GPS案例貫穿“通信原理”課程教學(xué)過程的探索

孫興麗

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引言

“通信原理”是通信工程、信息工程等信息類專業(yè)一門非常重要的核心基礎(chǔ)課，該課程的學(xué)習(xí)為以后的“移動通信”、“光纖通信”、“擴頻通信”、“衛(wèi)星通信”、“計算機網(wǎng)絡(luò)”等課程的學(xué)習(xí)奠定了重要的基礎(chǔ)，也是許多高校研究生入學(xué)考試的課程之一[1-3]。

“通信原理”課程理論性強，內(nèi)容豐富，概念抽象，公式推導(dǎo)復(fù)雜，涉及“高等數(shù)學(xué)”、“概率論與數(shù)理統(tǒng)計”、“信號與系統(tǒng)”、“高頻電子線路”和“隨機信號分析”等多門先修課程的大量內(nèi)容。該課程屬于專業(yè)基礎(chǔ)課，既有專業(yè)課程的專業(yè)背景，又有基礎(chǔ)課程的理論難度，教師如果講解不透徹，往往會使得課程的應(yīng)用背景不能夠清晰明白地展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生感覺和實際結(jié)合不緊密，容易失去興趣[4]。

許多高校實際上都開設(shè)有“通信原理”課程實驗，力求使理論與實踐結(jié)合，這既有助于加強學(xué)生對理論知識的掌握，又可以培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。然而所有實驗基本上都是針對某一個知識點進行設(shè)計和實現(xiàn)的，在掌握這些單一的知識點的同時，學(xué)生很難建立起系統(tǒng)級的概念[5]。因而，不利于學(xué)生掌握通信系統(tǒng)整體概念。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)是通信系統(tǒng)的一個典型應(yīng)用。為了讓學(xué)生更好地掌握通信系統(tǒng)的概念體系，筆者結(jié)合自己近幾年的科研情況，以應(yīng)用范圍最廣、系統(tǒng)最穩(wěn)定、最成熟的全球定位系統(tǒng)(GPS)作為通信系統(tǒng)工程案例，引入到“通信原理”的教學(xué)過程中。之所以選擇GPS作為教學(xué)案例，是因為：一方面是GPS涵蓋通信系統(tǒng)一般的模型，包括信源、調(diào)制、解調(diào)、同步等主體教學(xué)內(nèi)容；另一方面是許多學(xué)生手機上都帶有GPS模塊，理論和實際應(yīng)用聯(lián)系非常緊密。

本文首先分析了“通信原理”課程教學(xué)存在的問題，然后將GPS工程案例貫穿于“通信原理”課程教學(xué)過程方面進行一些探索。

1 以GPS接收機為案例的探索

針對“通信原理”這門課程，筆者嘗試通過GPS信號處理流程，將盡可能多的“通信原理”知識點涵蓋進去，這些知識點不是簡單的堆積而是系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。通過對GPS工程案例的分析，可以在系統(tǒng)的角度上理解學(xué)習(xí)的內(nèi)容。圖1給出了基于GPS工程案例的完整的通信系統(tǒng)框圖。

圖1 基于GPS工程案例的系統(tǒng)框圖

該框圖包含了“通信原理”很多知識點，例如，信源、信道、調(diào)制及解調(diào)、同步捕獲和跟蹤、信宿等內(nèi)容。首先，我們給學(xué)生介紹各知識點在此系統(tǒng)中起到的作用，揭示學(xué)習(xí)此知識點的目的，使學(xué)生全局性地理解待學(xué)習(xí)的知識點在通信系統(tǒng)中具體發(fā)揮的“功能”。到最后，我們就可以將各個知識點連接起來，最終實現(xiàn)基于GPS工程案例的整個關(guān)于“通信原理”課程的教學(xué)。

為了更便于學(xué)生從全局把握通信系統(tǒng)的特征，筆者在講課時，基于Matlab軟件仿真平臺構(gòu)建了GPS系統(tǒng)接收機?；谲浖o線電思想的GPS接收機具有易修改、易擴展、成本低、開發(fā)周期短等優(yōu)點，已成為GPS信號處理算法的最佳接收機方案，所以本文的GPS接收機算法驗證都是基于軟件接收機平臺。以丹麥 Aalborg 大學(xué)研制的Matlab 版本的 GPS 軟件接收機為實驗平臺[7]。

