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北斗B1C信号是我国自主研发的卫星导航系统北斗卫星导航系统的基本信号。
B1C信号具有较为广泛的应用场景，如车载导航、航空航天、精准农业等领域。
而要对B1C信号进行解码和处理，首先需要进行电文帧的同步和解码。
本文将介绍一种北斗B1C信号导航电文帧同步及解码方法。
一、北斗B1C信号电文帧结构1.北斗B1C信号的电文帧结构如图所示：（图示电文帧结构）2.在这个结构中，包含了同步字、数据域、纠错码等部分。
二、北斗B1C信号电文帧同步方法1.同步字的提取在接收到北斗B1C信号之后，首先需要对信号进行精确的同步，以便后续的解码和处理。
同步字的提取是同步方法的第一步。
一种常用的同步方法是利用导航电文帧中的导航消息前导码来实现同步。
通过对接收到的信号进行相关性匹配，可以准确地提取出同步字的位置，从而实现帧同步。
2.相位同步除了同步字的提取之外，还需要进行相位同步，以保证接收信号的相位与发送信号的相位保持一致。
相位同步的方法可以采用差分编码、载波波形对齐等技术来实现。
三、北斗B1C信号电文帧解码方法1.数据域解析经过同步和相位同步之后，接收到的北斗B1C信号可以进行数据域的解析。
在数据域中包含了导航消息、校验位等信息。
解析数据域可以得到导航消息的具体内容，如卫星的位置、速度等信息。
2.纠错码解码在接收到的信号中，还包含了纠错码，用于纠正数据中可能存在的错误。
对纠错码进行解码可以得到更加准确和可靠的导航消息内容。
四、实验结果与分析通过对北斗B1C信号进行电文帧同步和解码，可以得到准确的导航消息内容，为后续的导航应用提供了可靠的数据支持。
实验结果表明，所提出的方法能够有效地实现北斗B1C信号的电文帧同步和解码，具有较高的准确性和可靠性。
五、结论与展望本文介绍了一种北斗B1C信号导航电文帧同步及解码方法，通过对信号的同步和解码，可以得到准确的导航消息内容。
未来，可以进一步优化该方法，提高信号的同步精度和解码效率，使其能够更好地适应复杂的应用环境，为北斗B1C信号的广泛应用提供更加可靠的支持。
北斗卫星导航系统用户终端通用数据接口（预）2014.08.141 范围本要求规定了北斗卫星导航系统与终端之间的数据接口相关要求。
本要求适用于北斗卫星导航系统与应用研究。
2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 6107—2000 使用串行二进制数据交换的数据终端设备和数据电路终接设备之间的接口GB/T 11014—1989 平衡电压数字接口电路的电气特性3 要求3.1 硬件3.1.1 概述北斗终端应可以通过一根连接线缆并入连接多个接收器。
接收器的数目取决于发送器的输出驱动能力、终端的输入驱动要求和是否使用终端电阻器。
3.1.2 互连线互连线可以通过一根屏蔽双绞线外加一根使装置共地的接地保护线互连。
应对屏蔽双绞线增加一根单线使装置共地的接地保护连线。
应对屏蔽双绞线增加一根单线或利用双层屏蔽绝缘电缆线的内绝缘层。
3.1.3 连接器终端中尽量选用通用连接器。
3.1.4 发送器和接收器发送器和接收器电信号特性应符合GB/T 6107—2000中第2章和GB/T 11014—1989中第4章的要求。
3.2 数据传送数据以串行异步方式传送。
第一位为起始位，其后是数据位。
数据遵循最低有效位优先的规则。
所用参数如下：∙波特率：4800～115200 bps，可根据需要设定，默认值为115200 bps；∙数据位：8 bit（d7=0）；∙停止位：1 bit；∙校验：无。
3.3 数据格式协议3.3.1 字符3.3.1.1 预留字符预留字符集由表1所示的ASCII字符组成。
这些字符用于语句和字段定界，不应把它们用在数据段中。
表1 预留字符3.3.1.2 有效字符有效字符集包括所有可印刷的ASCII字符（HEX20到HEX7F），但定义为预留字符者除外。
3.3.1.3 非定义字符没有定义成“预留字符”和“有效字符”的ASCII字符，任何时候都不应该发送。
北斗卫星导航系统测量型终端通用规（预）2014.08.141 围本标准规定了北斗卫星导航系统测量型终端（以下简称北斗测量型终端）的技术要求、检验方法、检验规则以及标志、包装、运输和贮存等。
本标准适用于利用载波相位观测值进行静态测量、后处理动态测量、RTK测量的北斗测量型终端的研制、生产和使用。
2 规性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
