3.2 扩频调制

除了传统的GLONASS，几乎所有的卫星导航系统都采用了CDMA多址接入体制，即使是GLONASS，它的现代化信号也开始使用CDMA多址接入体制。卫星导航信号的CDMA多址接入体制是依靠直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS）技术实现的，生成DSSS信号的过程比较简单，如图3.1所示。首先数据码D（t）与伪随机噪声码（PRN）C（t）相乘（二进制异或相加）完成扩频；然后用扩频后的信号去控制高频载波，这个过程通常采用BPSK调制，最后生成高频调制信号。

图3.2描述了DSSS过程中的信号波形，即在时域中数据码经过伪随机噪声码扩频及载波调制后的波形变化。假设数据码D（t）的码宽为T_D，则它的码率f_D为码宽T_D的倒数，即

这种含有信息的数据码的码率称为比特率。如果数据码是经过编码后的一串数据符号（Symbol），则此时的码率又称为数据符号率，单位为符号/秒（Symbol/s）。在现代化的GNSS信号中，数据码在生成之前都经过了某种形式的前向纠错编码（Forward Error Correction, FEC），这样可以对数据进行保护，提高其干扰容限，改善接收机的性能^[17]。

伪随机噪声码C（t）的每个码片的持续时间称为码宽T_C，单位时间内包含的码片数目称为码率f_C，一个周期内所包含的码片数目称为伪随机噪声码长度。显然，码宽T_C与码率f_C互为倒数，即

在GNSS信号中，伪随机噪声码码率f_C通常远大于数据码率f_D，这就是数据码的带宽在与伪随机噪声码相乘后得到扩展的原因。伪随机噪声码码率f_C是卫星导航信号设计过程中的一个重要参数，其数值一般为1.023×10⁶Hz的整数倍，因此将1.023×10⁶Hz称为基准频率，用f₀表示，即

虽然扩频过程使数据码的播发占用了较多的带宽资源，但可以使不同卫星在同一载波频率上同时播发信号而又互不干扰，并且扩频能提升信号对噪声、窄带及多径干扰的抵抗能力。这种性能提升的效果与扩频增益G_p的大小直接相关，G_p通常以dB计数，G_p的计算公式为

在扩频后，信号带宽的扩展使中心频率处的功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）幅值相应降低，扩频后GNSS的信号强度有可能比背景噪声还要低，接收信号的低功率是GNSS信号的一个显著特征。伪随机噪声码除实现扩频功能外，还担负着测距的重要任务，因此GNSS信号中的伪随机噪声码也称为测距码。通过接收机估计接收信号的伪随机噪声码相位，可间接获得信号从卫星到接收机所用的时间，从而获得两者之间的距离，即伪距。

数据码D（t）经伪随机噪声码C（t）扩频后变成一个码率为f_C的基带信号B（t），其可表示为

式中，α_k是码率为f_C的调制数据码D（t）的伪随机噪声码；g_TC（t）称为扩频符号，是一个持续时间为T_C的矩形脉冲，即

数据码D（t）可以认为是随机的，并且伪随机噪声码码率又远大于数据码码率，因而调制数据码的伪随机噪声码α_k具有与伪随机噪声码C（t）相同的相关特性。扩频符号g_TC（t）的波形如图3.3所示，它使得每个二进制数α_k的持续时间为T_C。需要指出的是，并不是所有如式（3-5）所示的数字调制都采用如图3.3所示的矩形形式的扩频符号^[18]。