陳萬(wàn)通， 李小強(qiáng)

(1.中國(guó)民航大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 天津 300300) (2.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100191)

基于現(xiàn)代GNSS信號(hào)的通信綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳萬(wàn)通1， 李小強(qiáng)2

(1.中國(guó)民航大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 天津 300300) (2.北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院, 北京 100191)

本文針對(duì)通信綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，設(shè)計(jì)了一種以現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)為研究對(duì)象的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目依托通信主體理論進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將偽隨機(jī)序列、新型調(diào)制方法、恒包絡(luò)復(fù)用技術(shù)和信道編碼等核心概念通過(guò)現(xiàn)代GNSS信號(hào)呈現(xiàn)，以前沿技術(shù)為導(dǎo)向，培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力。實(shí)踐表明，該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣訌?qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)興趣，增長(zhǎng)運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

通信工程；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

0 引言

通信理論課程群是通信工程專業(yè)課程建設(shè)的核心部分，涵蓋“通信原理”，“信息論與編碼”，“無(wú)線通信”以及“擴(kuò)頻通信”等多門課程[1]。通信綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是通信理論課程群教學(xué)改革的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要以面向社會(huì)、以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以培養(yǎng)當(dāng)前社會(huì)亟需的復(fù)合型通信人才為目的，其顯著特征是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容具有一定的學(xué)科涵蓋性，集多門專業(yè)課的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)于一體[2，3]。因此，通信綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)前沿化、一體化和綜合化。

導(dǎo)航信號(hào)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)重要的組成部分，攜帶了導(dǎo)航、通信、定位所需的全部信息。其信號(hào)的調(diào)制體制、多址方式、電文編碼以及擴(kuò)頻碼的設(shè)計(jì)綜合了“通信原理”，“信息論與編碼”以及“擴(kuò)頻通信”等多門課程的核心內(nèi)容，符合綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)象的要求。加之我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)需要大量熟知導(dǎo)航信號(hào)體制和通信方式的人才。因此，以現(xiàn)代GNSS信號(hào)為研究對(duì)象設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)，可以對(duì)通信理論課群建設(shè)提供示范案例、凸顯實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的目標(biāo)，為復(fù)合型人才的培養(yǎng)提供新途徑。

1 通信綜合實(shí)驗(yàn)的總體設(shè)計(jì)思路

1.1 理論涵蓋性分析

通信綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)必須具有足夠的理論涵蓋性，凸顯其“綜合”特征。以現(xiàn)代GNSS信號(hào)為例，其具有的功能和特性為：①確保系統(tǒng)精度，完成衛(wèi)星的多址區(qū)分；②能在一定程度的多徑干擾下正常工作；③能允許一定電平的隨機(jī)干擾、堵塞或欺騙信號(hào)干擾。

目前GNSS主要采用CDMA碼分多址識(shí)別。基于CDMA的GNSS下行信號(hào)產(chǎn)生原理圖1所示。

圖1 GNSS下行信號(hào)生成原理框圖

導(dǎo)航信號(hào)體制結(jié)構(gòu)主要由調(diào)制載波、擴(kuò)頻碼、導(dǎo)航電文及相應(yīng)的調(diào)制方式復(fù)用組合而成，具體的信號(hào)體制參數(shù)包括：帶寬、擴(kuò)頻碼碼長(zhǎng)、碼型、碼速率、碼結(jié)構(gòu)、信息速率和調(diào)制波形等。其中，調(diào)制波形決定導(dǎo)航信號(hào)的功率譜包絡(luò)，而功率譜包絡(luò)表明了信號(hào)功率譜的全局特征，對(duì)信號(hào)的碼跟蹤、抗干擾、抗多徑、兼容與互操作性能都有決定性的影響；擴(kuò)頻碼的自互相關(guān)特性影響著導(dǎo)航信號(hào)的功率譜密度，與抗干擾、兼容與互操作能力有密切的關(guān)系；另外，信號(hào)的復(fù)用技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一個(gè)載波傳輸多個(gè)信號(hào)，減少星上高功放的非線性損耗，對(duì)提高信號(hào)傳輸效率有重要的意義。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)

