PN碼產(chǎn)生器的理論研究及MATLAB仿真畢業(yè)設(shè)計論文

1、本科畢業(yè)設(shè)計論文本科畢業(yè)設(shè)計論文 題題 目目 PN 碼產(chǎn)生器的理論研究及 MATLAB 仿真實(shí)現(xiàn) 畢業(yè) 任務(wù)書 一、題目 PN 碼產(chǎn)生器研究及其 MATLAB 仿真 二、研究主要內(nèi)容 1、 了解 PN 碼的基本定義：PN 碼（Pseudo-Noise Code） ，是一具有與白 噪聲類似的自相關(guān)性質(zhì)的 0 和 1 所構(gòu)成的編碼序列，最廣為人知的二位元 P-N Code 是最大長度位移暫存器序列，簡稱 m-序列， 他具有長 2 的 N 次方 - 1 個 位元，m 級暫存器來產(chǎn)生。同時 PN 碼分長碼與短碼，在 CDMA 中的擔(dān)當(dāng)不同的 角色。 2、主要研究內(nèi)容：了解 GPS 全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

2、及擴(kuò)頻通信的相關(guān)概念， 重點(diǎn)是研究 GPS 信號結(jié)構(gòu)，并設(shè)計 GPS 信號的 m 序列和 C/A 碼及 P 碼的生成算 法，對 GPS 的信號結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行深入了解并明確仿真要達(dá)到的目標(biāo)，再通過 對直接序列擴(kuò)頻通信等理論的研究及分析來確定 GPS 信號的生成算法9，在此 過程中，要掌握 PN 碼相關(guān)特性，最終實(shí)現(xiàn) GPS 信號的產(chǎn)生，最后在理論證明成 立的情況下利用 MATLAB 仿真驗(yàn)證他們的隨機(jī)特性.具體以 m 序列發(fā)生器為例。 三、主要技術(shù)指標(biāo) 了解 GPS 衛(wèi)星的相關(guān)概念及原理，分析 GPS 信號的特性及其產(chǎn)生機(jī)制， 并掌握擴(kuò)頻通信中偽隨機(jī)序列的概念和應(yīng)用； 掌握移位寄存器產(chǎn)生m序列的

3、基本知識，并熟悉偽隨機(jī)序列的特性； 掌握 C/A 碼發(fā)生器的原理，以及 C/A 碼的自相關(guān)性及其互相關(guān)性，并進(jìn) 行性能仿真分析； 了解 P 碼在 GPS 系統(tǒng)中的重要地位，掌握倆個子碼 X1，X2 的產(chǎn)生原理， 以及通過 X1，X2 復(fù)合構(gòu)成的 P 碼的原理。 4、進(jìn)度和要求 第 15 周 查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，完成開題報告。 設(shè)計 論文 第 610 周 進(jìn)一步解析m序列、C/A 碼、P 碼發(fā)生器的原理，完成方案設(shè) 計并用 MATLAB 進(jìn)行仿真驗(yàn)證； 第 1116 周 完成課程設(shè)計的全部內(nèi)容，按要求編寫課程設(shè)計畢業(yè)論文， 制作電子演示文稿。 五、主要參考書及參考資料 1 劉基余，GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航

4、定位原理及方法，第二版，北京：科學(xué)出版社， 2008. 2 徐明遠(yuǎn)，邵玉斌.MATLAB 仿真在通信與電子信息工程中的應(yīng)用. 西安電子 科技大學(xué)出版社，2005. 3 吳偉陵 牛凱.移動通信原理.電子工業(yè)出版社，2009. 4 JAMES BAO-YEN TSOUI 著 陳軍 潘高峰等 譯.GPS 軟件接收機(jī)基礎(chǔ).電子工 業(yè)出版社.2007 . 5 明浩GPS 系統(tǒng)中的 P 碼產(chǎn)生與特性分析J沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2005. 6 王惠南GPS 導(dǎo)航原理與應(yīng)用M北京：科學(xué)出版社，2003 7 Spaans E.J.The Munich Satellite Navigation Summit 2007

5、J. European Journal of Navigation , 2007 . 8 楊俊，武奇生編著. GPS 基本原理及其 MATLAB 仿真. 西安電子科技大學(xué)出 版社，2006. 9 劉學(xué)勇.詳解 MATLAB/Simulink 通信系統(tǒng)建模與仿真.電子工業(yè)出版社， 2011. 10 JAMES BAO-YEN TSOUI 著 陳軍 潘高峰等 譯.GPS 軟件接收機(jī)基礎(chǔ).電子 工業(yè)出版社，2007. 11 樊昌信通信原理M第 5 版北京：國防工業(yè)出版社，2001 12 唐向宏 岳恒立 鄭雪峰.MATLAB 及在電子信息類課程中的應(yīng)用.2010. 13 J.B.Lozow. Anal

6、ysis of Direct P(Y)-Code Acquisition, Navigation, Spring 1997 14 A1ison BrownModeling and Simulation of GPS Using Software Signal Generation and Digital Signal Reconstruction, Proceedings of the ION National Technical Meeting, January 2000 15 Charles CCounselmanMultipathRejecting GPS Antennas，Procee

7、dings of the IEEE，V01.87，N O.1，January 1999. 16 李天文 GPS 原理及應(yīng)用. 科學(xué)出版社，2003. 17 陳濤.GPS接收機(jī)基帶信號處理的研究和設(shè)計D.上海：上海交通大學(xué)， 2009. 18 沈超，裘正定.基于MatLab/Simulink的GPS系統(tǒng)仿真J.系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2006. 19 謝剛 . GPS 原理與接收機(jī)設(shè)計. 電子工業(yè)出版社 .2009. 20 趙鴻圖 矛艷 通信原理 MATLAB 仿真教程. 人民郵電出版社.2010. 摘 要 GPS（Global Positioning System）是基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，被認(rèn)定為當(dāng) 前

8、定位導(dǎo)航設(shè)備中最重要的發(fā)展方向，在軍事和民用中有著廣泛的應(yīng)用，并且 在日常生活方面是一個難以用數(shù)字預(yù)測的廣闊領(lǐng)域。GPS 像移動電話，傳真機(jī)， 計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)對我們生活的影響一樣，人們的日常生活也已離不開它。GPS 系 統(tǒng)采用典型的 CDMA 體制，這種擴(kuò)頻調(diào)制信號具有低截獲概率特性1。該系統(tǒng)主 要利用直接序列擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，采用的偽碼有 C/A 碼和 P(Y)碼兩種。目前，偽 隨機(jī)碼在擴(kuò)頻通信中的應(yīng)用非常廣泛，這一技術(shù)也在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了利 用。在 GPS 中，導(dǎo)航衛(wèi)星向用戶發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，就是利用偽隨機(jī)碼傳送 導(dǎo)航電文的調(diào)相信號。本文首先介紹了 GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)的組成，簡要論述 M 序

