СИГНАЛЫ, СИСТЕМА И СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ Российский патент 2012 года по МПК G01S19/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к сигналам, системам и способам модуляции, таким как, например, сигналы, системы и способы навигации и позиционирования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Спутниковые навигационные системы (SPS) основаны на пассивном измерении дальномерных сигналов, транслируемых несколькими спутниками или их наземными или бортовыми эквивалентами, находящимися в определенной группировке или группе группировок. Используются бортовые часы для генерации регулярных и, как правило, непрерывных серий событий, часто называемых “эпохами”, время появления которых кодируют случайным или псевдослучайным кодом (известным как код расширения). В результате псевдослучайных или случайных особенностей временной последовательности кодирования эпох, спектр выходного сигнала расширяется за частотный диапазон, определяемый несколькими факторами, включающими в себя скорость изменения элементов кода расширения и форму сигнала, используемую для этого сигнала расширения. Обычно сигнал расширения имеет прямоугольную форму и имеет спектр мощности в виде затухающей синусоиды.

Дальномерными сигналами модулируют сигнал несущей для передачи в пассивные приемники. Хорошо известны приложения, которые охватывают землю, воздушное, морское и космическое пространство. Обычно, для модуляции несущей используется двоичная фазовая модуляция, которая сама по себе имеет постоянную амплитуду. Как правило, по меньшей мере, два таких сигнала модулируют в одну и ту же несущую со сдвигом фазы на 90°. Полученный сигнал несущей поддерживает постоянной свою огибающую, но имеет четыре фазовых состояния, зависящих от двух независимых входных сигналов. Однако, очевидно, что два сигнала модуляции не должны иметь одинаковую амплитуду несущей. Это возможно для постоянной амплитуды несущей комбинированного сигнала, который поддерживают при помощи подходящего выбора соответствующих фаз, отличных от π/2 радиан.

Примером такой спутниковой навигационной системы является глобальная система позиционирования (GPS). Обычно GPS работает, используя несколько частот, таких как, например, L1, L2 и L5 с центрами 1575,42 МГц, 1227,6 МГц и 1176,45 МГц, соответственно. Каждый из этих сигналов модулируют при помощи соответствующих сигналов расширения. Как очевидно специалистам в данной области техники, сигнал грубого кода (приблизительного определения местоположения, СА), излучаемый спутниковой навигационной системой GPS, транслируется на частоте L1 1575,42 МГц со скоростью кода расширения (скоростью передачи элементарного сигнала) 1,023 МГц. СА имеет сигнал расширения прямоугольной формы и классифицируется как BPSK-R1. Структура сигнала GPS представляет собой такую структуру, при которой трансляция сигнала спутниками на частоте L1 имеет вторую квадратурную составляющую, известную как точный код (P(Y) код), который доступен только авторизованным пользователям. Сигнал P(Y) представляет собой BPSK, модулированный кодом расширения на частоте 10,23 МГц с амплитудой, которая по мощности сигнала ниже на 3 dB, чем передача кода СА. Следовательно, составляющая Q имеет амплитуду, которая составляет 0,7071 (-3 dB) от амплитуды составляющей I. Специалистам в данной области техники очевидно, что фазовые углы таких состояний для таких сигналов составляют ±35,265° относительно оси ±I (фаза сигнала кода СА, как указано в спецификации ICD GPS 200C). Специалистам в данной области техники также очевидно, что Р код представляет собой функцию кода Y или является зашифрованным при помощи кода Y. Код Y используется для шифрования Р кода. Специалистам в данной области техники очевидно, что для данного спутника сигнал L1, содержащий обе составляющие I&Q, и сигнал L2 могут быть выражены как:

S_L1i(t)=A_Pp_i(t)d_i(t)cos(ω₁t)+A_cc_i(t)d_i(t)sin(ω₁t),

S_L2i(t)=B_PP_i(t)d_i(t)cos(ω₂t),

где

A_P и A_c представляют собой амплитуды кодов Р и СА, обычно А_Р=2А_с;

В_Р представляет собой амплитуду сигнала L2;

ω₁ и ω₂ представляют собой частоты несущих L1 и L2;

p_i(t) представляет собой дальномерный код P(Y) и является псевдослучайной последовательностью со скоростью передачи элементарного сигнала, равной 10,23 Мбит/сек. Р код имеет период, точно равный 1 неделе, принимая значения +1 и -1;

c_i(t) представляет дальномерный код СА и является кодом Gold с 1023 элементарными сигналами, принимая значения +1 и -1;

d_i(t) представляет собой передаваемый блок данных, принимая значение +1 и -1.

Спутниковая группировка обычно содержит 24 или большее количество спутников часто на одной и той же орбите или на орбитах, имеющих аналогичные формы, но в нескольких орбитальных плоскостях. Передача с каждого спутника происходит на одной и той же заданной частоте несущей в случае, если спутники работают в режиме доступа с кодовым разделением каналов (такому как GPS), или на близких относительных частотах, таких как GLONASS. Спутники передают различные сигналы для того, чтобы можно было выделить каждый из спутников, несмотря на то, что несколько спутников видны одновременно.

Сигналы из каждого спутника в системе CDMA, аналогичной GPS, отличаются друг от друга посредством различных кодов расширения и/или различий в скоростях кодов расширения, то есть, последовательностями p_i(t) и c_i(t). Однако очевидно, что в спектре 100 мощности, показанном на Фиг.1, остается значительный диапазон для интерференции между сигналами, передаваемыми спутниками. На Фиг.1 показан спектр 100 мощности для кодов СА и P(Y). Спектр 102 мощности для кода СА имеет максимальную мощность на частоте несущей L1 и нули в точках, кратных фундаментальной частоте кода СА, 1,023 МГц. Например, очевидно что такие нули появляются по обе стороны от частоты несущей при ±1,023 МГц, ±2,046МГц и т.д. Аналогично, спектр 104 мощности для кода P(Y) имеет максимальную амплитуду с центром в частотах L1 и L2, с нулями, имеющими место в точках, кратных ±10,23 МГц, как это имеет место в сигнале, имеющем вид затухающей синусоиды.

