陳萬通， 李小強

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

基于現(xiàn)代GNSS信號的通信綜合實驗設計

陳萬通1， 李小強2

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

本文針對通信綜合實驗教學，設計了一種以現(xiàn)代衛(wèi)星導航信號為研究對象的綜合實驗項目。該項目依托通信主體理論進行模塊化設計，將偽隨機序列、新型調(diào)制方法、恒包絡復用技術和信道編碼等核心概念通過現(xiàn)代GNSS信號呈現(xiàn)，以前沿技術為導向，培養(yǎng)學生工程實踐能力。實踐表明，該實驗能夠加強學生對基礎理論的學習興趣，增長運用理論知識解決實際問題的能力。

通信工程；實驗設計；全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)

0 引言

通信理論課程群是通信工程專業(yè)課程建設的核心部分，涵蓋“通信原理”，“信息論與編碼”，“無線通信”以及“擴頻通信”等多門課程[1]。通信綜合實驗設計是通信理論課程群教學改革的一個關鍵環(huán)節(jié)，這一實驗設計要以面向社會、以市場需求為導向，以培養(yǎng)當前社會亟需的復合型通信人才為目的，其顯著特征是實驗內(nèi)容具有一定的學科涵蓋性，集多門專業(yè)課的相關知識點于一體[2，3]。因此，通信綜合實驗設計要求實現(xiàn)前沿化、一體化和綜合化。

導航信號是全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)重要的組成部分，攜帶了導航、通信、定位所需的全部信息。其信號的調(diào)制體制、多址方式、電文編碼以及擴頻碼的設計綜合了“通信原理”，“信息論與編碼”以及“擴頻通信”等多門課程的核心內(nèi)容，符合綜合實驗設計對象的要求。加之我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設需要大量熟知導航信號體制和通信方式的人才。因此，以現(xiàn)代GNSS信號為研究對象設計綜合實驗，可以對通信理論課群建設提供示范案例、凸顯實驗教學改革的目標，為復合型人才的培養(yǎng)提供新途徑。

1 通信綜合實驗的總體設計思路

1.1 理論涵蓋性分析

通信綜合實驗設計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干擾、堵塞或欺騙信號干擾。

目前GNSS主要采用CDMA碼分多址識別?；贑DMA的GNSS下行信號產(chǎn)生原理圖1所示。

圖1 GNSS下行信號生成原理框圖

導航信號體制結(jié)構(gòu)主要由調(diào)制載波、擴頻碼、導航電文及相應的調(diào)制方式復用組合而成，具體的信號體制參數(shù)包括：帶寬、擴頻碼碼長、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)制波形決定導航信號的功率譜包絡，而功率譜包絡表明了信號功率譜的全局特征，對信號的碼跟蹤、抗干擾、抗多徑、兼容與互操作性能都有決定性的影響；擴頻碼的自互相關特性影響著導航信號的功率譜密度，與抗干擾、兼容與互操作能力有密切的關系；另外，信號的復用技術可實現(xiàn)一個載波傳輸多個信號，減少星上高功放的非線性損耗，對提高信號傳輸效率有重要的意義。

1.2 模塊化設計

結(jié)合綜合實驗依托對象的特點，以及綜合實驗的涵蓋性，實驗模塊化設計有利于學生在一個模塊中掌握一類主體概念的原理、方法和工程實踐應用。而實際教學中，一類主體概念往往在多門課程中都有涉及，模塊化設計則可以系統(tǒng)地對這些概念進行梳理和整合。以現(xiàn)代GNSS信號為例，可以劃分為四個模塊：①偽隨機序列；②導航信號調(diào)制體制；③恒包絡復用技術；④導航電文編碼。