9、列 和偽隨機(jī)噪聲碼（P 碼和 C/A 碼）及其產(chǎn)生，重點(diǎn)研究 C/A 碼的產(chǎn)生原理并用 MATLAB 軟件對 C/A 碼的生成進(jìn)行了仿真。 關(guān)鍵詞：GPS，偽隨機(jī)碼，MATLAB，C/A 碼 ABSTRACTABSTRACT GPS (Global Positioning System) satellite-based positioning system, is considered the most important development direction in the current positioning and navigation equipment, has been wi

10、dely applied in military and civilian. Everyday life is a difficult figure for broad areas. GPS like mobile phones, fax machines, computers and the Internet in our lives, peoples daily lives will do without it. The GPS system uses a typical CDMA system, such a spread spectrum modulation signal has a

11、 low probability of intercept characteristics. The system is mainly the use of direct sequence spread spectrum modulation techniques, the use of pseudo-code C / A code and P (Y) code two. At present, the pseudo-random code is widely used in spread spectrum communications using this technology is als

12、o satellite navigation system. In the GPS navigation satellite navigation and positioning signals sent to the user, it is using to send the navigation message of pseudo-random code phase modulation signal. This paper first describes the composition of the GPS satellite system, and briefly discusses

13、the M sequences and pseudo-random noise code (P code and C / A code) and it focus on the principle of the C / A code and the MATLAB software, C / A code generate the simulation. KEYKEY WORDSWORDS: GPS，pseudo random noise code，MATLAB，C/A code 目目 錄錄 第一章 緒論.1 1.1 引言.1 1.2 課題研究的意義和目的.2 1.3 本文的內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu).3

14、第二章 GPS 系統(tǒng)原理概述 .4 2.1 GPS 衛(wèi)星信號 .4 2.2 GPS 衛(wèi)星的載波信號 .7 2.3 GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文 .8 第三章 GPS 信號構(gòu)成 .9 3.1 M 序列 .9 3.1.1 m序列產(chǎn)生的原理 .9 3.1.2 m序列的性質(zhì) .11 3.1.3 m序列特征多項式確定 .13 3.1.4 GOLD 組合碼 .14 3.2 C/A 碼 .15 3.2.1 C/A 碼發(fā)生器原理 .16 3.2.2 C/A 碼發(fā)生器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu) .17 3.2.3 C/A 碼的自相關(guān)系數(shù) .18 3.2.4 C/A 碼的互相關(guān)系數(shù) .19 3.3 P 碼 .20 3.3.1 P 碼產(chǎn)生

15、原理 .22 3.3.2 P 碼特性 .24 第四章 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航算法及其 MATLAB 軟件仿真 .26 4.1 MATLAB 軟件簡介 .26 4.2 MATLAB 功能介紹 .27 4.3 M 序列仿真及其仿真結(jié)果 .27 4.4 C/A 碼仿真及其仿真結(jié)果 .29 4.5 P 碼仿真及其仿真結(jié)果 .30 4.6 本章小結(jié).32 全文總結(jié).33 致謝.34 參考文獻(xiàn).35 畢設(shè)總結(jié).37 附錄.38 第 1 章 緒論 1.1 引言 全球定位系統(tǒng)簡稱 GPS 系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)，全天候?yàn)橛脩暨B續(xù)提供高 精度的位置、速度和時間信息。本課題的目的就是搭建一個 GPS 仿真平臺，使 得各種

16、信號生成的算法能在該仿真平臺上得以仿真實(shí)現(xiàn)，以驗(yàn)證算法的性能， 從而為信號模擬器的研制提供理論依據(jù)。因此對 GPS 的衛(wèi)星信號的仿真必將推 動中國自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展。GPS 是美國政府于 20 世紀(jì) 70 年代開 始研制，于 1994 年全面建成的高精度、高動態(tài)的星際導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)全 天候地向全球范圍內(nèi)具有 GPS 接收機(jī)用戶提供精確、連續(xù)的三維位置、三維運(yùn) 動和時間需要。GPS 信號分為民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS，Standard Positioning Service）和軍規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)精確定位服務(wù)（PPS，Precise Positioning Service） 。目前，以 G

17、PS 為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今 國際公認(rèn)的八大無線產(chǎn)業(yè)之一。隨著技術(shù)的進(jìn)步、應(yīng)用需求的增加，GPS 以全 天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點(diǎn)及其所獨(dú)具的定位導(dǎo)航、授時校頻、 精密測量等多方面的強(qiáng)大功能，已涉足眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，使 GPS 成為繼蜂窩移 動通信和互聯(lián)網(wǎng)之后的全球第三個 IT 經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)。 在衛(wèi)星定位系統(tǒng)領(lǐng)域，美國的技術(shù)可謂最常見和最成熟的，該系統(tǒng)是美 國歷時16年、耗資130億美元，由軍方控制并資助建成的。目前，全球眾多國 家都在使用這個系統(tǒng)對地面的汽車、海上的船只和天空的飛行器以及衛(wèi)星、導(dǎo) 彈進(jìn)行全天候的和實(shí)時的準(zhǔn)確定位，定位精度成10米。如今，GPS 已經(jīng)是全球

18、 性的系統(tǒng)，而且滿足二十世紀(jì)六十年代提出的最佳定位標(biāo)準(zhǔn)。它能向有適當(dāng)接 收設(shè)備的全球范圍用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息。而對于用戶來 說，最重要的就是 GPS 接收機(jī)，接收機(jī)根據(jù)同時收到的48顆衛(wèi)星的位置信息， 應(yīng)用差分定位原理，每隔13秒向用戶播報一次其位置(經(jīng)緯度)、速度、高度 和時間信息，以供用戶或用戶的系統(tǒng)使用112。 GPS由3個區(qū)段組成:衛(wèi)星星座，地面控制/監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)和用戶接收設(shè)備。GPS 衛(wèi)星星座由24顆分布于平均高度為20200km的6個軌道面的衛(wèi)星組成，衛(wèi)星運(yùn)行 周期為n小時58分(12恒星時)。地面監(jiān)控系統(tǒng)由1個主控站、3個注入站和5個監(jiān) 測站組成，用于跟蹤觀測GPS