•GB/T 191 包装储运图标志•GB/T 2828.1—2003 计数抽样检验程序第1部分：按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划•GB 4208—2008 外壳防护等级（IP代码）•GB/T 4857.5 包装运输包装件跌落试验方法•GB/T 5080.1—1986 设备可靠性试验总要求•GB/T 5080.7—1986 设备可靠性试验恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案•GB/T 5296.1—1997 消费品使用说明总则•GB/T 6388 运输包装收发货标志•GB 9254—2008 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法•GB/T 9969—2008 工业产品使用说明书总则•GB/T 12267-1990 船用导航设备通用要求和试验方法•GB/T 12858-1991 地面无线电导航设备环境要求和试验方法•GB/T 13384—2008 机电产品包装通用技术条件•GB/T 15868—1995 全球海上遇险与安全系统（GMDSS）船用无线电设备和海上导航设备通用要求、测试方法和要求的测试结果•GB/T 16611—1996 数传电台通用规•GB/T 17626.3—2006 电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验•GB/T 19391—2003 全球卫星定位系统（GPS）术语及定义•GB/T 20512 GPS接收机导航定位数据输出格式•CH 8016—1995 全球定位系统（GPS）测量型接收设备检定规程3 术语、定义及缩略语3.1 术语和定义北斗卫星导航系统用户终端通用技术要求确立的以及下列术语和定义适用于本文件。
北斗卫星导航系统用户终端通用数据接口（预）2014.08.141 范围本要求规定了北斗卫星导航系统与终端之间的数据接口相关要求。
本要求适用于北斗卫星导航系统与应用研究。
2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
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GB/T 6107—2000 使用串行二进制数据交换的数据终端设备和数据电路终接设备之间的接口GB/T 11014—1989 平衡电压数字接口电路的电气特性3 要求3.1 硬件3.1.1 概述北斗终端应可以通过一根连接线缆并入连接多个接收器。
接收器的数目取决于发送器的输出驱动能力、终端的输入驱动要求和是否使用终端电阻器。
3.1.2 互连线互连线可以通过一根屏蔽双绞线外加一根使装置共地的接地保护线互连。
应对屏蔽双绞线增加一根单线使装置共地的接地保护连线。
应对屏蔽双绞线增加一根单线或利用双层屏蔽绝缘电缆线的内绝缘层。
3.1.3 连接器终端中尽量选用通用连接器。
3.1.4 发送器和接收器发送器和接收器电信号特性应符合GB/T 6107—2000中第2章和GB/T 11014—1989中第4章的要求。
3.2 数据传送数据以串行异步方式传送。
第一位为起始位，其后是数据位。
数据遵循最低有效位优先的规则。
所用参数如下：•波特率：4800～115200 bps，可根据需要设定，默认值为115200 bps；•数据位：8 bit（d7=0）；•停止位：1 bit；•校验：无。
3.3 数据格式协议3.3.1 字符3.3.1.1 预留字符预留字符集由表1所示的ASCII字符组成。
这些字符用于语句和字段定界，不应把它们用在数据段中。
表1 预留字符3.3.1.2 有效字符有效字符集包括所有可印刷的ASCII字符（HEX20到HEX7F），但定义为预留字符者除外。
3.3.1.3 非定义字符没有定义成“预留字符”和“有效字符”的ASCII字符，任何时候都不应该发送。
doi :10.3969/j.issn.1001-893x.2019.04.017引用格式:叶旅洋,何在民,张瀚青,等. 北斗”三号B1C 信号的硬件实时生成[J].电讯技术,2019,59(4):468-475.[YE Lüyang,HE Zaimin,ZHANG Hanqing,et al.Real-time hardware generation of BDS-3B1C signal[J].Telecommunication Engineering,2019,59(4):468-475.]北斗”三号B1C 信号的硬件实时生成*叶旅洋1,2,3,何在民**1,2,张瀚青1,2,3,樊战友1,2(1.中国科学院国家授时中心,西安710600;2.中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室,西安710600;3.