基于GPS信號(hào)的“擴(kuò)頻通信”教學(xué)方法研究

陳萬(wàn)通， 賈瓊瓊， 王 璐

(中國(guó)民航大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 天津 300300)

基于GPS信號(hào)的“擴(kuò)頻通信”教學(xué)方法研究

陳萬(wàn)通， 賈瓊瓊， 王 璐

(中國(guó)民航大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 天津 300300)

在“擴(kuò)頻通信”課程教學(xué)中，本文提出一種基于GPS信號(hào)的一體化教學(xué)方法?；谲浖邮諜C(jī)平臺(tái)，將偽隨機(jī)碼的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、同步捕獲和跟蹤等復(fù)雜原理用計(jì)算機(jī)進(jìn)行一體化展示，讓學(xué)生系統(tǒng)理解擴(kuò)頻信號(hào)處理流程，大大改善了學(xué)習(xí)效果。學(xué)生通過(guò)軟件平臺(tái)靈活設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)和評(píng)測(cè)不同算法，增長(zhǎng)了運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

擴(kuò)頻通信；一體化教學(xué)方法；GPS信號(hào)

0 引言

“擴(kuò)頻通信”是通信工程專業(yè)高年級(jí)本科生的一門重要專業(yè)課程，講述的內(nèi)容是普遍意義上擴(kuò)頻信號(hào)的處理方法，涉及“信號(hào)與系統(tǒng)”、“通信原理”和“隨機(jī)信號(hào)分析”等多門專業(yè)基礎(chǔ)課[1]。該課程具有系統(tǒng)的理論構(gòu)建和嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，學(xué)生必須完成兩個(gè)層面的學(xué)習(xí)，一是理解課程所涉及的數(shù)學(xué)原理和物理內(nèi)涵，二是綜合運(yùn)用這些基本理論和數(shù)學(xué)工具來(lái)描述和分析擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中涉及的具體問(wèn)題[2]。但是學(xué)生常常由于數(shù)學(xué)運(yùn)算能力不足以及對(duì)物理內(nèi)涵理解不夠深刻而造成對(duì)實(shí)際系統(tǒng)分析的困惑。

為了把抽象的原理可視化，高校教師廣泛采用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)教學(xué)，但目前主要限于復(fù)雜數(shù)學(xué)函數(shù)的運(yùn)算結(jié)果可視化[3-4]。雖然能為擴(kuò)頻通信原理的理解提供一些幫助，但僅著重于個(gè)別概念的解讀。學(xué)生還無(wú)法依托其系統(tǒng)性地感知擴(kuò)頻信號(hào)整個(gè)處理流程，我們認(rèn)為：教學(xué)中迫切需要開發(fā)一個(gè)一體化的開源軟件平臺(tái)，涵蓋擴(kuò)頻信號(hào)產(chǎn)生、調(diào)制和解調(diào)、同步捕獲和跟蹤等主體教學(xué)內(nèi)容。為此，筆者以GPS信號(hào)為導(dǎo)引，以丹麥Aalborg大學(xué)研制的Matlab版本的GPS軟件接收機(jī)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，嘗試面向“擴(kuò)頻通信”的一體化教學(xué)[5]。

GPS系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信的一個(gè)典型應(yīng)用，目前，國(guó)內(nèi)外有諸多開源的GPS軟件接收機(jī)平臺(tái)，用于擴(kuò)頻通信和衛(wèi)星導(dǎo)航相關(guān)領(lǐng)域的科研工作。與傳統(tǒng)的ASIC硬件導(dǎo)航接收機(jī)相比，軟件接收機(jī)能夠通過(guò)軟件參數(shù)配置和模塊編程實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證各種算法，極具靈活性，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GPS軟件接收機(jī)平臺(tái)原理結(jié)構(gòu)圖

1 以GPS信號(hào)為導(dǎo)引的課堂教學(xué)