19、衛(wèi)星，計算衛(wèi)星星歷，監(jiān)測和控制衛(wèi)星的健康狀況， 保持精確的GPS時間系統(tǒng)，向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和控制命令。GPS用戶設(shè)備的核 心是GPS接收機(jī)，其主要功能是接收并處理GPS衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航信號，計算出用 戶接收機(jī)的位置、速度和時間信息3。 目前，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中大多采用偽碼擴(kuò)頻技術(shù)。GPS 衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航 信號是將基帶信號先經(jīng)偽隨機(jī)噪聲碼（也稱偽隨機(jī)碼或者偽碼）擴(kuò)頻，再對載 頻進(jìn)行 BPSK 調(diào)制形成新的信號，采用這種信號格式，可使系統(tǒng)具有較高的抗干 擾能力和保密性，其關(guān)鍵在于使用了自相關(guān)特性很強(qiáng)的偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)，GPS 系統(tǒng)中使用了兩種偽隨機(jī)碼，一種是時鐘速率為 10.23MHz 用于精密測

20、距的精 確軍用碼，簡稱 P 碼；另一種是時鐘速率為 1.023MHz 用于分址，搜捕衛(wèi)星信 號的粗捕獲民用碼，簡稱 C/A 碼。它在一個周期中有 1023 個碼位，周期為 1ms。GPS 的 P 碼序列捕獲要求首先捕獲 C/A 碼序列導(dǎo)航電文中的轉(zhuǎn)換碼，以輔 助完成捕獲 P 碼。利用 C/A 碼快速、粗略的進(jìn)行測距，來引導(dǎo) P 碼進(jìn)行精確測 距。然而，C /A 碼的碼長短、碼速率低，易受敵方干擾和欺騙， 在強(qiáng)干擾和 欺騙的戰(zhàn)爭環(huán)境下，很難通過 C/A 碼來捕獲到 P 碼，直接捕獲 P 碼一直倍受美 國軍方的關(guān)注，產(chǎn)生 P 碼并對其特性進(jìn)行分析對進(jìn)一步研究 P 碼的捕獲有著重 要的意義。 1.2

21、 課題研究的意義和目的 GPS 系統(tǒng)采用的是直接序列擴(kuò)頻通信體制，在兩個 L 波段上 ，分別用偽隨 機(jī)噪聲碼 P 碼和 C /A 碼擴(kuò)頻調(diào)制了導(dǎo)航電文 D 碼。L1 的中心頻率為 1575.42MHz，L2 的中心頻率為 1227.6MHz。載波信號 L1 上調(diào)制有 P 碼、C /A 碼和 D 碼，而載波信號 L2 上只調(diào)制 P 碼和 D 碼6。 GPS 系統(tǒng)中 P 碼的捕獲通常是利用 C/A 碼來完成的，用戶首先捕獲到 C/A 碼，然后利用 C/A 碼調(diào)制的導(dǎo)航電文中的握手字(HOW-handover word)所提供的 P 碼信息對 P 碼進(jìn)行捕獲。由于 P 碼在戰(zhàn)爭中顯得十分重要, 直接

22、捕獲 P 碼一 直倍受美國軍方的關(guān)注。產(chǎn)生 P 碼并對其特性進(jìn)行分析對進(jìn)一步研究 P 碼的捕 獲有著重要的意義，而 C/A 碼在民用中也發(fā)揮了很重要的作用。 1.3 本文的內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu) 本文研究的題目是 GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)中 PRN 碼（偽隨機(jī)碼）發(fā)生器的理論原理， 主要研究的的是 C/A 碼和 P 碼的產(chǎn)生原理。 本文的組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章 緒論，介紹了GPS全球定位系統(tǒng)的概況，概述了課題的背景、研究 意義和目的、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及偽隨機(jī)碼在GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的重要程度，給出了 本文的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。 第二章 GPS系統(tǒng)原理概論，主要介紹了GPS系統(tǒng)的組成和GPS信號的組成， 并對GPS載

23、波信號和導(dǎo)航電文做了簡單介紹，闡述了偽隨機(jī)碼信號。 第三章 GPS信號的構(gòu)成。主要介紹構(gòu)成GPS信號的m序列、CA碼、P碼；通 過了解其性質(zhì)、原理及結(jié)構(gòu)，深化對GPS信號的進(jìn)一步認(rèn)識。 第四章 對MATLAB軟件的運(yùn)用做了簡單的論述，并通過了解m序列的產(chǎn)生， 研究C/A碼及P碼的產(chǎn)生原理及性質(zhì)，在MATLAB中對其進(jìn)行了仿真，這是本章重 點(diǎn)。 第二章 GPS 系統(tǒng)原理概述 2.1 GPS 衛(wèi)星信號 GPS 衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的信號，是一種調(diào)制波，但有別 于常用的無線電廣播電臺發(fā)送的調(diào)頻調(diào)幅信號，它是利用偽隨機(jī)噪聲碼傳送導(dǎo) 航電文的調(diào)相信號。GPS 衛(wèi)星信號是目前常用的兩種違心導(dǎo)航

24、定位信號之一， 它包含有三種信號分量，即載波（L1 和 L2）、測距碼（C/A 碼和 P 碼）和數(shù)據(jù) 碼（D 碼，亦稱基帶信號或?qū)Ш诫娢模６@所有這些信號分量都是在同一個 基本頻率 f0=10.23MHz 的控制下產(chǎn)生的113。GPS 衛(wèi)星信號示意圖如圖 2.1 所 示： 基本頻率 f0=10.23 MHz L1 1575.42MHz C/A碼 1.023MHz P碼 10.23MHz L2 1227.6MHz P碼 10.23MHz 50BPS 數(shù)據(jù)碼（導(dǎo)航電文、或D碼） 1/10 154 120 圖 2.1 GPS 衛(wèi)星信號頻率構(gòu)成示意圖 GPS 衛(wèi)星發(fā)送的 GPS 衛(wèi)星信號采用 L 波

25、段的兩種載頻作載波，分別被稱作 L1 的 主頻率和 L2 的次頻率。這些載波頻率由擴(kuò)頻碼（每一顆衛(wèi)星均有專門的偽隨機(jī) 序列）和導(dǎo)航電文所調(diào)制。所有衛(wèi)星均在這兩個相同的載波頻率上發(fā)射，但由 于偽隨機(jī)碼調(diào)制不同，因此無明顯的相互干擾16。GPS 使用 L 頻段的兩種載 頻為（其中 f0是衛(wèi)星信號發(fā)生器的基準(zhǔn)頻率）： L1 載波：fL1=154f0=1575.42 MHz，波長 1=19.032 cm； L2 載波：fL2=120f0 =1227.6MHz，波長 2=24.42 cm。 選擇 L 波段的好處是： (1）減少擁擠，避免“撞車”。目前 L 波段的頻率占用率低于其他波段， 與其他工作頻率不