Известна дополнительная модуляция дальномерных кодов, использующая поднесущую, то есть, дополнительный сигнал подвергают свертке с помощью кодов Р и/или СА для создания модуляции бинарной смещенной несущей (ВОС), как известно в данной области техники, см., например, J.W.Betz, “Binary Offset Carrier Modulation for Radionavigation”, Navigation, Vol.48, стр.227-246, Winter 2001-2002. Стандартная модуляция 200 ВОС показана Фиг.2. На Фиг.2 показана комбинация части кода 202 СА с сигналом поднесущей для формирования сигнала 204 ВОС, используемого для модуляции несущей, такой как, например, L1. Очевидно, что сигнал ВОС имеет прямоугольную форму и может быть представлен в виде, например, c_i(t)*sign(sin(2πf_st)), где f_s представляет собой частоту поднесущей. Специалистам в данной области техники известно, что BOC(f_s,f_c) означает модуляцию бинарной смещенной несущей с частотой поднесущей f_s и кодовой скоростью (или скоростью передачи элементарных сигналов) f_c. Использование смещенной несущей в результате дает излучаемые спутником сигналы, которые можно выразить как:

и

S_L2i(t)=B_msc_im(t)m_i(t)d_i(t)cos(ω₂t),

где

A_m, A_с и B_m представляют собой амплитуды;

m_i(t) представляет собой сигнал ВОС(10,5) m-кода;

g_i(t) представляет собой дальномерный код открытой услуги Galileo;

sc_im(t) представляет собой сигнал поднесущей для m_i(t);

sc_ig(t) представляет собой сигнал поднесущей для c_i(t);

ω₁ и ω₂ представляют собой частоты несущих L1 и L2.

На Фиг.2 также показаны спектры мощности для кода BPSK-R1 и пары сигналов ВОС, то есть, ВОС(2,1) и ВОС(10,5). Первый спектр 202 соответствует коду BPSK-R1. Второй спектр 204 мощности соответствует коду ВОС(2,1) и третий спектр 206 мощности соответствует коду ВОС(10,5). Очевидно, что боковые лепестки 208 сигнала ВОС(2,1) имеют относительно высокие амплитуды. Аналогично, показанный боковой лепесток 210 сигнала ВОС(10,5) имеет относительно высокую амплитуду. Специалистам в данной области техники очевидно, что энергия боковых лепестков является источником интерференции.

Задачей вариантов осуществления настоящего изобретения является, по меньшей мере, смягчение проблем, связанных с предыдущим уровнем техники.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно, первый аспект вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ, как заявлено в п.1 формулы изобретения.

Второй аспект вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивает сигнал.

Третий аспект вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивает систему.

Четвертый аспект вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивает приемник.

Пятый аспект вариантов осуществления настоящего изобретения обеспечивает машиночитаемый носитель данных.

Преимущественно, варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют значительно большую степень управления формой спектра мощности сигналов, то есть, распределением энергии внутри этих сигналов.

Другие аспекты настоящего изобретения описаны и определены в формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже при помощи примеров со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

На Фиг.1 показан спектр мощности пары дальномерных кодов.

На Фиг.2 показаны спектры мощности сигналов дальномерного кода (BPSK-R1) и ВОС(10,5).

На Фиг.3 показана многоуровневая поднесущая.

На Фиг.4 показаны фазовые состояния для, по меньшей мере, пары из многоуровневых поднесущих согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.5 изображен спектр мощности для поднесущей предыдущего уровня техники и поднесущей согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.6 показаны фазовые состояния для поднесущей согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.7 показаны синфазные и квадратурные поднесущие согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.8 показаны фазовые состояния поднесущей согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.9 показаны поднесущие согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.10 показаны спектры мощности поднесущих согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.11 показаны поднесущие согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.12 показана альтернативная форма сигнала поднесущей согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.13 показана другая альтернативная форма сигнала поднесущей согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.14 схематично показан передатчик, использующий поднесущие согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

На Фиг.15 показан другой вариант передатчика согласно варианту осуществления.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.3 показан первый вариант осуществления поднесущей 300. Очевидно, что поднесущая представляет собой 5-ти уровневую аппроксимацию синусоидального сигнала 302. Ясно, что уровни сигнала равны (+1, +1/√2, 0, -1/√2, -1). Кроме того, очевидно, что уровни представляют собой проекции на оси х или I вектора, имеющего единичную амплитуду и вращающегося на углы π/4 радиан. Также очевидно, что при данных синфазных и квадратурных составляющих, например, S_L1i, то есть, A_msc_im(t)m_i(t)d_i(t)cos(ω₁t)=I_SL1i(t) и A_сsc_ig(t)g_i(t)d_i(t)sin(ω₁t)=Q_SL1i(t), амплитуда сигнала будет постоянной, поскольку проекция на оси y или Q квадратурной составляющей также принимает значения (+1, +1/√2, 0, -1/√2, -1).

Очевидно, что существуют предпочтительные ограничения на комбинации сигналов, по меньшей мере, одно из которых заключается в том, что следует поддерживать постоянный по модулю сигнал. Ограничения представляют собой: (1) “+1” или “-1” в синфазной составляющей может иметь место только в сочетании с “0” квадратурной составляющей и наоборот, и (2) “±1/√2” может иметь место только одновременно на обеих фазах. Амплитуды синфазной и квадратурной составляющих развернутых сигналов, sc_ig(t) или sc_im(t), могут быть отображены на диаграмме 400 Аргана, например, как показано на Фиг.4. Формы сигналов для I и Q составляющих таким образом получают из нижеследующих последовательностей сигнальных элементов:

I фаза - (+1/√2, +1, +1/√2, 0), представляющая +1 сигнал,

I фаза - (-1/√2, -1, -1/√2, 0), представляющая -1 сигнал,

Q фаза - (+1/√2, 0, -1/√2, -1), представляющая +1 сигнал,

Q фаза - (-1/√2, 0, +1/√2, +1), представляющая -1 сигнал.