中国科学院大学电子电气与通信工程学院,北京100049)摘 要:从节省资源㊁提高实时性以及简化实现复杂度的角度出发,对 北斗”三号B1C 信号进行硬件实时生成㊂首先,介绍了B1C 生成相关理论并将B1C 信号生成拆分成子模块进行研究和生成;其次,采用统一的系统时钟和精密的相位控制保证了B1C 信号数据分量与导频分量及分量内部之间的严格对齐;最后,针对导频分量虚部,给出了一种硬件上可消除虚数运算的生成方式,解决了硬件上虚数信号难以生成这一难题,最终实时生成B1C 信号㊂生成结果表明,理论仿真与硬件生成结果相吻合,验证了该B1C 信号硬件生成方式的正确性,且该生成方式简单㊁灵活,占用资源少,易于工程实现㊂B1C 信号的实时生成不仅可为接收终端基带信号处理提供模块设计参考,同时也可为信号接收处理提供测试用信号㊂关键词: 北斗”三号;B1C 信号;实时硬件生成开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流中图分类号:TN96 文献标志码:A 文章编号:1001-893X (2019)04-0468-08Real -time Hardware Generation of BDS -3B 1C SignalYE Lüyang 1,2,3,HE Zaimin 1,2,ZHANG Hanqing 1,2,3,FAN Zhanyou 1,2(1.National Time Service Center,Chinese Academy of Science,Xi′an 710600,China;2.Key Laboratory of Precision Navigation Positioning and Timing Technology,Chinese Academy of Science,Xi′an 710600,China;3.School of Electronic,Electrical and Telecommunications Engineering,University ofChinese Academy of Science,Beijing 100049,China)Abstract :This paper studies the real -time hardware generation of Beidou Navigation Satellite System (BDS-3)B1C signals from the view of saving resources,improving real-time performance and simplifying implementation complexity.Firstly,the theory of generation B1C signal is introduced and the B1C signal is divided into sub-modules for research and generation.Then,the strict alignment between the data compo⁃nents of the B1C signal and the pilot components and each-components is guaranteed by using a uniform system clock and precise phase control.Finally,for the imaginary part of the pilot component,a method is given to solve the problem that the imaginary signal on the hardware is difficult to generate.The theoretical simulation is identifical to the hardware generation,which verifies the correctness of the B1C signal hard⁃ware generation method.The generation method is simple and flexible.It takes up less resources and is easy to be implemented.The real-time generation of the B1C signal not only provides a module design reference for the baseband signal processing of the receiving terminal,but also provides a test signal for the signal re⁃ceiving process.Key