26、易發(fā)生“撞車”現(xiàn)象，有利于全球性的導(dǎo)航定位測量。 (2）適應(yīng)擴(kuò)頻，傳送寬帶信號。GPS 衛(wèi)星采用擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航電文， 其頻帶高達(dá) 20 MHz 左右，在占用率較低的 L 波段上，易于傳送擴(kuò)頻后的寬帶信 號。 在載波 L1 上調(diào)制有 C/A 碼、P 碼的數(shù)據(jù)碼，而在載波 L2 上，只有調(diào)制有 P 碼的數(shù)據(jù)碼。 在無線通信技術(shù)中，為了有效地傳播信息，一般均將頻率較低的信號加載 到頻率較高的載波上，而這時頻率較低的信號成為調(diào)制信號。 GPS 信號是一種調(diào)制波，它不僅采用 L 波段的載波，而且采用擴(kuò)頻技術(shù)傳送 衛(wèi)星導(dǎo)航電文。所謂“擴(kuò)頻”，是將原來打算發(fā)送的幾十比特速率的電文變換 成發(fā)送幾兆甚至幾

27、十兆比特速率的由電文和偽隨機(jī)噪聲碼組成的組合碼。采用 擴(kuò)頻技術(shù)時，若信號功率僅為噪聲功率的 1/10，那么信號將深深地淹沒在噪聲 之中而不易被他人捕獲，從而使得信號具有極強(qiáng)的保密性。 GPS 信號的調(diào)制波，是衛(wèi)星導(dǎo)航電文和偽隨機(jī)噪聲碼（PseudoRandom Noise Code，簡稱 PRN 碼，或稱偽噪聲碼）的組合碼。衛(wèi)星導(dǎo)航電文是一種不 歸零二進(jìn)制碼組成的編碼脈沖串，稱之為數(shù)據(jù)碼，記作 D(t)，其碼率為 50 b/s。對于距離地面 20000 km 之遙的 GPS 衛(wèi)星，擴(kuò)頻技術(shù)能有效地將很低碼率 的導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶。其方法是用很低碼率的數(shù)據(jù)碼作二級調(diào)制（擴(kuò)頻）。 第一級，用 50

28、Hz 的 D 碼調(diào)制一個偽噪聲碼，例如調(diào)制一個被叫做 P 碼的偽噪聲 碼，它的碼率高達(dá) 10.23 MHz。D 碼調(diào)制 P 碼的結(jié)果，便形成了一個組合碼 P(t)D(t)，使得 D 碼信號的頻帶寬度從 50Hz 擴(kuò)展到 10.23 MHz，也就是說， GPS 衛(wèi)星從原來要發(fā)送 50b/s 的 D 碼，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送 10230 b/s 的組合碼 P(t)D(t)。 在 D 碼調(diào)制偽噪聲碼以后，再用它們的組合碼去調(diào)制 L 波段的載波，實(shí)現(xiàn) D 碼的第二級調(diào)制，而形成向廣大用戶發(fā)送的已調(diào)波。D 碼的數(shù)據(jù)首先同偽噪聲 碼 C/A 碼和 P(Y)碼模二相加后，形成組合碼 C/A(t)D(t)和 P(t)D

29、(t)，然后才 調(diào)制 L1 載波。需要注意的是，組合碼 C/A(t)D(t)和 P(t)D(t)是通過相移鍵 控（BPSK）調(diào)制到 L1 載波上的。在 L1 載波上，C/A(t)D(t)調(diào)制和 P(t)D(t)調(diào) 制在相位上是正交的。因此在這兩個合并的 L1 載波頻率上的 C/A(t)D(t)調(diào)制 和 P(t)D(t)調(diào)制之間有 90的相移。L2 載波上的調(diào)制過程與 L1 載波大致相同， 不同的是 L2 載波可以用 C/A(t)D(t)碼、P(t)D(t)碼或者 P(Y)碼來調(diào)制。最后， 衛(wèi)星向地面發(fā)射這兩種已調(diào)波 L1 和 L2。 L1載波 C/A碼 導(dǎo)航電文 P碼 L2載波 衛(wèi)星時鐘 F=

30、10.23MHz =90 模2和加法器；調(diào)制器；信號合成器 圖 2.1 GPS 信號的產(chǎn)生框圖 需要注意的是，GPS 信號雖然有幾種分量（C/A 易捕獲碼、 P 精確碼和 D 導(dǎo)航 數(shù)據(jù)碼），但是它們均來源于一個公共的 10.23MHz 的基準(zhǔn)頻率。它們的頻率不 僅與基準(zhǔn)頻率有一定的比例關(guān)系，而且相互之間也存在一定的比例關(guān)系，詳細(xì) 如表 2-1 所示。這既有利于 GPS 衛(wèi)星發(fā)送信號，又便于廣大用戶接收和測量 GPS 信號。從表 2-1 中可以看出，在 D 碼的一個碼元內(nèi)，將有 20460 個 C/A 碼 碼元，個 P 碼碼元，個 L1 周期和個 L2 周期。 相關(guān)頻率基頻 F載頻 fL1載頻

31、 fL2 基準(zhǔn)頻率 F 10.23MHz154F120F C/A 碼的碼頻 fg F/10fL1/1540fL2/1200 P 碼的碼頻 fp FfL1/154fL2/120 D 碼的碼頻 fd F/fL2/fL2/ 表 2.1 GPS 信號的頻率關(guān)系 2.2 GPS 衛(wèi)星的載波信號 GPS 衛(wèi)星的測距碼信號和導(dǎo)航電文信號都屬于低頻信號，其中 C/A 碼和 P 碼的數(shù)碼率分別為 1.023Mbit/s 與 10.23Mbit/s,而 D 碼（數(shù)據(jù)碼）的數(shù)碼率僅 為 50bit/s。GPS 衛(wèi)星離地面約 2104km，其電能又非常緊張，因此很難將上述 數(shù)碼率很低的信號傳輸?shù)降孛?。解決這一難題的辦

32、法，就是另外發(fā)射一種高頻 信號，并將低頻的測距碼信號和導(dǎo)航電文信號加載到這一高頻信號上，構(gòu)成一 高頻的調(diào)制波發(fā)射給地面。GPS 衛(wèi)星采用 L 頻帶的兩種不同頻率的電磁波作為 高頻信號，分別稱為 L1載波與 L2載波6。 其中：L1載波的頻率f1=1575.42MHz，波長1=19.03cm，其上調(diào)制 C/A 碼、 P 碼以及導(dǎo)航電文；L2載波的頻率f2=1227.6MHz，波長 2=24.42cm，其上僅 調(diào)制 P 碼和導(dǎo)航電文。GPS 衛(wèi)星發(fā)射信號的頻率，都要受衛(wèi)星上原子鐘的基準(zhǔn) 頻率的控制。GPS 微星原子鐘基準(zhǔn)頻率的 1/10，而 L1載波的頻率f1為基準(zhǔn)頻率 154 倍，L2載波的頻率