1.1 偽隨機(jī)碼的性質(zhì)和應(yīng)用

偽隨機(jī)編碼理論是擴(kuò)頻通信中的基本內(nèi)容，包括m序列、Gold序列以及勒讓德序列(L序列)。

GPS系統(tǒng)本質(zhì)上屬于偽隨機(jī)碼測(cè)距系統(tǒng)，m序列對(duì)于測(cè)距來(lái)說(shuō)具有幾乎完美的自相關(guān)函數(shù)，m序列的這一特性使其成為GPS偽隨機(jī)碼的基礎(chǔ)。但因m序列在互相關(guān)特性上較差，產(chǎn)生了Gold序列，GPS C/A碼即屬于Gold碼，由一對(duì)級(jí)數(shù)相同的m序列線性組合而成。GPS P碼并非是Gold碼，它是由兩個(gè)截?cái)嗟膍序列復(fù)合而成的，周期為7天。后續(xù)的GPS L2C、L5C信號(hào)的擴(kuò)頻碼仍然以m序列為基礎(chǔ)，具體來(lái)說(shuō)L2C采用截?cái)鄊序列，L5C是兩個(gè)m序列的組合碼。隨著GPS技術(shù)不斷地推進(jìn)，偽隨機(jī)碼設(shè)計(jì)方面的研究工作也取得了很大進(jìn)展。為改善信號(hào)性能，GPS L1C信號(hào)也選用新的偽碼序列，即基于勒讓德序列的Weil碼[6]。

結(jié)合GPS信號(hào)廣泛采用的偽隨機(jī)編碼進(jìn)行理論教學(xué)，為“擴(kuò)頻通信”的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)偽隨機(jī)碼的自相關(guān)、互相關(guān)、序列長(zhǎng)度和組合方法等知識(shí)的掌握尤為重要。

1.2 擴(kuò)頻通信的處理增益和主要特點(diǎn)

學(xué)生對(duì)于擴(kuò)頻信號(hào)的低功率譜密度和高處理增益缺乏具體和直觀的認(rèn)識(shí)，若以GPS信號(hào)為例，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，即可以增強(qiáng)這方面的感性認(rèn)識(shí)。例如，GPS信號(hào)發(fā)射功率為P=26.8 dBW，GPS衛(wèi)星距離地球2萬(wàn)公里，則GPS信號(hào)在自由空間的衰減為

(1)

考慮到大氣層對(duì)GPS信號(hào)的衰減為-2dB，接收天線的極化損失為-2.4dB，則地面接收信號(hào)的功率為S=26.8-182.4-2-2.4=-160dBW

(2)

而GPS信源速率50bit/s，擴(kuò)頻后帶寬為B=2MHz，常溫下熱力學(xué)溫度為T=290K，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/°K，則熱噪聲功率可計(jì)算如下：

N=kBT=8.004×10-15=-140.97dBW

(3)

進(jìn)而可知信噪比為S/N= -19dB，即信號(hào)功率幾乎為噪聲功率的1/100，但GPS系統(tǒng)依然能夠可靠傳輸導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，這完全得益于擴(kuò)頻信號(hào)具有非常高的碼速率。學(xué)生通過(guò)上述分析，對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)功率譜密度及其處理增益建立了更為直觀的感性認(rèn)識(shí)。

1.3 擴(kuò)頻碼的“同步捕獲”

擴(kuò)頻碼的同步捕獲是一個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，由于缺乏實(shí)例，學(xué)生難以深刻理解其基本步驟和各種方法的優(yōu)劣。GPS信號(hào)的捕獲是擴(kuò)頻碼同步捕獲理論的應(yīng)用，其利用C/A碼的自相關(guān)特性，在對(duì)應(yīng)不同碼相位偏移、不同多普勒偏移的相關(guān)值中找出相關(guān)峰值，從而捕獲衛(wèi)星信號(hào)。GPS軟件接收機(jī)提供了捕獲的Matlab源程序，便于學(xué)生理解捕獲的具體步驟，捕獲結(jié)果最終通過(guò)計(jì)算機(jī)可視化手段以相關(guān)峰方式呈現(xiàn)，形象直觀，如圖2所示。

圖2 GPS信號(hào)的捕獲結(jié)果的可視化

1.4 擴(kuò)頻碼和載波的“同步跟蹤”

