — нижняя боковая полоса частот. Применительно к сигналам СРНС у модулирующей функции один видеосигнал представляет собой комплексную меандровую псевдослучайную последовательность (ПСП), другой — комплексно-сопряженную меандровую ПСП (МПСП) [5]. Именно благодаря этому при помощи одного AltBOC-сигнала удается передавать на одной несущей частоте два различных потока навигационной информации.
Комплексная и комплексно-сопряженная МПСП формируются соответственно на основе комплексного и комплексно-сопряженного ме-андрового поднесущего колебания (ПК). Хотя комплексное и комплексно-сопряженное меанд-ровые ПК (МПК) аналитическими сигналами не являются, тем не менее их энергетические спектры, во многом обладают свойствами спектров аналитических сигналов, что и дает возможность формировать AltBOC-сигналы. Более детально принцип построения, спектры и другие характеристики типового простейшего AltBOC-сигнала изложены в [5].
Известно, что в СРНС Galileo каждый информационный сигнал, излучаемый в диапазоне E5 бортовым передатчиком НКА, сопровождается
своим пилот-сигналом, в котором не содержится эфемеридная и иная служебная информация (СИ-код отсутствует) [2, 3]. Потребность в использовании пилот-сигналов вызвана тем, что наличие СИ-кода разрушает в сигнале когерентность принимаемых сигналов и тем самым снижает характеристики точности приемников в режиме слежения за радионавигационными параметрами. По этой причине число сигнальных компонент в модулирующей функции излучаемого AltBOC-сигнала возрастает от двух до четырех (за счет добавления пилот-сигналов). Результирующий AltBOC-сигнал в таких случаях, как обычно, называется полным AltBOC-сигналом [4, 6]. Мультиплексирование информационных сигналов и пилот-сигналов заключается в их квадратурном сложении. Так, в СРНС Galileo синфазные сигнальные компоненты представляют собой информационные сигналы, а квадратурные сигнальные компоненты являются пилот-сигналами полного AltBOC-сигнала [3].
У сформированных таким образом четырех-компонентных полных AltBOC-сигналов огибающая во времени непостоянна, поэтому они не применяются на практике. Наличие амплитудной модуляции (АМ) в излучаемом радиосигнале не позволяет эффективно учесть нелинейность характеристики выходного усилителя мощности спутникового передатчика, работающего в режиме насыщения [3, 7—10].
Для устранения АМ у сигналов СРНС Galileo применено принудительное выравнивание огибающей четырехкомпонентного полного AltBOC-сигнала по одному уровню [1, 3, 10, 11]. С этой целью к уже имеющимся четырем сигнальным компонентам добавляют еще четыре комбинационные компоненты, которые рассчитывают из условия полной компенсации АМ в результирующем восьмикомпонентном полном Alt-BOC-сигнале. При этом практически все достоинства спектральных характеристик четырехкомпонентного полного AltBOC-сигнала удается сохранить и в сформированном сигнале. Тем не менее у восьмикомпонентного полного AltBOC-сиг-нала примерно 15% мощности приходится затрачивать на комбинационные компоненты [3, 9—11].
Цель работы — рассмотреть формирование и структуру четырехкомпонентного и восьмикомпонентного полных AltBOC-сигналов, проанализировать особенности огибающей и фазы, а также обсудить зависимости их характеристик от коэффициента кратности меандровых импульсов.
В иллюстрирующих примерах используются AltBOC—сигналы с модуляцией типа AltBOC(15, 10), применяемые в СРНС Galileo [3].
Практическое освоение AltBOC-сигналов началось после вывода на орбиту 27 апреля 2008 г.
спутника GIOVE-B европейской СРНС Galileo [12].
Отметим, что далее для краткости там, где это не нарушает ясности изложения, вместо фраз типа "модулирующая функция AltBOC-сигнала" условно используем выражение "AltBOC-сигнал".