words :BDS-3;B1C signal;real-time hardware generation㊃864㊃第59卷第4期2019年4月电讯技术Telecommunication EngineeringVol.59,No.4April,2019***收稿日期:2018-05-31;修回日期:2018-10-27基金项目:国家自然科学基金资助项目(11703030);中国科学院西部青年学者A 类项目(XAB2017A05)通信作者:hezm@1 引 言进入21世纪以来,世界各大国纷纷加快了自己的卫星导航定位系统的现代化建设步伐㊂美国于2000年推进GPS的现代化改进,俄罗斯自2011年底全面恢复GLONASS系统以来也不断在升级自己的系统,欧盟的Galileo系统预计到2020年将具备全面运行能力㊂此外,日本㊁印度也在夯实自己的区域卫星导航系统㊂正是在这样的大背景下,我国也加快了 北斗”三代卫星导航系统的攻坚步伐,按照 北斗’验证系统㊁扩展的区域导航系统和全球导航系统”三步走的战略[1],预计2020年实现全球覆盖㊂在卫星导航领域,导航信号对卫星的导航与定位起着重要的作用㊂文献[2]就 北斗”三号扩频码的选择与分配作了详细介绍,同时对B1C信号的数据分量和导频分量进行合理分配㊂文献[3]在介绍 北斗”三号B1C扩频序列的基础上,主要对Weil 码的产生原理㊁扩频序列的评价准则以及扩频序列的生成过程进行了详细介绍,并对其奇/偶自相关和互相关特性进行详细仿真分析㊂文献[4]就B1C/ B2a信号给出了一种开源的软件接收技术㊂但是,这些文献大多只停留在理论分析和软件仿真阶段,鲜有文献对B1C信号如何进行硬件生成进行研究㊂基于此,本文从节省资源㊁实时性及工程易实现性的角度出发,就B1C信号的复基带形式给出了一种等效的硬件实时生成方式,很好地解决了B1C信号的虚部与实部无法直接合成的问题,且采用芯片内部的双端口ROM存储软件生成的Legendre序列,大大地节省内部存储资源;同时,通过严格的时序和相位控制实现了B1C信号各分量及分量内部的码片起始时刻的对齐㊂ 北斗”三号B1C信号的硬件实时生成不仅可为接收终端基带信号处理提供模块设计的参考,同时也可为信号接收处理提供测试用信号㊂2 B1C信号的结构特性及组成要素2.1 北斗”三号B1C信号结构特性为了使我国 北斗”卫星导航系统早日实现全球覆盖,2017年12月27日,中国卫星导航系统办公室正式发布了‘ 北斗”卫星导航系统空间信号接口控制文件 公开服务信号B1C(1.0版)“接口文件[5],以下简称ICD(Interface Control Document)㊂按照该ICD要求,B1C信号由数据分量和导频分量构成,如表1所示㊂表1 B1C信号结构信号分量载波/MHz调制方式符号速率/(symbol㊃s-1)数据分量1575.42BOC(1,1)100导频分量1575.42QMBOC(6,1,4/33)0从表中可知,B1C信号数据分量采用二进制偏移载波(Binary Offset Carrier,BOC)调制[6],导频分量采用正交复用BOC(Quadrature Multiplexed BOC, QMBOC)调制[7]㊂整个B1C信号主要涉及到BOC 调制㊁QMBOC调制㊁伪码的实时生成及导航电文发送等内容㊂由文献[7]可知,由于QMBOC调制信号分量的生成方式既不同于GPS系统的时分复用,也不同于Galileo系统的空域叠加,而是将两个分量分别调制在载波的两个正交相位上,当系统同时存在数据和导频两个分量时,这两个分量可以根据实际需要对功率比例进行分配,且TMBOC[7]与QMBOC有着相同的频率普密度及自相关函数,但QMBOC调制信号的自相关函数没有出现CBOC调制[8]的互相关项㊂可见,QMBOC的实现比CBOC更加灵活,也具备与TMBOC相兼容的条件,这使得QMBOC信号被 北斗”三号所采用㊂2.2 B1C信号的组成要素按照ICD要求,B1C信号的复包络形式定义如下:S B1C(t)=s B1Cdata(t)+j s B1Cpilot(t)㊂(1)式中:s B1Cdata(t)为B1C信号的数据分量,经导航电文与测距码和子载波调制产生,采用正弦BOC(1,1)调制方式;s B1Cpilot(t)为导频分量,经测距码和子载波调制产生,采用QMBOC(6,1,4/33)调制方式㊂数据分量与导频分量及相应的测距码表达式如式(2)~(5)所示:s B1Cdata(t)=12D B1C data(t)C B1C data(t)γB1Cdata(t),(2)s B1Cpilot(t)= 32C B1Cpilot(t)γB1Cpilot(t),(3)C B1Cdata(t)=∑+¥n=-¥∑L B1Cdata-1m=0C B1Cdata[k]p T c_B1C(t-(L B1Cdata n+m)T