Любая комбинация последовательностей сигналов I или Q может быть выбрана из вышеуказанного набора в пределах ограничения постоянной амплитуды сигнала несущей, вычисляемой как (I²+Q²)^1/2. Специалистам в данной области техники очевидно, что существуют многие другие эквивалентные наборы последовательностей, которые могут быть выбраны из набора, состоящего из 5 уровней, удовлетворяющие критерию постоянной огибающей несущей. Очевидно, что амплитуды поднесущих на каналах I и Q могут рассматриваться как аналогичные состояниям сигнала 8-PSK. Следовательно, такая пара сигналов несущей с 5-уровневой поднесущей может рассматриваться как сигналы 8-фазных поднесущих.

На Фиг.5 показан эффект использования ступенчатой или m-уровневой, m>2, формы сигнала поднесущей. На Фиг.5 показана пара 500 спектров мощности. Первый спектр 502 мощности, показанный пунктирной линией, представляет спектр поднесущей ВОС(2,2). Очевидно, что энергия поднесущей содержится внутри последовательно уменьшающихся боковых лепестков 504, 506, 508 и 510. Второй спектр 512 мощности представляет собой спектр мощности сигнала ВОС(2,2), который использует сигналы 8-фазных поднесущих, то есть, амплитуды 8-ми фаз, представленные ВОС8(2,2). Обычно BOCm(f_s,f_c) представляет собой сигнал m-фазной поднесущей, имеющей частоту f_s и скорость передачи элементарных сигналов f_c. Очевидно, что спектр 512 сигнала ВОС8(2,2) имеет несколько боковых лепестков 514, 516, 518, 520, 522 и 524. Из этих боковых лепестков можно увидеть, что 1-4 боковые лепестки являются существенно уменьшенными, то есть они содержат существенно меньше энергии по сравнению с боковыми лепестками сигнала ВОС(2,2), перекрывающими те же самые частоты. Существенное уменьшение в 1-4 боковых лепестках может быть благоприятным в ситуациях, когда специалисты в данной области техники хотят использовать спектр частот, образованный боковыми лепестками, для других передач.

Специалистам в данной области техники очевидно, что ВОС8(2,2) имеет существенно улучшенные свойства интерференции, как определено при помощи коэффициента разделения спектров (SSC), и само-SSC, то есть, связь спектров между опорным сигналом и ВОС(2,2) больше, чем связь спектров между опорным сигналом и ВОС8(2,2). Например, сигнал ВОС8(2,2) показывает улучшение на 10-12 dB в разделении спектра по сравнению с обычным сигналом ВОС (2,2). Дополнительную информацию о связи между SSC и сигналами согласно вариантам осуществления настоящего изобретения можно найти, например, Pratt & Owen; BOC Modulation Waveforms, IoN Proceedings, GPS 2003 Conference, Portland, September 2003, которая включена в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки.

Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения используют амплитуду и длительность сигнала поднесущей, чтобы оказывать воздействие, то есть, управлять энергией в гармониках, получающихся в результате модуляции формы сигнала. Например, обращаясь к Фиг.5, очевидно, что дополнительные спектральные нули появляются в спектре ВОС8(2,2) по существу со сдвигом на 6 МГц и 10 МГц от несущей, в то время как такие нули отсутствуют в обычном сигнале ВОС(2,2). Местоположение нулей зависит, по меньшей мере, от амплитуды и длительности ступеней в многоуровневой поднесущей. Более конкретно, нули могут перемещаться в требуемое положение путем изменения любого из этих двух элементов, то есть, положение нулей зависит от этих двух элементов. Приложение А содержит описание связи между спектрами сигналов согласно вариантам осуществления настоящего изобретения и амплитудой и длительностью ступеней.

На Фиг.6 показаны состояния поднесущей или амплитуды для сигналов I и Q для дополнительного сигнала ВОС8, то есть, бинарной смещенной несущей, имеющей восемь состояний. Очевидно, что восемь состояний могут быть представлены или соответствовать амплитудам поднесущей, выбранным из набора (-, -1/2, +1/2, +), т.е. четырех состояний или амплитуд сигналов, а не из пяти состояний или амплитуд сигналов, описанных выше. Следовательно, составляющие I и Q состоят из следующих сигнальных элементов, таких, что , т.е. может иметь место только в сочетании с ±1/2:

I фаза - (+1/2, +, +, +1/2), представляющая +1 элементарный сигнал для сигнала дальномерного кода;

I фаза - (-1/2, -, -, -1/2), представляющая -1 элементарный сигнал для сигнала дальномерного кода;

Q фаза - (+, +1/2, -1/2, представляющая +1 элементарный сигнал для сигнала дальномерного кода;

Q фаза - (-, -1/2, +1/2, представляющая -1 элементарный сигнал для сигнала дальномерного кода.

Очевидно, что состояния 1-8, показанные на Фиг.6, не являются равноудаленно расположенными по кругу. Переходы между состояниями 2&3, 4&5, 6&7, 8&1 имеют больший угловой шаг, чем переходы между состояниями 1&2, 3&4, 5&6, 7&8. Очевидно, что когда эти состояния транслируют в амплитуды поднесущих, длительность данной амплитуды будет зависеть от длительности или времени пребывания в соответствующем состоянии, то есть длительности, в течение которых поднесущие находятся в любом данном состоянии, не могут быть одинаковыми, в отличие от состояний по Фиг.4. Времена пребывания определяют в процессе разработки, так, чтобы, например, минимизировать среднюю квадратичную разность между ступенчатой формой сигнала и синусоидальной. На Фиг.7а показаны поднесущие 700 и 702, соответствующие состояниям, показанным на Фиг.6. Очевидно, что длительности каждого состояния поднесущих 700 и 702 равны. Амплитуды поднесущих канала Q будут следовать по существу такому же паттерну, как описано выше, но с фазой, смещенной на π/2 радиан. Поднесущая 702 для канала Q показана на Фиг.7 пунктирной линией. Очевидно, что такие поднесущие обеспечивают постоянную амплитуду огибающей, поскольку (I²+Q²)^1/2=1 для всех комбинаций амплитуд. Однако, на Фиг.7b показана пара поднесущих 704 и 706, у которых длительности каждой ступени не равны. Очевидно, что не все комбинации амплитуд удовлетворяют (I²+Q²)^1/2=1. Следовательно, передаваемый сигнал не будет иметь постоянной огибающей.