33、f2則取基準(zhǔn)頻率f0的 120 倍。 2.3 GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航電文 1 2 3 4 5 30s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6s 0.6s 0.02s 子幀4、5含25頁 1個幀含5個子幀 1個子幀含10個字 一個子幀含30bit 圖 2.4 導(dǎo)航電文的組成 導(dǎo)航電文是由 GPS 衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組包含衛(wèi)星在空間的位置、衛(wèi)星狀 態(tài)、衛(wèi)星時鐘的修正參數(shù)、Z 計數(shù)等重要數(shù)據(jù)的二進(jìn)制代碼，它是用戶使用 GPS 進(jìn)行定位時必不可少的數(shù)據(jù)。導(dǎo)航電文的傳輸速率為 50bit/s，它以幀為單位 向外發(fā)送，每個主幀 1500bit，每幀 30s1。如圖 2-3 所示，每個主幀分為 5 個子幀

34、，每個子幀包含 300bit，長度為 6s。每個子幀又可分為 10 個字，每個 字又是由 30bit 組成的。其中第四子幀、第五子幀各有 25 個頁面，需要 750s 才能全部播發(fā)完畢，也就是每 30s 翻轉(zhuǎn)一頁，12.5min 完整地播發(fā)一次，其內(nèi) 容僅僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才得以更新。第一子幀、第二子幀、第三子 幀每隔 30s 重復(fù)一次，其內(nèi)容每小時更新一次，所以在衛(wèi)星定位后可以根據(jù)已 有的導(dǎo)航電文預(yù)測下一段時間導(dǎo)航電文6。 第三章 GPS 信號構(gòu)成 3.1 M 序列 偽隨機(jī)碼又稱偽隨機(jī)序列，是一種可以預(yù)先確定并重復(fù)產(chǎn)生和復(fù)制具有隨 機(jī)統(tǒng)計特性的二進(jìn)制碼序列。在現(xiàn)代工程實(shí)踐中，偽隨機(jī)信

35、號在移動通信、導(dǎo) 航、雷達(dá)和保密通信、通信系統(tǒng)性能的測量等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。例如， 在連續(xù)波雷達(dá)中可用作測距信號，在遙控系統(tǒng)中可用作遙控信號，在多址通信 中可用作地址信號，在數(shù)字通信中可用作群同步信號，還可用作噪聲源以及在 保密通信中的加密作用等。偽隨機(jī)發(fā)生器在測距、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用日益受到 人們重視。 偽隨機(jī)信號與隨機(jī)信號的區(qū)別在于，隨機(jī)信號是不可預(yù)測的，它在將來時 刻的取值只能從統(tǒng)計意義上去描述。偽隨機(jī)序列實(shí)質(zhì)上不是隨機(jī)的，而是收發(fā) 雙方都知道的確定性周期信號。之所以稱其為偽隨機(jī)序列，是因?yàn)樗憩F(xiàn)出白 噪聲采樣序列的統(tǒng)計特性，在不知其生成方法的偵聽者看來像真的隨機(jī)序列一 樣。m序列作為

36、一種基本的序列，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、規(guī)律性和相關(guān)性。 m序列是偽隨機(jī)序列中最重要的一種，是最長線性移位寄存器序列，m序列 易于實(shí)現(xiàn)，它具有優(yōu)良的自相關(guān)特性，是在直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中用于擴(kuò)展要傳 遞的信號。即m序列是由多級移位寄存器構(gòu)成，若 N 為移位寄存器的級數(shù)，n 級移位寄存器共有個狀態(tài)，除去全 0 狀態(tài)外還剩下種狀態(tài)，因此它能產(chǎn)2n21 n 生的最大長度的碼序列為位。產(chǎn)生m序列的線性反饋移位寄存器稱作最長21 n 線性移位寄存器。產(chǎn)生m序列的移位寄存器的電路結(jié)構(gòu)，其反饋線連接不是隨 意的，m序列的周期P也不能取任意值，而必須滿足，式中，n是移位21 n p 寄存器的級數(shù)。 m序列碼發(fā)生器是一種

37、反饋移位型結(jié)構(gòu)的電路，它由n位移位寄存器加異 或反饋網(wǎng)絡(luò)組成，其序列長度，只有一個多余狀態(tài)即全 0 狀態(tài)，所以21 n M 稱為最大線性序列碼發(fā)生器5。 3.1.1 m序列產(chǎn)生的原理 移位寄存器的后續(xù)狀態(tài)可以用當(dāng)前狀態(tài)及特定矩陣來表示，這個矩陣是 階矩陣，稱為 A A 矩陣，A A 矩陣的第r行對應(yīng)移位寄存器第r級反饋輸入狀n n 態(tài)。對于一個n級移位寄存器序列產(chǎn)生器，其 A A 矩陣的第一個元素必定為 1n a 1，否則，該序列發(fā)生器就必然退化為級數(shù)小于n的移位寄存器序列發(fā)生器，一 個n級簡單線性移位寄存器序列發(fā)生器，其 A A 矩陣有如下形式 1231 1 10000 01000 0001

38、0 n n n cccc A 在給定移位寄存器的初始狀態(tài)后，可由 A A 矩陣求出后續(xù)狀態(tài)，即 11111121 22212222 12 ( )(1)(1) ( )(1)(1) ( )(1) ( )(1)(1) n n nnnnnnn xjxjxjaaa xjxjaaaxj X jA X jA aaaxjxjxj A 因此，且 1 ( )(1) n irr r xja xj ()( ) k X jkAX jA 當(dāng)單位矩陣時，有，即移位寄存器中的內(nèi)容在第 k AI()( )X jkX j 個狀態(tài)和第個狀態(tài)是相同的，即序列發(fā)生器從第個狀態(tài)開始，經(jīng)過jjkj 次狀態(tài)轉(zhuǎn)移后，又回到了第個狀態(tài)，產(chǎn)生的序

39、列長度就為。因此，對于最kjk 大長度線性移位寄存器序列發(fā)生器，必然有 （3.1） 21 n N AAI 對于階矩陣 A A，若x為其特征值，則有，由于在二進(jìn)制系統(tǒng) n n 0AxI 中，整理化簡得 11 0AxI （3.2） 12 1231 3 10 nnn n n xC xC xC xCx 定義特征方程和特征多項式分別為 （3.3） 0 ( ) n n r r r F xC x （3.4） 0 ( ) n r r r f xC x 其中。 0 1,1 n CC 3.1.2 m序列的性質(zhì) 擴(kuò)展頻譜通信要求擴(kuò)頻序列應(yīng)具有較好的隨機(jī)特性，而序列既具有一定m 的隨機(jī)特性，又具有一定的周期性，因而它