2 CNSS信號的模塊化設計

2.1 “偽隨機序列”模塊設計

偽隨機序列是GNSS接收機區(qū)分不同衛(wèi)星信號的依據(jù)，也是區(qū)分同一信號不同分量(如數(shù)據(jù)、導頻)的依據(jù)。從早期的m序列、Gold碼到后來的Weil碼、隨機(Random)碼，擴頻碼的自相關/互相關性能的考慮越來越完善，設計的思路也越來越寬。其設計的基本原理是“擴頻通信”課程中重點討論的，在“通信原理”和“移動通信”中也有涉及。這個模塊的設計可以按照m序列、Gold碼、Weil碼、Random碼、Neuman-Hofman (NH)碼的順序進行遞進設計。其中m序列和Gold碼源于早期GPS信號，Weil碼源于GPS L1C信號，Random碼源于Galileo El OS，NH碼為北斗B2信號的二次編碼[4]，學生依據(jù)已有的偽隨機序列的基礎知識，完全可以理解和仿真現(xiàn)代GNSS導航信號。如圖2是學生在研究Random碼的零自相關旁瓣特性時得到的實驗結(jié)果。

圖2 Random碼的零自相關旁瓣特性

2.2 “導航信號調(diào)制體制”模塊設計

調(diào)制方式是貫穿通信類課程的一根主線，也是理論教學的重點和難點。隨著技術發(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，綜合實驗設計需要結(jié)合前沿技術開展相關實驗。以GNSS信號為例，早期的GPS和GLONASS系統(tǒng)信號都采用BPSK調(diào)制。隨著GNSS現(xiàn)代化推進，導航信號體制發(fā)生較大變化。其中，信號調(diào)制方式的改進以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信號選擇了CBOC調(diào)制，Galileo E5a、E5b頻帶導航信號采用AltBOC調(diào)制方式，GPS L1C信號選擇了TMBOC調(diào)制。學生通過研究這些新型GNSS信號的調(diào)制方式以及對應的功率譜，利用已有知識探索前沿技術，達到了“學以致用”的目的。

2.3 “恒包絡復用技術”模塊設計

近年來隨著頻譜資源的日趨緊張和數(shù)據(jù)傳輸速率不斷增長，具有高帶寬效率的恒包絡數(shù)字調(diào)制方式得到了廣泛應用。對于現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，往往在同一載波上復合多個導航信號，以L1頻點為例，GPS Block IIR-M、Block IIR-F衛(wèi)星在該頻點播發(fā)3個導航信號，分別是C/A碼、P(Y)碼、M碼信號；GPS Block III衛(wèi)星還將在該頻點加發(fā)1個L1C信號。此時，如何設計信號調(diào)制方式使其滿足恒包絡特性要求是研究的難點。常用的恒包絡調(diào)制技術主要包含互復用(Interplex)、相干自適應副載波調(diào)制(CASM)、交替二進制偏移載波(AltBOC)、非對稱恒包絡雙邊帶復用(ACED)等。其中，Interplex 技術是由傳統(tǒng)相位調(diào)制技術演進而來。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3dB；CASM和Interplex原理是相同的，在數(shù)學上等價，只是實現(xiàn)方式不同；恒包絡AltBOC是最異乎尋常的GNSS信號之一，為了成為恒包絡信號，它是四路碼片復用組成的復數(shù)信號，而ACED具有對分量的功率分配和碼片波形變化更加靈活的特點。

以CNSS信號為例，在B2頻點上，北斗計劃在頻點B2a(1207.14 MHz)和B2b(1176.45 MHz)分別廣播兩路QPSK信號，這兩路信號承載不同的服務，此時四分量交替二進制偏移載波(AltBOC)是一種可行的解決方法。時分復用和二分量交替二進制偏移載波的聯(lián)合，即TD-AltBOC，也為B2頻段提出。另外，在現(xiàn)代化GNSS信號結(jié)構(gòu)中希望給導頻通道分配更多的能量，以此來增強測量精度和跟蹤魯棒性，比如說GPS L1C信號。然而，AltBOC和TD-AltBOC不具備這樣的性質(zhì)，ACED則可在兩個不同頻率點的譜分裂信號中聯(lián)合不超過四路功率不相等的信號，在譜分裂信號的每個邊帶中包含不超過兩種調(diào)制在正交分量上的碼。