c_B1C),(4)㊃964㊃第59卷叶旅洋,何在民,张瀚青,等: 北斗”三号B1C信号的硬件实时生成第4期C B1Cpilot(t )=∑+¥n =-¥∑L B1Cpilot -1m =0C B1Cpilot [m ]p T c_B1C(t -(L B1Cpilot n +m )T c_B1C )㊂(5)式中:C B1Cdata (t )为数据分量的测距码序列;C B1Cpilot (t )为导频分量的测距码序列(两者取值均为±1);L B1Cdata 和L B1Cpilot 分别为数据部分和导频部分的测距码码长,取值均为10230;T c_B1C 为B1C 信号的测距码码片宽度,满足T c_B1C =1/R c_B1C ,R c_B1C =1.023Mb /s,为B1C 信号的测距码的码速率;γB1Cdata (t )与γB1Cpilot (t )为数据分量与导频分量的副载波,D B1C data (t )为数据分量中的导航电文,其表达式分别为γB1C data (t )=sign(sin(2πf γB1C at )),(6)γB1C pilot =2933sign(sin(2πf γB1C a t ))-j(sin(2πf γB1C b t )),(7)D B1C data (t )=∑+¥n =-¥d B1C data (n )p T B1Cdata (t -n T B1Cdata )㊂(8)式中:f γB1C a取1.023MHz,f γB1C b为6.138MHz,d B1C data为B1C 信号的导航电文数码,T B1C data 为相应的码片宽度,p T B1C data (t )是脉宽为T 的矩形脉冲函数㊂由于γB1Cpilot (t )为一复波形,整个B1C 信号实际由3个实际分量构成:S B1C (t )=12D B1C data(t )C B1C data (t )sign(sin(2πf γB1C a t ))+ 111C B1C pilot(t )sign(sin(2πf γB1C b t ))+j2933C B1C pilot(t )sign(sin(2πf γB1C a t ))㊂(9)式中:第1个分量记为s B1C data (t ),第2个分量记为s B1C pilot_b (t ),第3个分量记为s B1C pilot_a (t )㊂各分量之间的调制特性如表2所示㊂表2 B1C 信号调制特性信号分量调制方式相位关系/(°)功率比s B1C data(t )BOC sin (1,1)01/4s B1C pilot_a (t )BOC sin (1,1)9029/44s B1Cpilot_b(t )BOC sin (6,1)1/11从表2可以看出,生成B1C 信号要求数据分量与导频分量的实部在调制上相位要满足正交关系,且导频分量的实部与虚部也要正交,功率分配也要满足对应的比例关系㊂从式(9)可以看出,无论是数据分量还是导频分量均由数据(导频分量子码可看作特殊的数据)㊁伪码㊁载波㊁副载波构成㊂3 B1C 信号模块设计与实现根据B1C 信号的生成要求,可以将整个B1C 信号生成分为5个模块,即时钟管理模块㊁导航数据模块㊁码产生器模块㊁载波生成模块及副载波生成模块㊂图1给出了B1C 信号实时生成原理框图㊂图1 B1C 信号实时生成原理框图图1中,时钟管理模块通过锁相环将外部参考时钟统一到一个系统时钟,各模块可根据实际需要合理利用系统时钟来实现各模块的功能㊂3.1 时钟管理模块为了统一管理时钟,通过一个锁相环将10MHz 外部参考时钟上变到62MHz,并将62MHz 的时钟作为整个系统的系统时钟,其余诸如载波生成模块㊁副载波生成模块以及码发生器模块均由此系统时钟经分频或倍频而得,整个B1C 信号生成均工作在这个系统时钟之下㊂3.2 导航数据模块B1C 信号采用B-CNAV1电文格式,其内容是随机的,基于此,为了简化导航电文,本文采用100比特的虚拟数据来模拟导航电文,在这100比特数㊃074㊃ 电讯技术 2019年据当中,帧头前13比特1111100110101与13位巴克码[10]帧头相对应,剩余87比特全插入0,将这100比特数据调制在B1C 数据分量上,符号速率为100symbol /s,播发周期为1s㊂3.3 码产生器模块码产生器模块的扩频码主要是基于Weil 码[9]产生㊂Weil 码是一种组合码,它是B1C 信号生成的关键要素,一个码长为N 的Weil 码序列定义为W (i ,Δϕ)=L (i )⊕L (i +Δϕ),i =0,1,2, ,N -1㊂(10)式中:L (i )是码长为N 的Legendre 序列[10],Δϕ表示两个Legendre 序列之间的相位差㊂L (i )可根据下式定义产生:L (i )=0,i =01,i =1,且存在整数x 使得i =x 20,ìîíïïïï其他㊂(11)由式(10)可知,Weil 