1.1 信源

傳統(tǒng)GPS衛(wèi)星信號發(fā)射的信號從結(jié)構(gòu)上可分為三個層次：載波、偽隨機碼和導(dǎo)航電文[8]。

數(shù)據(jù)碼首先與偽隨機碼異或相加而形成擴頻組合碼，然后擴頻組合碼再通過相移鍵控(BPSK)對載波進行調(diào)制。GPS衛(wèi)星發(fā)射的L1頻點C/A碼信號結(jié)構(gòu)可表示為

Si(t)=AL1Ci(t)Di(t)sin(2πfL1t+θL1)

(1)

其中，偽隨機碼是在數(shù)字通信技術(shù)中具有十分重要的作用，廣泛應(yīng)用于碼分多址通信、誤碼率測量和擴頻通信等領(lǐng)域。

1.2 信道

信道是連接發(fā)送端和接收端通信設(shè)備的媒介，其功能是將信號從發(fā)送端傳送到接收端。GPS信號是經(jīng)過無線信道進行傳播的。

無線信道中信號的傳輸是利用電磁波在空間的傳播來實現(xiàn)的。原則上任何頻率的電磁波都可以使用。但是為了有效的發(fā)射或接收電磁波，要求天線的尺寸不小于電磁波波長的1/10。頻率過低，波長過大，則天線難于實現(xiàn)。所以用于通信的電磁波頻率都比較高。根據(jù)通信距離、頻率和位置的不同，電磁波傳播主要分為地波、天波和視線傳播三種。

因為GPS衛(wèi)星的L1信號頻率是1575.42 MHz,屬于特高頻，是視線傳播，對應(yīng)的波長和頻率的換算公式為

(2)

因此GPS接收機的天線尺寸可以做得很小， 比如：手機里的GPS內(nèi)置天線，在教學(xué)過程中，可以打開手機讓學(xué)生現(xiàn)場感受。

因為電磁波的頻率越高，傳播距離越遠，傳播衰減越嚴(yán)重。目前，GPS衛(wèi)星對調(diào)制有C/A碼的L1載波信號的發(fā)射功率為26.8 W。GPS衛(wèi)星距離地面2萬多公里，則GPS信號在自由空間的傳播損耗約為

=3.587×10-19=-184.45 dB

(3)

考慮到大氣衰減為-2 dB，接收天線增益為1，發(fā)射天線增益為12.1 dB，則地面接收的GPS信號功率為

PR=101g26.8+12.1-184.45-2.0

=-160.07 dBW=10-16W

(4)

通過計算GPS信號在自由空間的傳播損耗，使學(xué)生直觀感受公式(2)和(3)數(shù)值的大小，明白傳播損耗與傳播距離和信號頻率(波長)有直接關(guān)系，傳播距離越遠，信號頻率越大，傳播損耗越嚴(yán)重。

1.3 BPSK調(diào)制基本原理

BPSK是“通信原理”數(shù)字調(diào)制一章中的基本內(nèi)容。而GPS是典型的BPSK調(diào)制方式。教學(xué)思路是教師先通過多媒體和板書講解BPSK調(diào)制的基本原理，引發(fā)學(xué)生的好奇心和探究的愿望。再利用 Matlab對GPS信號BPSK調(diào)制進行現(xiàn)場演示，最大程度地激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，最后在教師引導(dǎo)下，讓學(xué)生參與到分析和討論中，把BPSK與其他工程實踐聯(lián)系起來。

具體說來，BPSK是一種簡單的數(shù)字信號調(diào)制方式，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)字信號是0或是1時，載波分別以它原來的相位或是180°相位反轉(zhuǎn)的方式傳播。BPSK信號可以看作是未調(diào)制的RF載波和數(shù)據(jù)波的乘積，下圖2為數(shù)據(jù)碼是{1,0,1,0,1,0,0,1}的時域波形，圖3是經(jīng)過BPSK調(diào)制后的波形。