結(jié)合綜合實(shí)驗(yàn)依托對(duì)象的特點(diǎn)，以及綜合實(shí)驗(yàn)的涵蓋性，實(shí)驗(yàn)?zāi)K化設(shè)計(jì)有利于學(xué)生在一個(gè)模塊中掌握一類主體概念的原理、方法和工程實(shí)踐應(yīng)用。而實(shí)際教學(xué)中，一類主體概念往往在多門課程中都有涉及，模塊化設(shè)計(jì)則可以系統(tǒng)地對(duì)這些概念進(jìn)行梳理和整合。以現(xiàn)代GNSS信號(hào)為例，可以劃分為四個(gè)模塊：①偽隨機(jī)序列；②導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制體制；③恒包絡(luò)復(fù)用技術(shù)；④導(dǎo)航電文編碼。

2 CNSS信號(hào)的模塊化設(shè)計(jì)

2.1 “偽隨機(jī)序列”模塊設(shè)計(jì)

偽隨機(jī)序列是GNSS接收機(jī)區(qū)分不同衛(wèi)星信號(hào)的依據(jù)，也是區(qū)分同一信號(hào)不同分量(如數(shù)據(jù)、導(dǎo)頻)的依據(jù)。從早期的m序列、Gold碼到后來(lái)的Weil碼、隨機(jī)(Random)碼，擴(kuò)頻碼的自相關(guān)/互相關(guān)性能的考慮越來(lái)越完善，設(shè)計(jì)的思路也越來(lái)越寬。其設(shè)計(jì)的基本原理是“擴(kuò)頻通信”課程中重點(diǎn)討論的，在“通信原理”和“移動(dòng)通信”中也有涉及。這個(gè)模塊的設(shè)計(jì)可以按照m序列、Gold碼、Weil碼、Random碼、Neuman-Hofman (NH)碼的順序進(jìn)行遞進(jìn)設(shè)計(jì)。其中m序列和Gold碼源于早期GPS信號(hào)，Weil碼源于GPS L1C信號(hào)，Random碼源于Galileo El OS，NH碼為北斗B2信號(hào)的二次編碼[4]，學(xué)生依據(jù)已有的偽隨機(jī)序列的基礎(chǔ)知識(shí)，完全可以理解和仿真現(xiàn)代GNSS導(dǎo)航信號(hào)。如圖2是學(xué)生在研究Random碼的零自相關(guān)旁瓣特性時(shí)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 Random碼的零自相關(guān)旁瓣特性

2.2 “導(dǎo)航信號(hào)調(diào)制體制”模塊設(shè)計(jì)

調(diào)制方式是貫穿通信類課程的一根主線，也是理論教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。隨著技術(shù)發(fā)展，新的調(diào)制方式層出不窮，目前教材主要涉及最基本的調(diào)制方法，綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要結(jié)合前沿技術(shù)開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)。以GNSS信號(hào)為例，早期的GPS和GLONASS系統(tǒng)信號(hào)都采用BPSK調(diào)制。隨著GNSS現(xiàn)代化推進(jìn)，導(dǎo)航信號(hào)體制發(fā)生較大變化。其中，信號(hào)調(diào)制方式的改進(jìn)以BOC調(diào)制方式及其衍生的MBOC和AltBOC調(diào)制方式為代表[5]。例如，Galileo E1 OS信號(hào)選擇了CBOC調(diào)制，Galileo E5a、E5b頻帶導(dǎo)航信號(hào)采用AltBOC調(diào)制方式，GPS L1C信號(hào)選擇了TMBOC調(diào)制。學(xué)生通過(guò)研究這些新型GNSS信號(hào)的調(diào)制方式以及對(duì)應(yīng)的功率譜，利用已有知識(shí)探索前沿技術(shù)，達(dá)到了“學(xué)以致用”的目的。

2.3 “恒包絡(luò)復(fù)用技術(shù)”模塊設(shè)計(jì)