码是基于Legendre 序列L (i )与移序后的Legendre 序列L (i +Δϕ)相异或而产生㊂Weil 码的序列长度为一质数M ,不同的移序值i 可产生不同的Weil 码㊂在生成Legendre 序列的基础上,可进一步生成Weil 码序列㊂由于在卫星导航中要求实时生成多组Weil 码,因此会消耗大量的硬件资源,占用大量的存储空间㊂针对该问题,本文采用带有0和Δϕ相位差及不同截取点p 的不同PRN 号的相位信息的查找表存储到双端口ROM,通过双路相位差寻址和循环截取,从而大大节省了存储资源,提高了生成Weil 码的实时性,且实现方式也相对简单㊂图2给出了PRN 为1的B1C 信号数据分量RTL 仿真结果㊂根据中国卫星导航系统办公室公布的ICD 给出的数据主码的头24个码片53773116和末尾24个码片42711657,对比RTL 仿真结果可以发现与ICD 结果一致㊂图2 PRN 为1数据分量主码RTL 仿真结果全局图采样同样的生成方式,可以生成PRN 从1~63的任意数据主码和导频主码与子码,只是在生成导频子码时,循环截取由10243截取10230变为由3607截取1800,并且只需更换不同PRN 号的卫星即可实时生成不同的扩频码㊂图3为基于单端口和双端口ROM 生成Weil 码的内部逻辑资源消耗情况对比图㊂从图3可以发现,采用双端口ROM 可有效减少内存资源的消耗,相应的ALUTS 单元由135个减到20个,有效节省了约85%的ALUTS 单元;总的逻辑寄存器由94个减到17个,有效节省了约82%的逻辑资源;而逻辑块由20486b 降到10243b,有效节省了50%的逻辑块资源㊂由于后续关于B1C 信号数据主码㊁导频主码及子码乃至整个B1C 信号的生成均基于此来节省硬件资源,因而节省Weil 码的存储空间可最大程度上从源头节省硬件资源,这对于节省内部存储的实时接收机来说将显得无比珍贵㊂(a)基于单端口生成Weil码内部资源消耗情况(b)基于双端口生成Weil 码内部资源消耗情况图3 基于单端口和双端口ROM 生成Weil 码内部逻辑资源消耗情况对比㊃174㊃第59卷叶旅洋,何在民,张瀚青,等: 北斗”三号B1C 信号的硬件实时生成第4期3.4 载波与副载波生成模块载波的生成可通过查表法DDS[11]来实现,它主要由频率控制字㊁相位寄存器㊁加法器㊁正弦查找表㊁D/A转换器和低通滤波器构成㊂其工作原理大致如下:若f s和f o分别为DDS的输入和输出频率,在参考时钟的作用下,每来一个时钟f s,加法器就将频率控制字与相位存储器存储的累加相位数据进行相加,然后将结果经相位截取高几位,从而生成正弦查找表RAM相应的地址输入;正弦查找表包含了一个周期正弦波的数字幅度值,每一个地址对应一个正弦波0°~360°的相位点;随后输出相应的幅度码,最后通过D/A转换器和低通滤波器进行处理,最终生成所需的载波㊂频率控制字(Frequency Controlling Word,FCW)为N位的二进制相位步长,它们之间满足f o=K f s2N㊂(12)式中:K为频率控制字数值大小㊂而相应的频率分辨率为f r=f s2N㊂(13)故可以利用上述DDS模块生成实际当中所需的载波㊂本文的系统时钟为62MHz,计数器位数N=48,需产生10MHz的中频载波信号㊂副载波是在系统时钟通过锁相环进行分频后,通过严格控制时序产生周期恒定的方波,它们的时钟起始时刻都是严格对齐的㊂根据式(12),在基准时钟频率下得到频率控制字,可进一步得到相位累加器的相位累加值㊂为了得到最终的频率,需将相位累加值送入比较判决器,然后将判决结果转变为0或1的二值电频形成所需副载波时钟输出㊂根据以上原理可以生成固定参考时钟下的任意副载波频率㊂4 北斗”三号B1C信号的硬件实时生成要实时生成B1C信号,需要对B1C信号的各模块进行硬件生成,其生成原理及方法已在第3节中详细提及,故在此不再赘述㊂表3列出了硬件生成B1C信号的相关信号参量,图4展示了基于硬件生成将数据分量和导频分量及分量之间各信号的码片起始时刻的对齐结果㊂表3 B1C信号生成端口定义信号名称信号说明方向i_ExClk系统工作时钟Ini_Rst_n复位信号Ini_dataPrn数据主码卫星号Ini_pilotPrn导频主码卫星号Ini_subpilotPrn导频子码卫星号Inw_WeilCodeo_Nav_InfoWeil码导航数据OutOut o_SubCarr11_0副载波(1,1)0度相位Out o_SubCarr11_90副载波(1,1)90度相位Out o_SubCarr61_0副载波(6,1)0度相位Outo_pilot导频主码Outo_subpilot导频子码Outpilot_out测距码Out TestCombineBit测试码OutSIN_Carrier正弦载波OutCOS_Carrier余弦载波Outo_CodeEnd码结束OutSB1Ct