40、是一種偽隨機(jī)序列，序列應(yīng)具有m 線性疊加特性、均衡特性、游程分布特性和自相關(guān)特性611。 1.線性疊加性 一個m序列與其經(jīng)任意次延遲移位后產(chǎn)生的另一個不同序列 n a 模 2 相加，得到是仍是該m序列的延遲移位序列。例如與向右移 3 位kn a 后的序列逐位模 2 相加后的序列為 ，相當(dāng)于原序列向右移 1 位后的序列，仍是 m 序列。 2.均衡特性 在m序列的每個周期中， “1”碼元出現(xiàn)的數(shù)目為次， “0”碼元出21 n 1 2 n 現(xiàn)的數(shù)目為次，即“0”的出現(xiàn)個數(shù)比“1”的出現(xiàn)個數(shù)少一個。12 1 n 偽隨機(jī)序列的平衡性是指序列中“1”的數(shù)目只比“0” 的數(shù)目多l(xiāng)。碼的 平衡性由碼序列中的直

41、流分量決定。平衡性好，則載波抑制度大，從而有利擴(kuò) 頻通信出現(xiàn)一些穩(wěn)定的信號，從而易于被檢測而導(dǎo)致保密能力的降低。 3.游程分布特性 在序列當(dāng)中，相同的碼元連在一起，稱為一個游程，一般來說，長度為 1 的游程占總數(shù)的 1/2，長度為 2 的游程占總數(shù)的 1/4，依次類推，連“1”的游 程和連“0”的游程各占一半。 1、m序列的一個周期p=2n-1 中游程總數(shù)為 2n-1 。 2、當(dāng) 1游標(biāo)長度kn-1,游程數(shù)目占總數(shù) 2-k； 當(dāng),連 1 和連“0”游程各占一半。12kn 游程長度游程游程數(shù) 411111 30001 2 11，00 2 1 0，1，0，1 4 表 3.1 m序列的游程分布示意圖

42、 4.自相關(guān)特性 在一般情況下，若有兩個相同周期T的序列，那么兩者之間的互相關(guān)系數(shù)定 義為 （3.5） 12 1 dx t x tt T 式中相對于的時間延遲； 2 xt 當(dāng)時，就是自相關(guān)系數(shù)，通俗地說，相關(guān)系數(shù)表示 12 x txt t t 序列和之間的相似程度。對于時元的離散采樣的自相關(guān)系數(shù)為 1 x t 2 xt k t （3.6） 1 1 n kk i tX tX t LP 式中按前述二進(jìn)制信號波形乘積法則進(jìn)行運(yùn)算求得。對于m序列而言，它 的自相關(guān)系數(shù)為： （3.7） 0 1,0, 1, 2 1 tiTP i t tjjj T 等于除部位0和LP的整數(shù)倍以外的任何數(shù) 對于一個周期為的m

43、序列（取值 1 或 0） ，其自相關(guān)函數(shù)如圖 3.121 n p n a n a 所示。由圖可見，當(dāng)時，m序列的自相關(guān)函數(shù)出現(xiàn)峰值 1；當(dāng)偏離0( )R 0 時，相關(guān)函數(shù)曲線很快下降；當(dāng)，相關(guān)函數(shù)值為；當(dāng)時，11p1 pp 又出現(xiàn)峰值；如此周而復(fù)始。當(dāng)周期 P 很大時，m序列的自相關(guān)函數(shù)與白噪聲 類似。這一特性很重要，相關(guān)檢測就是利用這一特性，在有或無信號 相關(guān)函數(shù)值的基礎(chǔ)上識別信號，檢測自相關(guān)函數(shù)值為 1 的碼序列。 從m 序列的自相關(guān)系數(shù)可以看出,m 序列是一個狹義偽隨機(jī)碼。當(dāng)m序列 的移位值為其周期的整數(shù)倍時，其自相關(guān)值取得最大值為 1，移位值取其他值 時，其自相關(guān)值恒為。1 p R R

44、 1 p -11 0 P-1 P+1 p t 圖 3.1 m序列的自相關(guān)函數(shù) 3.1.3 m序列特征多項式確定 n級線性移位寄存器的如圖 2.4 所示，圖中表示反饋線的兩種可能連0 i C 接方式，表示連線接通，第n-i 級輸出加入反饋中。表示連接線斷1 i C 0 i C 開，第級輸出未參加反饋。ni c1c2c3Cn-1 an-1an-2an-3a1a0 C0=1 Cn=1 輸出 圖 3.2 n級線性移位寄存器結(jié)構(gòu) 因此，一般形式的線性反饋邏輯表達(dá)式為 （3.8） 11220 1 n nnnnin i i aC aC aC aC a 將等式左面的移至右面，并將代入上式，則上式可改寫為 n

45、a 00 1 nn aC aC （3.9） 1 1 0 n in i C a 定義一個與上式相對應(yīng)的多項式 （3.10） 1 n i i i F xC x 其中 x 的冪次表示元素的相應(yīng)位置。該式稱為線性反饋移位寄存器的特征 多項式，特征多項式與輸出序列的周期有密切關(guān)系。當(dāng) F(x)滿足下列三個條件 時，就一定能產(chǎn)生m序列： (1) F(x)是不可約的，即不能再分解多項式； (2) F(x)可整除,這里；1 p x 21 n p (3)F(x)不能整除，這里。1 q x qp 可以確定m序列的特征多項式： （3.11） 01 1 n ni ni i f xcc xc xc x 3.1.4 GO

46、LD 組合碼 在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，大都采用線性或非線性移位寄存器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列作 為擴(kuò)頻序列，例如m序列、Gold 序列，因?yàn)樗鼈儾粌H具有理想的隨機(jī)特性，而 且較容易產(chǎn)生。其中，最簡單、最常用的偽隨機(jī)序列是m序列。m序列具有尖 銳的自相關(guān)特性，有較小的互相關(guān)值，碼元平衡。但序列數(shù)目不多，序列復(fù)雜 度不大，這對于采用碼分多址技術(shù)的 GPS 系統(tǒng)是不利的。1976 年 RGold 提出 了新的一類序列：Gold 序列。它的自相關(guān)旁瓣值和互相關(guān)值與m序列的互相關(guān) 值一樣，序列數(shù)目大大增加，序列復(fù)雜度也略有改善，是又一重要的偽隨機(jī)序 列，且在擴(kuò)頻通信等現(xiàn)代通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用811。 Gold 碼是由兩