1. ПОЛНЫЙ AltBOC-СИГНАЛ С НЕПОСТОЯННОЙ ОГИБАЮЩЕЙ
В типовом случае вещественный (реально излучаемый спутниковым передатчиком) полный AltBOC-сигнал, например СРНС Galileo, определяется выражением
s(t) = Re {Ar dAlt-n(t) exp [/(®qÍ + фс ]}, (1)
где Ar = у]2Рср — амплитуда радиосигнала, Рср — средняя мощность излучаемого радиосигнала, dAlt_n(t) — модулирующая функция полного AltBOC-сигнала, юс = 2/ — круговая несущая частота, fc — несущая частота AltBOC-сигнала, фс — фаза радиосигнала, Re{} — обозначение действительной части соответствующей комплекснозначной функции. Мнимая часть соответствующей комплекснозначной функции обозначена Im {•}. Выражение в фигурных скобках в (1) представляет собой запись излучаемого полного AltBOC-сигнала в комплексной форме. Как видно из (1), специфика AltBOC-сигналов полностью определяется структурой модулирующей функции dAlt_n(t).
Представив dAlt_n(t) в алгебраической форме
dAlt -п
(t) = Re[dAlt-n(t)] + íIm[dA1t_n(t)], выражение (1), характеризующее реально излучаемый спутниковым передатчиком полный AltBOC-сигнал, с учетом того, что exp[/(roct + фс ] = cos (ro0t + фс) + + /sin (ro0t + фс), запишем в виде
s(t) = A,Re[dAlt-n(t) ]cos (root + фс) -- ArIm[dAlt-n(t)]sin (root + фс).
Далее обсудим формирование и структуру модулирующей функции dAlt_n4(t) четырехкомпонентного полного AltBOC-сигнала, где индекс "4" означает, что рассматривается четырехкомпо-нентный сигнал.
У четырехкомпонентных полных AltBOC-сигна-лов информационный сигнал и соответствующий ему пилот-сигнал находятся в квадратуре [1—3].
Так, в СРНС Galileo информационные сигналы представляют собой синфазные компоненты (сиг-нал-Е5а-1 и сигнал-£5й-1), а пилот-сигналы — квадратурные компоненты (сигнал-Е5а-Р и сиг-нал-Е5й-Р) полного AltBOC-сигнала [3]. Все четыре его компоненты содержат свою, отличающуюся от других, ПСП дальномерного кода. При этом каждая из двух информационных компонент (т.е.
(2)
сигнал-Е5а-1 и сигнал-Е5й-1) содержит отличные от другой навигационные данные. Кроме того, частота передачи символов СИ-кода в сигнале-E5a-I равна 50 Гц (symbols/s), а у сигнала-Е5й-1 она составляет 250 Гц (symbols/s). Сигнал-Е5а-1 предназначен для передачи сообщений F/NAV (freely accessible navigation message) службы OS (сигналы с открытым доступом), а сигнал-Е5й-1 передает сведения службы спасения SOL (Safety of Life), информацию о целостности СРНС Galileo и зашифрованные данные службы CS (сигналы с ограниченным доступом).
У всех четырех компонент AltBOC-сигнала СРНС Galileo частота следования символов (чипов) ПСП одинакова и равна fc = 10/оп = 10.23 МГц; частота МПКf = 15/оП = 15.345 МГц, где /,п = = 1.023 МГц — опорная частота; коэффициент
2 f
кратности меандровых импульсов Nu = = 3,
fc
что определяет меандровую модуляцию типа AltBOC(15, 10) [3]. Видно, что применительно к СРНС Galileo выполняются следующие частотные соотношения [3]:
f0 L — f0 /м и f0U — f0 + /м,
(3)
где f0L = fE5a = 1176.45 МГц — центральная частота поддиапазона E5a (нижнего); f0U = fE5b = = 1207.14 МГц — центральная частота поддиапазона E5b (верхнего); f0 = 1191.795 МГц — несущая частота AltBOC-сигнала СРНС Galileo [3].
Излучаемая мощность у полных AltBOC-сиг-налов в СРНС Galileo между информационными и пилот-сигналами делится поровну [3].
Модулирующая функция d^.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.