Специалисты в данной области техники признают, что ступенчатый полуцикл поднесущей соответствует одному элементарному сигналу. Однако могут быть выполнены другие варианты осуществления, в которых элементарному сигналу соответствуют другие величины, кратные полуциклу. Например, могут быть выполнены варианты осуществления, в которых элементарному сигналу соответствуют два полуцикла. В таких вариантах осуществления сигналы для I и Q могут представлять собой:

I фаза - (+1/2, +, +, +1/2, -1/2, -, -, -1/2), представляющая +1 сигнал;

I фаза - (-1/2, -, -, -1/2, +1/2, +, +, +1/2), представляющая -1 сигнал;

Q фаза - (+, +1/2, -1/2, -, -, -1/2, +1/2, представляющая +1 сигнал;

Q фаза - (-, -1/2, +1/2, +, +, +1/2, -1/2, представляющая -1 сигнал.

Аналогично, варианты осуществления, реализованные с использованием трех полуциклов на элементарный сигнал, будут выглядеть следующим образом:

I фаза - (+1/2, +, +, +1/2, -1/2, -, -, -1/2, +1/2, +, +, +1/2), представляющая +1 сигнал;

I фаза - (-1/2, -, -, -1/2, +1/2, +, +, +1/2, -1/2, -, -, -1/2), представляющая -1 сигнал;

Q фаза - (+, +1/2, -1/2, -, -, -1/2, +1/2, +, +, +1/2, -1/2, -), представляющая +1 сигнал;

Q фаза - (-, -1/2, +1/2, +, +, +1/2, -1/2, -, -, -1/2, +1/2, +), представляющая -1 сигнал.

Специалистам в данной области техники очевидно, что вышесказанное может быть распространено на n полуциклов поднесущей на элементарный сигнал дальномерного кода.

Очевидно, что для описания поднесущей могут быть использованы другие фазы. Например, для создания поднесущих ВОС16, имеющих 9 уровней, могут быть использованы фазные и амплитудные составляющие 16-PSK, допуская, что первая ступень находится на (+1,0). Для получения сигналов поднесущей с (m+2)/2 уровнями может быть использовано m-PSK фазовых ступеней. Следовательно, m=2 дает обычный BPSK и двухуровневую поднесущую. Равенство m=4 обеспечивает поднесущую с 3 уровнями, то есть, модуляцию ВОС4, m=8 дает поднесущую с 5 уровнями, то есть, модуляцию ВОС8, m=16 дает поднесущую с 9 уровнями, которая соответствует модуляции ВОС16.

Очевидно, что путем назначения состояний для кода и данных в определенных фазах могут быть реализованы некоторые дополнительные варианты. Например, поворот состояний на 22,5°, показанный на Фиг.4, приводит к переназначению углов, связанных с этими состояниями, от углов (0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 315°) к углам (22,5°, 67,5°, 112,5°, 157,5°, 202,5°, 247,5°, 292,5°, 337,5°). Кроме того, ясно, что это не приведет к изменению спектра по модулю, и, к тому же, требуемое количество уровней амплитуд уменьшится с 5 до 4, то есть, m-PSK может быть использовано для реализации [(m+2)/2-1] амплитуд при подходящем повороте и выравнивании фазовых состояний. В этом случае из нижеследующих последовательностей сигнальных элементов строят получающуюся в результате форму сигнала для составляющих I и Q:

I фаза - (+cos(67,5°), +cos(22,5°), +cos(22,5°), +cos(67,5°)), представляющая +1 сигнал;

I фаза - (-cos(67,5°), -cos(22,5°), -cos(22,5°), -cos(67,5°)), представляющая -1 сигнал;

Q фаза - (+sin(67,5°), +sin(22,5°), -sin(22,5°), -sin(67,5°)), представляющая +1 сигнал;

Q фаза - (-sin(67,5°), -sin(22,5°), +sin(22,5°), +sin(67,5°)), представляющая -1 сигнал.

Следует принять во внимание, что последовательности сигнальных элементов I и Q для случаев, описанных выше, являются ортогональными на всем протяжении одного импульса расширения (элементарного сигнала). Ясно, что возможны повороты на другие углы с получением наборов ортогональных сигнальных элементов.

В качестве альтернативного способа представления вышеуказанного может быть использована таблица состояний. Допустим, что вариант осуществления модуляции ВОС8 реализован с равноудаленными состояниями, и первое состояние имеет фазовый угол π/8 радиан (22,5), как показано на Фиг.8, который соответствует вышеуказанным значениям. Последовательность фазовых состояний, требуемая для каждой составляющей сигнала дальномерного кода I и Q, предполагая, что переходы дальномерных кодов по существу выполняются одновременно и при необходимости поддерживать на выходе по существу постоянную огибающую, состояния для поднесущих могут быть представлены в виде, показанном в табл.1.