47、個周期和速率相同的碼元構(gòu)成不同的m序列組合而成。例如， 現(xiàn)在具有相同周期LP=2n-1的兩個m序列：和，則它們構(gòu)成的 Gold 序 X Y 列為 （3.12） GXY 式中：為向左移動了j個碼元的序列，而j= j Y0,1,2,22 n 從式可以看出，由兩個m序列和以及左移j個碼元的，可以 X Y j Y 構(gòu)成，共個 XY 1 XY 2 XY 21 n XY 21 n Gold 序列，連同原序列和，總共有個序列，成為 Gold 序列族。 X Y21 n 從上可見，Gold 碼具有以下特點(diǎn)。 1) Gold 碼的速率和周期與構(gòu)成它的m序列相同。 2) Gold 碼不是m序列，它的互相關(guān)值可以用

48、Anderson 導(dǎo)出的下述公式進(jìn) 行估算 （3.13） 1 2 11 2 1 2LP LP 式中：LP 為 Gold 碼的長度周期。 3) Gold 碼的結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便，具有大量的可用碼型，適宜于碼分多 址的大量用戶需求。N 級移位寄存器能夠產(chǎn)生獨(dú)立的m序列數(shù)目為 （3.14） 21 n n J n 式中：為尤拉函數(shù)，其數(shù)值等于數(shù)值中與為互21 n 0,1,2,22 n 21 n 素的正整數(shù)之個數(shù)。 3.2 C/A 碼 目前，衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中大多采用偽碼擴(kuò)頻技術(shù)。GPS 衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航 信號是將基帶信號先經(jīng)偽隨機(jī)噪聲碼(也稱偽隨機(jī)碼或偽碼)擴(kuò)頻，再對載頻進(jìn) 行 BPSK 調(diào)制形成的信號

49、，采用這種信號格式，可使系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力 和保密性，其關(guān)鍵在于使用了自相關(guān)特性很強(qiáng)的偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)。GPS 系統(tǒng) 中使用了兩種偽隨機(jī)碼，一種是時鐘速率為 10.23MHz 用于精密測距的精確軍 用碼，簡稱 P 碼。另一種是時鐘速率為 1.023MHz 用于分址、搜捕衛(wèi)星信號的粗 捕獲民用碼，簡稱 C/A 碼。它在一個周期中有 l023 個碼位，周期為 1ms。GPS 的 P 碼序列捕獲要求首先捕獲 C/A 碼序列導(dǎo)航電文中的轉(zhuǎn)換碼，以輔助完成捕 獲 P 碼。利用 C/A 碼快速、粗略的進(jìn)行測距，來引導(dǎo) P 碼進(jìn)行精確測距。所以， C/A 碼在 GPS 的導(dǎo)航定位中起著至關(guān)重要的作用8

50、16。 GPS 系統(tǒng)中 P 碼的捕獲通常是利用 C/A 碼來完成的,用戶首先捕獲到 C/A 碼,然 后利用 C/A 碼調(diào)制的導(dǎo)航電文中的握手字(HOW 2hand overword)所提供的 P 碼 信息對 P 碼進(jìn)行捕獲。由于 P 碼在戰(zhàn)爭中顯得十分重要,而且 C/A 碼在民用中也 發(fā)揮了很重要的作用,所以研究并實(shí)現(xiàn) C/A 碼,就有很重要的意義了。C/A 碼是 用于粗測和捕獲的偽隨機(jī)碼。它是m序列的優(yōu)選對組合碼形成的 Gold 碼(簡稱 G 碼)。G 碼是長度相同而且互相關(guān)極大值最小的m序列逐位進(jìn)行模二相加所構(gòu) 成的。改變產(chǎn)生它的兩個m序列的相對位,就可以得到不同的碼。對于長度為 N=2K

51、-1 的m序列,每兩個碼就可以用這種方法產(chǎn)生 N 個不同的 G 碼。在這 N 個 碼中,任何兩個互相關(guān)最大值等于構(gòu)成它們的兩個m序列的互相關(guān)最大值。G 碼 的自相關(guān)旁瓣有起伏,但是,它的峰值不超過相關(guān)最大值。G 碼最主要的優(yōu)點(diǎn)在 于廣泛用于多址通信,這就是 GPS 中 C/A 碼采用的主要原因。 3.2.1 C/A 碼發(fā)生器原理 GPS 中 C/A 碼是 Gold 碼，其序列長度為 1023 位。C/A 碼是由兩個 10 級移 位寄存器產(chǎn)生的m序列 G1 和 G2，經(jīng)模二和后產(chǎn)生的。 Gold 碼的周期和速率與構(gòu)成它的m序列是一致，但是，改變兩個m序列之 間的相位關(guān)系，可以組合成一種新的 Go

52、ld 碼，以致第 j 顆衛(wèi)星的 C/A 碼為 (3.15) 12 10 jjp GtG t GtN 式中：G1G2為構(gòu)成 C/A 碼的m序列； 為下述 P 碼的碼元寬度，且知=1/10.23MHz。 p p Nj為第j顆 GPS 衛(wèi)星 C/A 碼的兩個m序列 G1G2之間的相位偏差系數(shù)，其值 為正整數(shù)，以致不同的 GPS 衛(wèi)星都有不同的 C/A 碼，便于廣大用戶做導(dǎo)航定位 測量時，識別 GPS 衛(wèi)星，捕獲和跟蹤到所需的 GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號。 10級線性反饋移位 寄存器G1 全置“1” 電路 時間基準(zhǔn) 源 10分頻 器 10級線性反饋移位 寄存器G2 平移等價序 列形成電路 C/A碼G1

53、 1.023MHZ 時鐘脈沖 G2f 10.23MHZ 圖 3.3 C/A 碼的生成框圖 如圖（3.3）所示，不同的 GPS 衛(wèi)星，具有不同的 C/A 碼；但是它們的碼率 均為 1.023MHz，它們的周期均為 1ms。在一個 C/A 碼周期內(nèi)具有 1023 個碼元， 換言之，C/A 碼是由兩個 1023bit 的m序列構(gòu)成的，其發(fā)生器如圖所示。圖中 兩個 10 級線性反饋移位寄存器的特征多項式分別為 310 1 1Gxxx (3.16) 2368910 2 1Gxxxxxxx 依據(jù)上列兩個特征多項式，便可生成兩個確定的m序列，其一經(jīng)過平移等 價序列選擇電路（也稱為相位選擇器） ，致使不同的