近年來(lái)隨著頻譜資源的日趨緊張和數(shù)據(jù)傳輸速率不斷增長(zhǎng)，具有高帶寬效率的恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制方式得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，往往在同一載波上復(fù)合多個(gè)導(dǎo)航信號(hào)，以L1頻點(diǎn)為例，GPS Block IIR-M、Block IIR-F衛(wèi)星在該頻點(diǎn)播發(fā)3個(gè)導(dǎo)航信號(hào)，分別是C/A碼、P(Y)碼、M碼信號(hào)；GPS Block III衛(wèi)星還將在該頻點(diǎn)加發(fā)1個(gè)L1C信號(hào)。此時(shí)，如何設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)制方式使其滿足恒包絡(luò)特性要求是研究的難點(diǎn)。常用的恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)主要包含互復(fù)用(Interplex)、相干自適應(yīng)副載波調(diào)制(CASM)、交替二進(jìn)制偏移載波(AltBOC)、非對(duì)稱恒包絡(luò)雙邊帶復(fù)用(ACED)等。其中，Interplex 技術(shù)是由傳統(tǒng)相位調(diào)制技術(shù)演進(jìn)而來(lái)。相比傳統(tǒng)系統(tǒng)，其利用正交相位調(diào)制，互調(diào)損失更少并且在傳統(tǒng)系統(tǒng)上稍加修改即可用在現(xiàn)有的硬件上，最大改善可達(dá)3dB；CASM和Interplex原理是相同的，在數(shù)學(xué)上等價(jià)，只是實(shí)現(xiàn)方式不同；恒包絡(luò)AltBOC是最異乎尋常的GNSS信號(hào)之一，為了成為恒包絡(luò)信號(hào)，它是四路碼片復(fù)用組成的復(fù)數(shù)信號(hào)，而ACED具有對(duì)分量的功率分配和碼片波形變化更加靈活的特點(diǎn)。

以CNSS信號(hào)為例，在B2頻點(diǎn)上，北斗計(jì)劃在頻點(diǎn)B2a(1207.14 MHz)和B2b(1176.45 MHz)分別廣播兩路QPSK信號(hào)，這兩路信號(hào)承載不同的服務(wù)，此時(shí)四分量交替二進(jìn)制偏移載波(AltBOC)是一種可行的解決方法。時(shí)分復(fù)用和二分量交替二進(jìn)制偏移載波的聯(lián)合，即TD-AltBOC，也為B2頻段提出。另外，在現(xiàn)代化GNSS信號(hào)結(jié)構(gòu)中希望給導(dǎo)頻通道分配更多的能量，以此來(lái)增強(qiáng)測(cè)量精度和跟蹤魯棒性，比如說(shuō)GPS L1C信號(hào)。然而，AltBOC和TD-AltBOC不具備這樣的性質(zhì)，ACED則可在兩個(gè)不同頻率點(diǎn)的譜分裂信號(hào)中聯(lián)合不超過(guò)四路功率不相等的信號(hào)，在譜分裂信號(hào)的每個(gè)邊帶中包含不超過(guò)兩種調(diào)制在正交分量上的碼。

通過(guò)上述工程應(yīng)用，學(xué)生對(duì)教材中信號(hào)復(fù)用的約束條件，特別是對(duì)信號(hào)頻譜分離以及帶內(nèi)和帶外的能量分配會(huì)有更深刻的理解。學(xué)生進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和利用真實(shí)的北斗信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，掌握恒包絡(luò)多路復(fù)用技術(shù)的深層內(nèi)涵。

2.4 “導(dǎo)航電文編碼”模塊設(shè)計(jì)

信道編碼技術(shù)是“信息論與編碼”課程的核心講授內(nèi)容，學(xué)生對(duì)于編碼理論的學(xué)習(xí)普遍感到枯燥、難懂、缺乏具體應(yīng)用背景。GNSS信號(hào)的編碼方式則為其提供了具體實(shí)例，例如早期GPS NAV導(dǎo)航電文采用漢明碼(32,26)編碼，現(xiàn)代化GPS L2C民用信號(hào)、L5、L1C以及Galileo采用了CRC-24校驗(yàn)碼方式。為了提高干擾容限，改善接收機(jī)性能，現(xiàn)代GNSS信號(hào)都增加了糾錯(cuò)編碼，例如，在GPS L2C和L5信號(hào)中用到碼率為 ，約束長(zhǎng)度為7的前向糾錯(cuò)卷積編碼；在L1C信號(hào)中用到BCH(51,8)編碼和低密度奇偶校驗(yàn)編碼。