Таблица 1 - Последовательность состояний для сигнальных элементов ВОС8(х,х) I&Q I Q t1 t2 t3 t4 +1 +1 2 1 8 7 -1 +1 3 4 5 6 +1 -1 7 8 1 2 -1 -1 6 5 4 3

Очевидно, что поднесущая, соответствующая фазовым состояниям, приведенным в Таблице 1, содержит полуцикл на элементарный сигнал дальномерного кода. Кроме того, направление фазового вектора совпадает с направлением по часовой стрелке, если I и Q равны, и с направлением против часовой стрелки, в противном случае. Очевидно, что последовательности сигнальных элементов или последовательности состояний представляют собой секции (в частности, в аспекте настоящего изобретения, изложенном выше, секции полуциклов) квантованной синусоиды. Следовательно, настоящая концепция может быть расширена до включения в себя множества таких примеров. Те варианты, которые являются применимыми, включают в себя случаи с сегментами из конечных чисел полуциклов, то есть, например, значение I канала +1, представленное состояниями 2, 1, 8 и 7, может быть представлено с использованием некоторого другого количества состояний, таких как, например, 2, 1, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 8, 7, т.е. тремя полуциклами квантованной синусоиды. В Таблице 2 показаны фазовые состояния для такого варианта осуществления, исходя из диаграммы фазовых состояний по Фиг.4 для сегментов, но с использованием трех полуциклов (или произвольного количества полуциклов) сигнала синусоидальной формы. Синусоида или ее часть или множество ее полуциклов известны как “базовая форма сигнала”. Специалистам в данной области техники следует принять во внимание, что могут быть использованы другие базовые формы сигнала, такие как, например, сигналы треугольной формы или набор взаимно ортогональных сигналов.

Таблица 2 - Последовательность состояний сигнальных элементов I&Q 8-PSK с 1Ѕ циклов поднесущей на модулирующий элементарный сигнал. I Q t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 +1 +1 2 1 8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 -1 +1 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 +1 -1 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 -1 -1 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3

Таблица 3 - Последовательность состояний для сигнальных элементов I&Q 8-PSK с двумя полуциклами поднесущей на модулирующий элементарный сигнал. I Q t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 +1 +1 2 1 8 7 6 5 4 3 -1 +1 3 4 5 6 7 8 1 2 +1 -1 7 8 1 2 3 4 5 6 -1 -1 6 5 4 3 2 1 8 7

Специалистам в данной области техники очевидно, что в Таблицах 1-3 предполагается, что поднесущие I и Q имеют форму сигнала в виде синуса и косинуса, соответственно. Однако могут быть реализованы варианты осуществления, в которых переходы элементарного сигнала дальномерного кода по существу не происходят одновременно. Кроме того, в случаях, когда переходы элементарного сигнала дальномерного кода по существу не происходят одновременно, поднесущие, соответствующие сигналам дальномерного кода I и Q, могут быть упорядочены для получения пары квантованных синусоидальных сигналов.

Можно видеть, что существуют 4 временных сегмента для каждого 1Ѕ цикла сигнала. Ступенчатая синусоидальная форма сигнала может быть представлена в виде модуляции поднесущей базовой формы сигнала расширения. Количество временных сегментов и независимых информационных каналов имеет отношение к количеству фазовых состояний, которые сигнал несущей имеет в своем представлении. Хотя в вышеуказанных примерах были использованы фазовые состояния, которые представляют собой “степени 2”, могут быть реализованы варианты осуществления, в которых используются другие величины. Например, сигнал несущей 6-PSK может использоваться для передачи двух независимых информационных каналов. В этом случае требуются только 3 сегмента сигнальных элементов на передаваемый элементарный сигнал кода.

Специалистам в данной области техники очевидно, что замена ступенчатой синусоиды сигналом прямоугольной формы с продолжительностью каждого элемента, равной 1/2 цикла синусоиды, хорошо известна в данной области техники. Как указывалось выше, она известна как модуляция “бинарной смещенной несущей”. Обычно существует 2 дополнительных признака, связанных с описанием ВОС, которые относятся к частоте скорости передачи элементарного сигнала кода и к частоте смещенной поднесущей. Следовательно, ВОС(2,2) интерпретируется как форма сигнала со скоростью передачи сигнальных элементов 2,046 МГц и скоростью передачи смещенной поднесущей 2,046 МГц. Такая конфигурация имеет точно два Ѕ цикла сигнала поднесущей для каждого кодового элемента (элементарного сигнала).

Дополнительный аспект вариантов настоящего изобретения относится к использованию набора поднесущих для модуляции дальномерных кодов с, по меньшей мере, одной или несколькими или всеми поднесущими, представляющими собой сигнал многоуровневой формы. Специалисты в данной области техники могут представить такие варианты осуществления в виде модуляции сигнала поднесущей при помощи дополнительного сигнала поднесущей. Полученный в результате сигнал, передаваемый спутником или системой, имеющей частоту несущей ω_i для дополнительной поднесущей, будет иметь следующий вид:

sc_im(t) и sc_jm(t) представляют сигналы первой и второй поднесущих соответственно первых дальномерных кодов, таких как, например, М-коды; и

sc_ig(t) и sc_jg(t) представляют сигналы первой и второй поднесущих для вторых дальномерных кодов, таких как, например, Gold коды.

Следует отметить, что могут быть реализованы варианты осуществления, когда sc_im(t) и sc_ig(t) являются одинаковыми или разными. Аналогично, могут быть реализованы варианты осуществления, когда sc_jm(t) и sc_jg(t) являются одинаковыми или разными.

,

где и представляют произведение поднесущих для первого и второго дальномерных кодов, таких как, например, m и Gold коды.

Хотя возможно использование более одной поднесущей, в конкретных вариантах осуществления обычно используют 2 поднесущие. Модуляция, использующая пару поднесущих, известна как модуляция удвоенной бинарной смещенной несущей (DBOC).

Модуляция, использующая три поднесущие, известна как модуляция утроенной бинарной смещенной несущей (TBOC) и т.д. таким образом, модуляция, использующая n-кратных поднесущих, известна как модуляция N-кратной бинарной смещенной несущей (NBOC). Как упоминалось выше, одна или несколько поднесущих могут быть ступенчатыми, т.е. иметь амплитуды, связанные с соответствующими фазовыми состояниями.