54、GPS 衛(wèi)星 C/A 發(fā)生器，能夠 產(chǎn)生不同的 C/A 發(fā)生器，亦即，變更為子序列 G2 的輸出模二和。例如，對 PRN01 衛(wèi)星而言，采用第 2.6 級輸出模二和，其輸出若令為，則 PRN01 衛(wèi) 2,6 2 G 星的 C/A 碼為 (3.17) 2,6 2 01 1 PRN C AGG 對 PRN01 衛(wèi)星而言，采用第 3、7 級輸出的模二和，故知 PRN02 衛(wèi)星的 C/A 碼為 (3.18) 3,7 2 02 1 PRN C AGG 由于 G1,G2 兩個m序列均有 1023 個碼元，G2 的平移等價序列便多達(dá) 1023 個，加上不平移的 G2 和 G1 的組合，便可生產(chǎn) 1024 個

55、周期為外圍 1msec 和 1023bit 的 C/A 碼，實(shí)際上只選用其中的 37 個 C/A 碼8。 3.2.2 C/A 碼發(fā)生器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu) C/A 碼發(fā)生器是由兩個 10 級的反饋移位寄存器產(chǎn)生的 G 碼所構(gòu)成的,其產(chǎn) 生的碼長都為 N=210-1=1023，在這兩個反饋移位寄存器分別對應(yīng)兩個m序列 G1 和 G2，它們的特征多項式如式 3.16 所示。其中它們在統(tǒng)一時鐘驅(qū)動下工作， 當(dāng)全局復(fù)位信號到來時,它們被賦于統(tǒng)一初相，各個寄存器使用一個二輸入異或 門或六輸入異或門通過線性反饋方式連接8。通過在 G2 寄存器對應(yīng)位抽取抽頭， 并使各抽頭通過異或產(chǎn)生 G2 序列的不同平移等價序列。其中

56、,抽頭的設(shè)定方式 根據(jù) GPS 衛(wèi)星所規(guī)定的 C/A 碼初相分配表來實(shí)現(xiàn),比如 5 號 GPS 衛(wèi)星規(guī)定相位選 擇為:19，那么對應(yīng) G2 寄存器就設(shè)定一號、九號寄存器的抽頭相互異或,以得 + 到 5 號 GPS 衛(wèi)星的 G2 序列的平移等價序列。得到的序列結(jié)果再和 G1 寄存器輸 出結(jié)果相異或，那么輸出的就是 GPS 衛(wèi)星的 C/A 碼了。具體結(jié)構(gòu)如圖 3.4 所示。 采用不同的抽頭方式?？梢缘玫降?1023 個 G2 序列,同時,再加上 G1、G2 本 身,就可以得到 1025 種結(jié)構(gòu)不同的 C/A 碼，這些 C/A 碼都具有相同的碼長： 1023bits，相同的碼寬： （3.19）us

57、f T98 . 0 1 從這些碼中可以選出 32 種，用以分配給 GPS 衛(wèi)星。由于 C/A 碼碼長短， 每秒可以搜索 1000 次,所以 C/A 碼除了可以做粗測碼,也可以作為 GPS 衛(wèi)星的 捕獲碼。 C/A碼發(fā)生器 系統(tǒng)工作時鐘 RST復(fù)位信號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 計數(shù)器 Counter= 1023 碼時鐘 RET復(fù)位 信號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 G1 G2 OUT COUNTER RST 圖 3.4 C/A 碼發(fā)生結(jié)構(gòu) 3.2.3 C/A 碼的自相關(guān)系數(shù) 自相關(guān)函數(shù)P（t） Pt -Rc Rc 0 Gold碼頻譜 0 -20 -30 -40 -

58、50 123 4 56789 邊帶數(shù) |S(f)|2/Ps P=1023碼元的C/A碼頻譜 |S(f)| 圖 3.5 C/A 碼的自相關(guān)系數(shù)和頻譜 C/A 碼的自相關(guān)系數(shù)等于它及其時延序列乘積的積分平均值，亦即 jj Gt Gt （3.20） 1212 G t Gtk G tGtk 式中：橫線表示對時間的平均值 k表示相位偏差系數(shù)且知10 jp kN 當(dāng)時延時，C/A 碼的自相關(guān)系數(shù)時，C/A 碼的自相關(guān)系數(shù)0 （3.21） 1212 01 g Gt Gtk Gt Gtk 當(dāng)時延時，C/A 碼的自相關(guān)系數(shù)等于構(gòu)成它的兩個m序列的互相關(guān)0 系數(shù)，亦即： （3.22） 12 g Gt Gtn 3.

59、2.4 C/A 碼的互相關(guān)系數(shù) C/A 碼的互相關(guān)系數(shù)等于兩個 C/A 碼序列乘積的積分平均值，亦即 jj g Gt Gt （3.23） 2121 1 t GGtk GtGt 當(dāng)時延時，C/A 碼的互相關(guān)系數(shù)為0 （3.24） 1 0 g LP 當(dāng)時延時，C/A 碼的互相關(guān)系數(shù)等于它的自相關(guān)系數(shù)，即等于m序列0 的互相關(guān)系數(shù)。 綜上可見，C/A 碼具有一千余個可用碼型，能夠給相應(yīng)數(shù)量的衛(wèi)星分配確 定的各自獨(dú)立的 C/A 碼。而且所有的 C/A 碼均具有相同的 1ms 周期和 1023 個碼 元，后者可以是 GPS 信號接收機(jī)僅以較短的時間搜索和捕獲到 GPS 衛(wèi)星發(fā)送的 C/A 碼，快速實(shí)現(xiàn)首

60、次導(dǎo)航定位測量17。 3.3 P 碼 GPS 系統(tǒng)中 P 碼的捕獲通常是先捕獲到 C/ A 碼，然后利用 C/ A 碼調(diào)制 的導(dǎo)航電文中的轉(zhuǎn)接字提供的 P 碼信息對其進(jìn)行捕獲。然而 C/A 碼的碼長短、 碼速率低，易受敵方干擾和欺騙，在強(qiáng)干擾和欺騙環(huán)境下，很難通過 C/ A 碼 來捕獲到 P 碼；因此，直接捕獲 P 碼一直倍受美國軍方的關(guān)注；產(chǎn)生 P 碼并 對其特性進(jìn)行分析對進(jìn)一步研究直接對 P 碼捕獲的接收機(jī)設(shè)計有著重要的意義 5。 P 碼是由兩個載波發(fā)送給 GPS 用戶的另一個偽噪聲碼，是一個具有 2.35E+14 個碼元的特長序列，是美國軍方嚴(yán)格控制使用的保密軍用碼。P 碼的 序列長度為