教師在通信綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上可以結(jié)合具體的GNSS導(dǎo)航電文，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證每一種編碼方式的原理以及對(duì)其性能進(jìn)行比較。

3 教學(xué)實(shí)踐

以現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)為例進(jìn)行通信綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，是對(duì)通信理論課程群建設(shè)和實(shí)驗(yàn)改革的一個(gè)有益的嘗試。該實(shí)驗(yàn)以我院大四學(xué)生為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)踐，包括課上計(jì)算機(jī)編程實(shí)踐以及課后分組開(kāi)展的工程訓(xùn)練項(xiàng)目。

通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生對(duì)通信理論課程群涉及的所有課程及其關(guān)系有了整體認(rèn)識(shí)，重新梳理了知識(shí)脈絡(luò)，加深了對(duì)核心原理和概念的理解。以現(xiàn)代GNSS信號(hào)為引導(dǎo)，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣明顯增強(qiáng)，在以小組為單位的工程實(shí)踐活動(dòng)中，學(xué)生通過(guò)互相討論，合理分工，增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)意識(shí)。在一些較難的實(shí)驗(yàn)上，通過(guò)合作分析和研究，取得了一些有益的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鍛煉了自己理論聯(lián)系實(shí)際的能力。模塊化的實(shí)驗(yàn)安排凸顯了每個(gè)模塊的主體理論，但又不失模塊之間的聯(lián)系，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的體系結(jié)構(gòu)有了深層把握。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)為例，基于主體教學(xué)概念的模塊化思想，開(kāi)展通信綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其優(yōu)越之處體現(xiàn)在：①實(shí)驗(yàn)載體將多門課程均涉及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了整合和加強(qiáng)；②立足前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用；③學(xué)生增強(qiáng)了團(tuán)隊(duì)意識(shí)和探索能力；④學(xué)生拓寬了行業(yè)視野，增強(qiáng)了行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

(陳萬(wàn)通等文)

[1] 陳曉娟, 楊明宇. 通信工程專業(yè)課程群的設(shè)計(jì)[J]. 吉林：東北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(5):28-30.

[2] 丁洪生, 周郴知, 楊志兵, 等. 工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)體系的改革與創(chuàng)新[J]. 北京：實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2005, 21(6):1-4.

[3] 李曉春, 曲曉海, 楊洋, 等. 工程訓(xùn)練教學(xué)改革探索與實(shí)踐[J]. 上海：實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2014, 33(1): 229-232.

[4] 嚴(yán)昆侖, 章紅平, 張?zhí)嵘? 等. NH碼對(duì)新一代GNSS信號(hào)捕獲跟蹤的影響[J]. 武漢：武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版), 2015, (05): 117-122.

[5] 劉基余. BOC調(diào)制打通共用載頻的坦途--GNSS導(dǎo)航信號(hào)的收發(fā)問(wèn)題之一[J]. 北京：數(shù)字通信世界, 2013, (08): 38-43.

Integrated Communication Experiment Design Based on Modern GNSS Signals

CHEN Wan-tong1， LI Xiao-qiang2

(1.SchoolofElectronicandInformationEngineering，CivilAviationUniversityofChina，Tianjin300300，China) (2.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China)

Based on the experimental teaching of communication theory, an integrated project is designed, in which modern satellite navigation signals are studied as the research object. The project achieves the modular design for the main communication theories and presents several core concepts including the pseudo-random sequence, the new modulation method, constant envelope multiplexing, channel coding by modern satellite navigation signals, thus training the students' engineering practice abilities with the guidance of cutting-edge technology. The teaching practice shows that this can strengthen the interest of students in learning basic theory and improve the ability to solve practical problems by utilizing the theoretical knowledge.

communication engineering; experimental design; global navigation satellite system (GNSS)

2015-04-12;

2016-05-02

中國(guó)民航大學(xué)教育教學(xué)改革研究課題(C01-0807)；中國(guó)民航大學(xué)科研啟動(dòng)基金(2013QD27X)

陳萬(wàn)通(1986-)，男，博士，講師，主要從事擴(kuò)頻通信等課程的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和科研工作， E-mail：chenbnu@126.com

TN967.1

A

1008-0686(2016)03-0124-04