В качестве примеров этого аспекта настоящего изобретения на Фиг.9 показана пара сигналов 900. На Фиг.9, в качестве иллюстрации изобретения NBOC, предполагается, что основные формы сигналов поднесущих являются бинарными, и показана только одна форма 902 сигнала поднесущей. На Фиг.9 продолжительность по времени составляет 512 импульсов и точно соответствует длительности одного кодового знака (элементарного сигнала). Первая поднесущая 902 содержит 4 полуцикла поднесущих на элементарный сигнал дальномерного кода, как показано сигналом, обозначенным пунктирной линией. Если бы это была только одна составляющая поднесущей, то модуляция могла бы представлять собой модуляцию типа ВОС(2х,х), где х представляет собой частоту кодовой скорости (скорости передачи элементарных сигналов). Однако очевидно, что для получения модулированной формы 904 сигнала для ее объединения с несущей сигнала, идущего со спутника, была использована вторая поднесущая (не показано), имеющая 16 полуциклов на 512 импульсов. Модулированная форма сигнала показана сплошной кривой линией. В результате модуляции (умножения) двух поднесущих, полученная в результате форма 904 сигнала имеет инвертирование фазы для второй поднесущей 904, всякий раз, когда первая поднесщая 902 меняет знак. Это ясно видно из Фиг.9 в положениях 906, 908 и 910, в которых переключения второй поднесущей (не показана) могут быть противоположными. Полученная в результате модуляция обозначена как удвоенная ВОС, или DBOC. В случае Фиг.9, модуляция представляет собой DBOC(8x(2x,x)), т.е. имеется 8 полуциклов второй поднесущей на элементарный сигнал дальномерного кода (не показано). Основная энергия сконцентрирована вокруг частот ±8х из сигнала несущей, с удвоенным выгнутым спектром, аналогичным ВОС.

На Фиг.10 показана пара спектров 1000 мощности. Первый спектр 1002 мощности относится к сигналу DBOC(16,(2,2)). Очевидно, что используются, по меньшей мере, первая и вторая поднесущие для создания сигнала DBOC8(16,(2,2)), состоящего из амплитуд, полученных из 8 соответствующих фазовых состояний. В показанном конкретном варианте осуществления первая поднесущая представляет собой многоуровневый сигнал. Очевидно, что номенклатура для представления DBOC модуляции или поднесущих представляет собой DBOCa(b,c(d,e)), где а и с представляют собой количество фазовых состояний, то есть, амплитуд, поднесущих, имеющих соответственно частоты b и d. Второй спектр 1004 относится к сигналу ВОС8(2,2). Показанные спектры получены путем использования предыдущих аспектов настоящего изобретения, т.е. при помощи многоуровневых поднесущих или поднесущих, имеющих больше чем два фазовых состояния, в сочетании с концепцией удвоенной ВОС. Сигналы для модуляции I и Q для спектра по Фиг.10 показаны на Фиг.11. На Фиг.11 показана пара 1100 сигналов. Первая пара сигналов 1102, представляющая I канал формы сигнала расширения, содержит ступенчатый или многоуровневый сигнал 1104 ВОС(2,2), показанный сплошной линией, и 16 МГц модулированный сигнал 1106 ВОС(2,2) поднесущей, показанный пунктирной линией. Очевидно, что 16 МГц модулированный сигнал ВОС(2,2) поднесущей получен умножением ВОС8(2,2), то есть, ступенчатого сигнала ВОС(2,2), на 16 МГц сигнал прямоугольной формы (не показан), имеющего амплитуду ±1. Второй сигнал 1108, представляющий Q канал, содержит квадратурный сигнал 1110 ВОС(2,2) вместе с 16 МГц модулированным сигналом 1112 ВОС(2,2) поднесущей. Очевидно, что первая поднесущая 1104 или 1110 является поднесущей согласно варианту осуществления настоящего изобретения, описанного выше, несмотря на то, что вторая поднесущая (не показано) в обоих случаях представляет собой обычные бинарные сигналы прямоугольной формы, то есть, обычные поднесущие. Очевидно, что существуют области 1114 перекрытия между двумя поднесущими 1104 и 1110 ВОС(2,2) и их соответствующих произведений, то есть, 16 МГц модулированными сигналами 1106 и 1112 ВОС(2,2) поднесущей. В этих областях перекрытия 1114 эти формы сигнала имеют один и тот же профиль амплитуды.

Преимуществом вариантов осуществления сигналов, показанных на Фиг.11, является то, что I канал или составляющая была получена или представляет собой модуляцию или сигнал DBOC8, несмотря на то, что канал Q был получен с использованием или представляет модуляцию ВОС8. Однако эта конструкция все еще сохраняет или обеспечивает сигнал несущей с по существу постоянной огибающей, испускаемый спутником.

Варианты осуществления настоящего изобретения описаны со ссылкой на сигналы поднесущих, которые являются периодическими. Однако могут быть реализованы варианты осуществления, в которых сигнал поднесущей содержит сигнал с псевдослучайным шумом. Кроме того, могут быть реализованы варианты осуществления, в которых форма поднесущей принимает форму, отличную от ступенчатой, то есть, многоуровневый сигнал или квантованную аппроксимацию сигнала синусоидальной формы. Например, могут быть использованы многоуровневые импульсные сигналы, многоуровневые периодические сигналы или многоуровневые апериодические сигналы, такие как сигналы, показанные на Фиг.12, если специалист в данной области техники желает получить модуляцию, имеющую спектр мощности передаваемого сигнала и/или любой подходящий параметр интерференции, такой как, например, SSC или сам SSC.

