GPS卫星信号（三）：载波与其调制、解调

一．GPS卫星的基准频率f0

    定义：基准频率由卫星上的原子钟直接产生，频率为10.23MHz，卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频。

 

二．载波信号

1.定义：载波是一种特定频率的无线电波，它能将经过调制的伪码和数据码以正弦波的形式播发出去，所以可把它视为GPS卫星信号的最底层。

每颗GPS卫星用两个L波段频率（即L1和L2）发射载波无线电信号，其中载波L1的频率f1为1575.42MHz，载波L2的频率f2为1227.60MHz。这两个载波频率属于特高频（UHF）波段，而特高频波段在电磁波频谱中的位置见图。对于任一载波，它的频率与f波长λ存在如下关系：   

                                                       λ = c/f  

其中c为光在真空中的速度，其值约等于3×108m/s。根据这一关系就可以推算出载波L1的波长λ1约为19cm，而L2的波长λ2约为24.4cm，与上面基准频率得出的吻合。

 

2.为什么要用到载波

GPS卫星的测距信号和导航电文都属于低频信号，GPS卫星轨道较高，其电能紧张，很难将信号传输到地面，所以只能将低频信号加载到高频载波上。

3.载波的优点：

 **减少拥挤，避免干扰

 **适用于扩频，传送宽带信号

 **卫星高轨运行，能获得较大的多普勒频移

 **大气衰减小，有益于研制用户设备

 

三．伪码、数据码与载波的长度关系

C/A码（或P码）是GPS信号中最重要的一层，其目的之一是用来实现码分多址，目的之二是用来测距，但这种结构固定的伪码必然不能传递任何导航电文数据信息。数据码是GPS信号的第二个层次，它是一列载有导航电文的二进制码。数据码的码率为50比特每秒（即50bps），它采用不归零制的二进制编码方式，产生主峰频宽为100Hz的数据脉冲信号。

    为了区别同时二进制的数据码与伪码，所以下面尽量使用“比特”来表示数据码的0或1；而用“码片”来表示伪码的一个0或1。虽然比特包含有数据信息，而码片没有，但如果仅仅比较一比特与一码片，那么两者之间其实只是码宽不同而已。50bps的数据码码宽Td为20ms，相当于长约6000m。因为C/A码每1ms重复一周期，而数据码一个比特持续20ms，所以在每一数据比特期间C/A码重复20周。需要指出的是，每个数据码比特发生沿时刻均与C/A码的第一个码片发生沿重合。下图描述了伪码、数据码与载波的长度关系：

 

四．卫星信号的调制

1.概念：在数字通讯技术中，为了有效地传播信息，一般均将低频信号加载到高频信号上，这时原低频信号称为调制信号，而加载信号后的载波就成为已调波。

     然而，GPS信号调制，是采用调相技术实现的。

2.GPS测距码信号和数据码信号都是以二进制数为码元的时间序列，有信号波形u（t）和信号序列{u}两种表述方式，分别以码状态±1和码值{0,1}表示：如果当码值取0时，对应的码状态取+1，而码值取1时，对应码状态取-1 。这边引入模二和

 运算规则：1 + 1 = 0； 1 + 0 = 1； 0 + 1 = 1；0 + 0 = 0

 二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则

             -1 × -1 = 1；-1 × 1 = -1； 1 × -1 = -1 ；1 × 1 = 1

3.相位跃迁

  实现码信号与载波信号的调制只需要将码状态与载波相乘即可。当码状态+1与载波相乘时，显然不会改变载波的相位；而当码状态取-1与载波相乘时，载波相位改变180度。这样，当码值由0变为1，或由1变为0时，都会使调制后的载波相位改变180度，称为相位跃迁。

 

    4.卫星信号调制原理

在L1载波上,调制有C/A码、P码（或Y码）的数据码，完整的信号结构为：

在L2载波上，只用P码进行双相调制，其信号结构为：

 

上述式子中，AP，BP，AC分别为P码和C/A码的振幅；Pi（t），C i（t）分别为精测距码（P码）和粗测距码（C/A码）；D i（t）为卫星电文数据流；ωL1，ωL2为载波和的角频率；

φ1，φ2为信号的起始相位。

 

      根据这一原理，GPS工作所需的信号按下图合成，然后向全球发射，形成现在随时随地都能接收到的信号。对用户而言，最感兴趣的是测距码和数据流（导航电文）。

 

五．GPS卫星信号的解调

GPS定位时，用户接收机收到的GPS卫星信号是一种调制波，将接收到的调制波中分离出测距码信号、导航电文信号以及纯净的载波信号，称之为信号的解调。信号的解调主要包括码相关解调技术和平方解调技术。

1.码相关解调技术

      用接收机产生的复制码信号，在同步条件下与卫星发射的测距码信号相乘。复制码信号和测距码信号在经过码相关时延差后可实现完全同步，原先因乘-1而改变的相位，现在又因再乘-1而得到恢复。由于GPS信号接收机不可能复制出导航电文，经过码相关解调技术处理后的载波信号，仍含数据码D（t）。

      在采用相关型波道的GPS信号接收机内通常设置有伪噪声跟踪电路，该电路的功能就是应用码相关解调技术实现信号的解调。若要进一步提取数据码信号D（t），在接收机通道内需设置一载波跟踪环路，该电路可使由接收机石英钟压控振荡器产生的本地载波信号与上述解频而获得纯净的数据码，解释后便得导航电文。

     2.平方解调技术

      由于处于±1状态的调制码信号经平方后均为+1，而不改变载波相位，所以卫星信号平方后可达到解调的目的。

      当用户接收到GPS卫星信号后，首先通过变频得到一相同结构的中频信号，该信号自乘后可消去载波上的测距码信号和数据码信号，达到解调的目的。由于消去了数据码，该技术不能用来恢复导航电文。