B1C信号Outo_Dump码开始Outo_CodePhase码相位OutsB1Cdata B1C信号数据分量OutsB1Cpilot_a s B1C pilot_a(t)信号OutsB1Cpilot_b s B1C pilot_b(t)信号OutSB1Ct_pilot B1C信号导频分量Out图4 B1C信号及其相关分量在线生成结果按照第3节关于各模块的生成原理和方法,从图4可以看出,通过锁相环,得到了稳定的62MHz 系统时钟㊂在系统时钟的作用下,模拟产生了100比特的导航数据o_Nav_Info,其中,从对齐线作为一个码片开始,第1比特为1,对应13位巴克码的帧头第1比特1;由于数据主码选择的是PRN为1的卫星,故其前两位比特为10,对应ICD文件当中十进制5的前两位1和0(八进制);通过DDS原理生成了相位正交的正弦载波㊁余弦载波及不同频率的副载波㊂可见生成的各模块信号均满足实时生成㊃274㊃电讯技术 2019年B1C信号的要求㊂4.1 B1C信号各分量之间的相位关系按照ICD要求, 北斗”三号B1C信号数据分量㊁导频分量及其内部的相位关系体现为:数据分量与导频分量虚部之间相位正交;数据分量与导频分量实部之间相位同相;数据分量的导航数据㊁载波㊁副载波㊁主码四者严格对齐;导频分量实部的载波㊁副载波㊁主码㊁子码四者严格对齐;导频分量虚部的载波㊁副载波㊁主码㊁子码四者严格对齐㊂因此,通过控制系统时钟和精密控制相位可使得B1C信号数据分量与导频分量及分量之间的正交关系和码起始时刻对齐㊂由图4可知,按照严格控制时钟和精密调节相位的方式,已经实现了B1C信号数据分量与导频分量之间以及数据分量及导频分量内部副载波㊁导航数据㊁伪码码片以及载波之间的严格对齐,从而保证了生成的信号正确性㊂4.2 B1C信号仿真与实时生成在完成B1C信号各分量之间的对齐后,接下来就是对数据和导频两路分量分别实时生成㊂由于只是模拟产生信号,不涉及信号的发射,故没有产生大功率信号,因而信号频带外的杂散可以忽略不计,而采用的频率源为GPS铷原子频标,性能相对稳定,因而相位噪声也可以忽略不计,因而生成的B1C信号及其分量可以得到保证㊂根据式(9),将码长为10230的数据主码与码长为1的子码相异或,从而得到数据分量的测距码,主码周期为10ms,结果参见图4;随后利用第3节生成的导航数据和副载波及中频载波按式(9)进行运算,最终可生成B1C信号的数据分量㊂而导频分量的生成,需将导频码长为10230的导频主码与码长为1800的导频子码进行异或,主码周期为10ms,从而得到导频分量的测距码,生成结果见图4㊂由于导频分量涉及到虚数运算,在硬件上难以实现,故需对式(9)所示的复基带信号[12]在调制上对与导频分量虚部相乘的中频载波进行π/2相移,目的是消除B1C信号导频分量中的虚部运算,以便硬件生成㊂调整前后导频分量如式(14)所示,随后采用类似数据分量的生成方式,最终可生成B1C信号的导频分量S′B1C_pilot(t)= 111C B1C pilot(t)sign(sin(2πfγB1C b t))cos(2πf c t)- 2933C B1C pilot(t)sign(sin(2πfγB1C a t))sin(2πf c t)㊂(14)式中:f c为中频载波频率㊂图5和图6分别给出了基于软硬件生成B1C信号数据分量及导频分量结果㊂其中,为了便于接收机中数字基带信号处理[13],中频载波频率取10MHz,采样频率只要满足采样定理[14]即可,这里取采样频率为40MHz㊂(a)基于软件生成的数据分量功率谱函数(b)在线实时生成的数据分量功率谱函数(c)基于软件生成的导频分量功率谱函数(d)在线实时生成的导频分量功率谱函数图5 B1C信号数据分量与导频分量实时生成结果㊃374㊃第59卷叶旅洋,何在民,张瀚青,等: 北斗”三号B1C信号的硬件实时生成第4期(a)基于Matlab仿真时域调制波形图(b)利用示波器抓捕的时域调制波形图图6 数据分量时域调制波形从图5可以发现,经过10MHz 的中频信号调制后,数据分量的功率谱中心频率由0MHz 处搬移到10MHz 处,从而实现时域波形的调制㊁频域频谱搬移的过程㊂对比软㊁硬件生成的B1C 信号数据分量功率谱函数,可以发现两者一致,生成的数据分量符合要求㊂另外,仿真所得的导频分量的功率谱为BOC(1,1)信号在6.138MHz 频点处所叠加了BOC (6,1)信号,相应的功率谱幅值也有所增加,这个结果从式(9)也可得到验证㊂从图6(a)可以看出,数据相位存在明显的相位跳变,此时,组合码(数据部分剔除载波后的分量)也存在明显的时钟翻转㊂这个结果也可从图4看出来㊂图6(b)也可以观察到同样的现象㊂对比图4和图6可以发现两者是一致的,从而说明调制的存在和正确性㊂由于FPGA 