擴(kuò)頻碼“同步跟蹤”的理論基礎(chǔ)是延遲鎖定環(huán)路DLL(delay locked loop)，由鑒別器、回路濾波器、壓控振蕩器等組成，載波的“同步跟蹤”與其相似，也是通過(guò)反饋環(huán)路實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤，兩者均是難點(diǎn)。擴(kuò)頻碼跟蹤環(huán)分為相干型DLL和非相干型DLL，載波跟蹤環(huán)路使用Costas環(huán)作為鎖相環(huán)，兩個(gè)環(huán)路相輔相成，完成導(dǎo)航信號(hào)的跟蹤。學(xué)生借助擴(kuò)頻的跟蹤環(huán)路Matlab源碼，可深刻理解同向支路和正交支路的能量轉(zhuǎn)換、不同DLL鑒別器的性能比較、超前碼和滯后碼的實(shí)現(xiàn)過(guò)程以及相干和非相干方法的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比學(xué)習(xí)延遲鎖定環(huán)路的數(shù)學(xué)理論和Costas跟蹤環(huán)的源程序，學(xué)生可以快速掌握“同步跟蹤”方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程和物理機(jī)理。

2 以GPS信號(hào)為引導(dǎo)的工程實(shí)踐

采用軟件無(wú)線電思想的GPS軟件接收機(jī)極具靈活性，對(duì)于教學(xué)而言，也為學(xué)生工程實(shí)踐提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)踐內(nèi)容大致可以分為以下三類。

1)各種算法的性能比較

在擴(kuò)頻通信中，同一信號(hào)處理環(huán)節(jié)存在多種可用算法，軟件接收機(jī)為不同算法的比較提供了便利。

例如，GPS捕獲有三種方法：串行搜索、并行頻域空間搜索、并行碼域空間搜索。三種捕獲在耗時(shí)、復(fù)雜度等方面各有優(yōu)勢(shì)，如表1所示。學(xué)生基于真實(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比，可加深對(duì)于捕獲性能的理解。

表1 三種捕獲算法的計(jì)算性能示例

2)不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)于算法性能的影響

在同步捕獲和跟蹤的相關(guān)算法中，存在諸多參數(shù)，軟件的靈活性可以方便學(xué)生探究各種參數(shù)對(duì)于算法性能的影響。以GPS跟蹤環(huán)路為例，跟蹤精度與中頻等效噪聲帶寬、回路濾波器的等效噪聲帶寬以及信噪比等多個(gè)參數(shù)密切相關(guān)。教材中指出：中頻等效噪聲帶寬越寬，信噪比越低，跟蹤抖動(dòng)越大，但動(dòng)態(tài)性能較好；反之帶寬越窄，信噪比越大，跟蹤精度越高，但環(huán)路動(dòng)態(tài)性能變差。學(xué)生對(duì)此結(jié)論理解困難，但通過(guò)軟件更改參數(shù)配置，對(duì)比觀察跟蹤結(jié)果，則可有效地驗(yàn)證該結(jié)論。

3)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能研究

教材對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析，包括廣義平穩(wěn)干擾、多徑干擾、單頻正弦波干擾、寬帶干擾等多種干擾類型，但缺乏具體實(shí)例。借助信號(hào)模擬器可以得到施加各類干擾的GPS信號(hào)，通過(guò)調(diào)整干擾大小以及更換干擾類型，對(duì)比軟件接收機(jī)給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以驗(yàn)證理論。針對(duì)此環(huán)節(jié)，教師可給出題目和要求，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理任務(wù)和探索性研究。

3 教學(xué)實(shí)踐

本文介紹的基于GPS信號(hào)的“擴(kuò)頻通信”教學(xué)方法已經(jīng)在我院課程教學(xué)中進(jìn)行實(shí)踐，包括課堂上GPS信號(hào)處理案例教學(xué)，以及課后分組開展有關(guān)GPS信號(hào)處理方面的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)。