На фиг.13 показана форма 1300 сигнала поднесущей согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения совместно с одним элементарным сигналом 1302 кода или сигналом другой формы, таким как, например, другая поднесущая. Очевидно, что поднесущая содержит первую часть формы сигнала ВОС(5,1), в пределах 100 нсек интервалов, объединенную с частями сигнала ВОС(1,1), в пределах 400 нсек интервалов, для получения полной поднесущей. Очевидно, что спектры сигналов ВОС(5,1) будут иметь пик в 5*1,023 МГц, а сигнал ВОС(1,1) будет иметь пик в 1*1,023 МГц. Следовательно, специалистам в данной области техники очевидно, что выборочное сочетание поднесущих ВОС позволяет специалистам в данной области техники позиционировать или перемещать пики всей поднесущей. Кроме того, очевидно, что поднесущую, используемую, например, для модуляции дальномерных кодов, получают из более чем одной поднесущей. Хотя сигнал, описанный относительно Фиг.13, был получен из поднесущих ВОС(5,1) и ВОС(1,1), могут быть реализованы варианты осуществления, в которых используются другие варианты осуществления ВОС поднесущих. В результате сигналы ВОС(5,1) и ВОС(1,1) были мультиплексированы или выборочно скомбинированы для получения полного сигнала поднесущей. Очевидно, что другие последовательности для поднесущих могут быть реализованы согласно желаемому эффекту при мощности спектра передаваемого сигнала. Например, поднесущая может быть реализована с использованием псевдослучайной последовательности в виде поднесущей вместо ступенчатой модуляции. Использование дополнительных последовательностей к такому основному коду расширения до настоящего времени было ограничено использованием только в виде многоуровневого кода, который изменяет состояние после каждого полного интервала повторения кода. Коды GPS L5 таким образом созданы использующими последовательности Неймана-Хоффмана длиной 10-20 для расширения кода, равного 1 мсек (10230 элементарных сигналов или импульсов) до 10 мсек или 20 мсек. Ранее не рассматривалось использование интервала элементарного сигнала подкода. Полная последовательность (подпоследовательность) имеет длительность одного элементарного сигнала кода, или в большинстве случаев, нескольких элементарных сигналов кода. Это выполняет аналогичную роль для модуляции поднесущей, как ранее описано, заключающуюся в том, что спектр излучения является управляемым. Одна из особенностей такой поднесущей заключается в том, что такие последовательности могут быть выбраны таким образом, чтобы быть общими для спутниковой группировки или подгруппы такой группировки. Одна такая подгруппа может быть группой земных передатчиков, обеспечивающих локальный элемент или дополнение для орбитального сегмента системы. Например, амплитуды поднесущих могут быть реализованы таким образом, чтобы иметь последовательность ++++----+ в 10 интервалах вторичных элементарных сигналов, или последовательность +1 и -1 на элементарный сигнал дальномерного кода или другой элементарный сигнал поднесущей согласно желательному эффекту для спектра получаемого в результате сигнала. Примеры, такие как 7 последовательностей интервала вторичных элементарных сигналов могут включать в себя ++-----, +++----, +-+-+-- и могут быть выбраны для обеспечения аналогичного управления излучаемым спектром.

На Фиг.14 схематично показан передатчик 1400 согласно варианту настоящего изобретения. Передатчик 1400 содержит средство 1402, то есть, генератор для генерации или выбора дальномерных кодов для передачи. Специалистам в данной области техники очевидно, что такие дальномерные коды могут быть сгенерированы, например, при помощи регистров сдвига. Очевидно, что выбор дальномерного кода и/или средства 1402 генерации показан в виде получения g_i(t) и m_i(t). Эти коды подают в соответствующие смесители 1404 и 1406. Смесители 1404 и 1406 установлены для объединения дальномерных кодов с поднесущими согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Соответствующие генераторы 1408 и 1410 поднесущих генерируют поднесущие. Необязательно сигнал данных, d_i(t), также предпочтительно смешивают с дальномерными кодами и поднесущими. Длительность одного бита сигнала данных обычно представляет собой целое кратное интервала повторения кода. Например, в коде GPS CA она представляет собой 20 интервалов повторения кода, равных 1 мсек, то есть, скорость передачи данных составляет 50 бит/с. Смешанные сигналы 1412 и 1414 подают в следующую пару смесителей 1416 и 1418, где их смешивают с синфазной или квадратурной составляющими сигнала, полученными при помощи осциллятора и блока 1420 фазосдвигающей схемы. Далее смешанные сигналы 1422 и 1424 объединяют в сумматоре 1426 и выдают для последующего преобразования посредством подходящего преобразователя 1428. Выходной сигнал из преобразователя 1428 подают в усилитель 1430 мощности и затем фильтруют подходящим фильтром 1433 для последующей передачи при помощи, например, спутника или другого устройства, выполненного с возможностью излучения или передачи дальномерных кодов.

На фиг.15 показано схематическое представление системы 1500 модуляции согласно варианту настоящего изобретения. Система 1500 содержит генератор 1502 дальномерного кода для формирования дальномерного кода. Дальномерный код подают в первую таблицу 1504 перекодировки, содержащую фазовые состояния, и во вторую таблицу 1506 перекодировки, содержащую состояния амплитуд. Выходной сигнал из таблицы 1504 перекодировки фазовых состояний используется для запуска фазового модулятора 1508, который, в свою очередь, формирует сигнал напряжения для управления фазой генератора 1510, управляемого напряжением. Выходной сигнал генератора 1510 объединяют через блок 1512 объединения, такой как, например, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления или умножитель, с выходным сигналом из таблицы 1506 состояний амплитуд для формирования поднесущей, имеющей подходящие характеристики.

Хотя вышеуказанные варианты осуществления были описаны в отношении сигнала с по существу постоянной огибающей, варианты осуществления этим не ограничены. Могут быть реализованы варианты осуществления, в которых используются сигналы огибающих изменяющимися по абсолютной величине. Очевидно, что нет необходимости в неукоснительном следовании ограничениям, описанным выше, целью которых является сохранение постоянной амплитуды (I²+Q²)^1/2.