对浮点数的运算比较复杂,故需对B1C 信号的数据分量㊁导频分量实部及虚部作一个同等倍数的放大并取整,目的是便于硬件处理㊂放大倍数只取决于硬件所能支持的最大位宽,结果只对幅值略有影响但可忽略㊂为节省资源,本文对式(9)中的系数比例12: 111: 2944经164倍放大取整后,相关系数变为7′d 82㊁7′d 49㊁和8′d 133,同处理数据分量的方式一样,生成的信号各分量之间需要满足表2的相位关系㊂按照式(9)和式(14)及图1的生成框图,最终可实时生成整个B1C 信号㊂图7给出了基于硬件调整后B1C 信号实时生成结果与基于理论中频调制结果对比图,其中,中频载波频率为10MHz,采样频率为40MHz㊂(a)基于理论仿真和硬件调整的B1C 中频调制信号功率谱对比(b)基于理论仿真和硬件调整的B1C 中频调制信号自相关函数对比(c)在线实时生成的B1C 信号功率谱函数图图7 基于理论生成B1C 信号与基于硬件生成的B1C 信号对比结果图从图7可以看出,整个B1C 信号的功率谱在6.138MHz 频点处叠加了BOC(6,1)信号,而只在1.023MHz 频点处叠加BOC(1,1)信号㊂对比图5和图7可以发现,整个B1C 信号与其导频分量频谱分布几乎一致,这说明数据分量的加入只会改变对应频点处的幅值,不会改变B1C 信号的频谱分布㊂究其原因,数据分量主要涉及到BOC(1,1)调制,而㊃474㊃ 电讯技术 2019年导频分量主要涉及到BOC(1,1)和BOC(6,1)调制,由于导频分量没有导航数据,但可将导频子码看作一种特殊的导航数据,这样两者完全可以对应起来,数据分量的加入只会在导频分量BOC(1,1)调制对应频点处对幅值进行叠加,从而导致B1C信号与其导频分量频谱分布形状一致㊂从图7还可以看出,基于调整后生成的B1C信号与理论生成的B1C信号无论是功率谱还是自相关函数均一致,这也验证了硬件生成B1C信号的正确性㊂5摇结束语本文根据卫星导航系统管理办公室公布的‘ 北斗”卫星导航系统空间信号接口控制文件 公开服务信号B1C(1.0版)“官方文件,立足我国 北斗”三代全球卫星导航系统,从节省资源㊁提高实时性㊁工程易实现性及实用性的角度出发,提出了一种B1C信号的实时生成方法,消除了虚数运算在硬件上的实现难度,同时也实现了时域调制㊂当然,在实时生成多通道Weil码时,由于B1C 信号主码一共有126个,如何实时生成如此多的多个通道码,以及如何解决存储资源,都具有研究价值㊂此外,实现B1C信号各分量绝对对齐也是值得进一步研究的课题㊂参考文献:[1] 王尔申,岳孝东,何赫,等. 北斗”卫星导航系统仿真与全球覆盖分析[J].电讯技术,2016,56(8):919-922. 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北斗卫星导航系统定时型终端通用规范（预）2014.08.141 范围本标准规定了北斗卫星导航系统定时型终端（以下简称定时型终端）的技术要求、测试方法、检验规则及包装、运输和储存等要求。
本标准适用于定时型终端备的研制、生产和使用，也是制定北斗定时产品标准、检验产品质量和产品应用选型的依据。
2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
•GB/T 191 包装储运图标志•GB/T 2421.1—2008 电工电子产品环境试验概述和指南•GB/T 2828.1—2003 计数抽样检验程序第1部分：按接收质量限(AQL)检索的逐批检验抽样计划•GB 4208—2008 外壳防护等级(IP代码)•GB/T 4857.5 包装运输包装件跌落试验方法•GB/T 5080.1—1986 设备可靠性试验总要求•GB/T 5080.7—1986 设备可靠性试验恒定失效率假设下的失效率与平均无故障时间的验证试验方案•GB/T 5296.1—1997 消费品使用说明总则•GB/T 12267—1990 船用导航设备通用要求和试验方法•GB/T 12858-1991 地面无线电导航设备环境要求和试验方法•GB/T 13384 机电产品包装通用技术条件•GB/T 17626.3—2006 电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验•GB/T 20512 GPS接收机导航定位数据输出格式3 术语、定义和缩略语3.1术语和定义北斗卫星导航系统用户终端通用技术要求确立的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1.1北斗定时型终端 BeiDou timing terminal基于北斗系统授时功能，可以接收北斗卫星信号完成解算、测量、时间修正并复现、输出BDT标准时间信息、时标信息功能的接收设备。
3.2缩略语下列缩略语适用于本文件。