對(duì)比往屆未采用該教學(xué)方法的課堂教學(xué)，學(xué)生對(duì)擴(kuò)頻通信的學(xué)習(xí)興趣濃厚、課堂氣氛活躍。在工程實(shí)踐活動(dòng)中也涌現(xiàn)出不少好的作品，展現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)造力和進(jìn)取心。例如，一些學(xué)生了解到北斗系統(tǒng)便是基于擴(kuò)頻碼的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，于是自發(fā)開展了基于北斗導(dǎo)航信號(hào)的擴(kuò)頻碼性質(zhì)研究，并結(jié)合教材的匹配濾波器同步捕獲法編寫了北斗B1信號(hào)的同步捕獲程序[7]。

通過(guò)和學(xué)生的交流，筆者對(duì)原GPS軟件接收機(jī)進(jìn)行了一些更改，凸顯了擴(kuò)頻基礎(chǔ)理論的驗(yàn)證，增加了一些仿真實(shí)驗(yàn)，便于任課教師隨堂使用，并放到校園網(wǎng)上供學(xué)生下載。

4 結(jié)語(yǔ)

基于GPS信號(hào)的“擴(kuò)頻通信”教學(xué)方法優(yōu)越之處在于: ①基于軟件平臺(tái)進(jìn)行一體化教學(xué)，使學(xué)生對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)處理流程有了系統(tǒng)性的認(rèn)知，提高了對(duì)核心概念的理解水平; ②理論和實(shí)際緊密聯(lián)系起來(lái)，學(xué)生依托軟件平臺(tái)，通過(guò)靈活修改算法求證理論，增強(qiáng)動(dòng)手能力; ③通過(guò)工程實(shí)踐訓(xùn)練，引導(dǎo)學(xué)生以應(yīng)用的視角和目的來(lái)學(xué)習(xí)“擴(kuò)頻通信”，實(shí)現(xiàn)“學(xué)以致用”; ④激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生提供了自主探索科學(xué)道理的途徑，從“要我探索”變?yōu)椤拔乙剿鳌保詫?shí)踐探索的途徑求取真知。

[1] 田日才. 擴(kuò)頻通信 [M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2007.4

[2] 閆坤.《擴(kuò)頻通信》課程教學(xué)實(shí)踐初探[J]. 北京: 中國(guó)新通信, 2013, (09):19-20

[3] 徐建東, 孫迎春, 王延國(guó), 杜旭. MATLAB仿真在“擴(kuò)頻通信”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用研究[J]. 北京: 中國(guó)電力教育, 2014, (21):66-67(陳萬(wàn)通等文)

[4] 張競(jìng)秋. Matlab/Simulink仿真實(shí)驗(yàn)在擴(kuò)頻通信課程教學(xué)中的應(yīng)用[J] 北京: 科技咨詢, 2010, (31): 236-237

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[6] 左華漢. GNSS偽碼優(yōu)化設(shè)計(jì)[M]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012

[7] 朱建峰, 安建平, 王愛華. 基于衛(wèi)星配對(duì)的北斗系統(tǒng)擴(kuò)頻碼優(yōu)化分配[J]. 北京:導(dǎo)航定位學(xué)報(bào), 2013, 3(9):39-42

Teaching Methods about Spread Spectrum Communication Course Based on GPS Signals

CHEN Wan-tong， JIA Qiong-qiong， WANG Lu

(SchoolofElectronicandInformationEngineeringCivilAviationUniversityofChina，Tianjin300300，China)

In the Spread Spectrum Communication course teaching, a novel teaching method based on GPS signals is proposed. Based on the software receiver platform, we use the computer to carry out an integrated demonstration of the pseudo random code generation, modulation, demodulation, synchronization capture and tracking and other complex principles. This scheme makes the students understand the basis very well and greatly improves the students′ learning effect. Moreover, with the software platform, the experimental parameters and methods can be modified flexibly, thus making the students′ practical ability strengthened.

spread spectrum communication; integrated teaching method; GPS signals

2015-12-27;

2016-02-03

中國(guó)民航大學(xué)科研啟動(dòng)基金(2013QD27X); 中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程專業(yè)綜合改革項(xiàng)目(C01-0807)

陳萬(wàn)通(1986-)，男，博士，講師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航和擴(kuò)頻通信基礎(chǔ)理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研工作，E-mail：chenbnu@126.com

TN911.71

A

1008-0686(2016)03-0094-04