Вышеуказанные варианты осуществления были описаны со ссылкой на каналы I и Q, имеющие одинаковые скорости передачи элементарного сигнала. Однако варианты осуществления не ограничены такими конфигурациями. Могут быть реализованы варианты осуществления, в которых используются различные скорости передачи элементарного сигнала.

Хотя варианты осуществления настоящего изобретения были описаны со ссылкой на частоты L1 и L2, варианты осуществления не ограничены такими конфигурациями. Могут быть реализованы варианты осуществления, в которых могут быть использованы другие частоты или полосы частот согласно требованиям системы, использующей настоящее изобретение. Например, более низкая полоса L частот (т.е. E5a и E5b), средняя (т.е. Е6) и более высокая полоса частот (т.е. E2-L1-E1) также могут использоваться в вариантах настоящего изобретения. Очевидно, что такие варианты осуществления могут использовать сигналы, имеющие, по меньшей мере, три составляющие, а не две составляющие, как описано выше.

Кроме того, варианты осуществления настоящего изобретения были описаны со ссылкой на стандартный ВОС. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что могут быть реализованы варианты осуществления, использующие альтернативный ВОС.

Кроме того, очевидно, что могут быть реализованы варианты осуществления, в которых количество полуциклов поднесущих на элементарный сигнал кода может быть, по меньшей мере, одним из четного, нечетного, целого кратного или нецелого кратного элементарному сигналу, то есть, отношение между количеством полуциклов поднесущих и длительностью элементарного сигнала равно рациональному значению.

Варианты осуществления настоящего изобретения, описанные выше, были сфокусированы на передаче, то есть, на генерации, модуляции и передаче дальномерных кодов, объединенных с поднесущей или поднесущими. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что для получения и обработки сигналов требуются система и способ преобразования. После разработки специалистами в данной области технологии системы передачи таких сигналов, разработка соответствующего приемника попросту представляет собой преобразование операций передачи. Следовательно, варианты осуществления настоящего изобретения также относятся к приемнику для обработки сигналов, таких как описано выше.

Авторы обращают внимание читателей на все статьи и документы, которые были поданы одновременно или раньше настоящего описания и имеют отношение к данной заявке, и которые находятся в открытом доступе, причем содержание всех этих статей и документов включено в настоящее описание во всей своей полноте в качестве ссылки.

Все признаки, изложенные в настоящем описании (включая любые прилагаемые пункты формулы изобретения, реферат и чертежи), и/или все этапы любого изложенного способа или процесса могут быть объединены в любом сочетании, кроме сочетаний, в которых, по меньшей мере, некоторые такие признаки и/или этапы являются взаимоисключающими.

Каждый признак, изложенный в настоящем описании (включая любой пункт формулы изобретения, реферат и чертежи), может быть заменен альтернативными признаками, служащими той же самой, эквивалентной или аналогичной цели, если только явно не указано иное. Таким образом, если только явно не указано иное, каждый раскрытый признак представляет собой только один пример характерного ряда эквивалентных или аналогичных признаков.

Настоящее изобретение не ограничено деталями любого вышеописанного варианта осуществления. Настоящее изобретение охватывает любое новое изобретение, или любое новое сочетание признаков, изложенных в настоящем описании (включая любой пункт формулы изобретения, реферат и чертежи), или любое новое изобретение, или любое новое сочетание, или этапы любого способа или процесса, изложенного таким образом.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к модуляции поднесущей для модуляции дальномерного кода навигационного сигнала, и может быть использовано в спутниковых навигационных системах. Технический результат заключается в обеспечении электромагнитной совместимости. Для этого способ генерации сигнала модуляции поднесущей для модуляции дальномерного кода навигационного сигнала содержит этап мультиплексирования во временной области частей первой и второй поднесущих бинарной смещенной несущей (ВОС) для получения указанного сигнала модуляции поднесущей. В другом варианте осуществления изобретения способ содержит этап мультиплексирования частей первой и второй поднесущих ВОС для воздействия тем самым на положение спектральных пиков, связанных с указанными первой и второй поднесущими ВОС в переделах спектра сигнала модуляции поднесущей. 5 н. и 2 з.п. ф-лы, 16 ил., 3 табл.

1. Способ генерации сигнала модуляции поднесущей для модуляции дальномерного кода навигационного сигнала, при этом способ содержит этап мультиплексирования во временной области частей первой и второй поднесущих бинарной смещенной несущей (ВОС) для получения указанного сигнала модуляции поднесущей.

2. Способ по п.1, в котором этап мультиплексирования частей первой и второй поднесущих ВОС для получения указанного сигнала модуляции поднесущей включает в себя мультиплексирование части первой поднесущей, занимающей соответствующий временной интервал, и части второй поднесущей, занимающей соответствущий временной интервал.

3. Способ генерации сигнала модуляции поднесущей для модуляции дальномерного кода навигационного сигнала, при этом способ содержит этап мультиплексирования частей первой и второй поднесущих ВОС для воздействия тем самым на положение спектральных пиков, связанных с указанными первой и второй поднесущими ВОС, в пределах спектра сигнала модуляции поднесущей.

4. Сигнал модуляции поднесущей для модуляции дальномерного кода навигационного сигнала, при этом сигнал модуляции поднесущей содержит мультиплексированные части первой и второй поднесущих ВОС для получения указанного сигнала модуляции поднесущей.

5. Сигнал модуляции поднесущей по п.4, в котором часть первой поднесущей ВОС содержит часть первой поднесущей ВОС, занимающей соответствующий временной интервал, и часть второй поднесущей ВОС содержит часть второй поднесущей ВОС, занимающей соответствующий временной интервал.

6. Сигнал модуляции поднесущей, содержащий мультиплексированные части первой и второй поднесущих ВОС.

7. Сигнал модуляции поднесущей, содержащий мультиплексированные части первой и второй поднесущих ВОС с возможностью тем самым воздействовать на положение спектральных пиков, связанных с указанными первой и второй поднесущими ВОС в пределах спектра сигнала модуляции поднесущей.