圖2 數(shù)據(jù)信號時域波形

圖3 BPSK調(diào)制后的信號波形

通過理論講解，再在課堂上給出Matlab具體程序及圖形，使學(xué)生深一層次地理解BPSK調(diào)制的具體知識點，達到將理論應(yīng)用于實踐的目的。

1.4 同步解調(diào)

在通信系統(tǒng)，同步是一個非常重要的問題，如果單純的在課堂講解理論知識，學(xué)生會覺得枯燥乏味，不容易理解，達不到教學(xué)目的。為了使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)同步原理，筆者先講解同步的基本原理，再結(jié)合GPS接收機進行實際仿真操作。

跟蹤GPS信號需要兩個相互依賴的跟蹤環(huán)，一個用于跟蹤載波的載波跟蹤環(huán)；另一個用于跟蹤C/A碼相位的碼跟蹤環(huán)。載波跟蹤環(huán)使用Costas環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 載波跟蹤環(huán)路

碼跟蹤環(huán)主要是使用延遲鎖定環(huán)。兩個環(huán)路緊密地交織在一起相互支持，共同完成GPS導(dǎo)航信號的跟蹤。因此為了讓學(xué)生更好掌握載波同步和碼元同步的實現(xiàn)，首先向?qū)W生分別講解載波跟蹤環(huán)路和碼跟蹤環(huán)路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和信號流程，使學(xué)生掌握載波同步和碼元同步的基本原理和具體編寫方法，在此基礎(chǔ)上在Matlab平臺上實現(xiàn)GPS信號的跟蹤程序，使學(xué)生更好地理解在實際信號同步中載波環(huán)和碼跟蹤環(huán)是有機組合的。通過對比學(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方法的實現(xiàn)原理和物理機理。

2 教學(xué)實踐

筆者結(jié)合自己參與的GPS軟件接收機研究，將實際工程案例引入“通信原理”課堂，使學(xué)生從系統(tǒng)的角度上了解了通信系統(tǒng)的架構(gòu)，該教學(xué)方法已經(jīng)在我院“通信原理”課程教學(xué)中實施了，包括課堂GPS信號仿真處理案例教學(xué)，以及課后對學(xué)有余力的學(xué)生開展有關(guān)GPS信號捕獲、跟蹤和定位等處理的實驗。和往屆未采用工程案例教學(xué)方法的課堂教學(xué)對比，本屆學(xué)生對“通信原理”課程的學(xué)習(xí)熱情高漲，學(xué)習(xí)興趣非常濃厚，學(xué)生從被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃訉W(xué)習(xí)。例如，一些學(xué)生主動在實驗室里采集中國北斗衛(wèi)星的信號并對真實數(shù)據(jù)進行了同步處理，他們還在GPS軟件接收機原有程序的基礎(chǔ)上通過修改，完成了北斗信號的捕獲和跟蹤程序。再如，通過和學(xué)生的不斷交流，筆者對原 GPS 軟件接收機進行了修改，盡可能添加一些對“通信原理”理論知識的驗證，通過增加仿真實驗，便于學(xué)生課后進行理論驗證。

3 結(jié)語

“通信原理”課程是信息類專業(yè)本科階段的一門重要課程，同時也是一門教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程。該課程理論性強，很多理論知識和技能必須在實踐中理解和掌握，才能達到學(xué)以致用的目的，從而提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，是十分有意義的。

筆者結(jié)合自己研究的領(lǐng)域，以GPS 軟件接收機為導(dǎo)引，將工程案例引入“通信原理”課堂。對于教師來說，將科研課題的研究與教學(xué)相結(jié)合，使教學(xué)內(nèi)容更加貼近工程實踐，對于幫助學(xué)生了解和掌握科學(xué)前沿知識起到了積極的作用。而對于學(xué)生來說，理論和實踐聯(lián)系緊密，可以加深其對通信系統(tǒng)的認識，激發(fā)其對“通信原理”課程進一步學(xué)習(xí)的興趣；增強其動手能力和解決實際問題的能力，提高其專業(yè)知識的綜合應(yīng)用能力和完整通信系統(tǒng)的設(shè)計能力；通過工程案例，我們引導(dǎo)學(xué)生以應(yīng)用的視角和目的來學(xué)習(xí)“通信原理”課程，達到了學(xué)以致用的目的。