通過上述工程應用，學生對教材中信號復用的約束條件，特別是對信號頻譜分離以及帶內(nèi)和帶外的能量分配會有更深刻的理解。學生進一步通過計算機仿真和利用真實的北斗信號進行實驗驗證，掌握恒包絡多路復用技術的深層內(nèi)涵。

2.4 “導航電文編碼”模塊設計

信道編碼技術是“信息論與編碼”課程的核心講授內(nèi)容，學生對于編碼理論的學習普遍感到枯燥、難懂、缺乏具體應用背景。GNSS信號的編碼方式則為其提供了具體實例，例如早期GPS NAV導航電文采用漢明碼(32,26)編碼，現(xiàn)代化GPS L2C民用信號、L5、L1C以及Galileo采用了CRC-24校驗碼方式。為了提高干擾容限，改善接收機性能，現(xiàn)代GNSS信號都增加了糾錯編碼，例如，在GPS L2C和L5信號中用到碼率為 ，約束長度為7的前向糾錯卷積編碼；在L1C信號中用到BCH(51,8)編碼和低密度奇偶校驗編碼。

教師在通信綜合實驗設計上可以結(jié)合具體的GNSS導航電文，讓學生通過實驗驗證每一種編碼方式的原理以及對其性能進行比較。

3 教學實踐

以現(xiàn)代衛(wèi)星導航信號為例進行通信綜合實驗的設計，是對通信理論課程群建設和實驗改革的一個有益的嘗試。該實驗以我院大四學生為對象進行了實踐，包括課上計算機編程實踐以及課后分組開展的工程訓練項目。

通過教學實踐，學生對通信理論課程群涉及的所有課程及其關系有了整體認識，重新梳理了知識脈絡，加深了對核心原理和概念的理解。以現(xiàn)代GNSS信號為引導，學生的學習興趣明顯增強，在以小組為單位的工程實踐活動中，學生通過互相討論，合理分工，增強了團隊意識。在一些較難的實驗上，通過合作分析和研究，取得了一些有益的實驗結(jié)果，鍛煉了自己理論聯(lián)系實際的能力。模塊化的實驗安排凸顯了每個模塊的主體理論，但又不失模塊之間的聯(lián)系，使學生對知識的體系結(jié)構(gòu)有了深層把握。

4 結(jié)語

本文以現(xiàn)代衛(wèi)星導航信號為例，基于主體教學概念的模塊化思想，開展通信綜合實驗教學，其優(yōu)越之處體現(xiàn)在：①實驗載體將多門課程均涉及的知識點進行了整合和加強；②立足前沿技術，實現(xiàn)學以致用；③學生增強了團隊意識和探索能力；④學生拓寬了行業(yè)視野，增強了行業(yè)競爭力。

(陳萬通等文)

[1] 陳曉娟, 楊明宇. 通信工程專業(yè)課程群的設計[J]. 吉林：東北電力大學學報, 2009, 29(5):28-30.

[2] 丁洪生, 周郴知, 楊志兵, 等. 工程訓練實踐教學體系的改革與創(chuàng)新[J]. 北京：實驗技術與管理, 2005, 21(6):1-4.

[3] 李曉春, 曲曉海, 楊洋, 等. 工程訓練教學改革探索與實踐[J]. 上海：實驗室研究與探索, 2014, 33(1): 229-232.

[4] 嚴昆侖, 章紅平, 張?zhí)嵘? 等. NH碼對新一代GNSS信號捕獲跟蹤的影響[J]. 武漢：武漢大學學報(信息科學版), 2015, (05): 117-122.

[5] 劉基余. BOC調(diào)制打通共用載頻的坦途--GNSS導航信號的收發(fā)問題之一[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

中國民航大學教育教學改革研究課題(C01-0807)；中國民航大學科研啟動基金(2013QD27X)

陳萬通(1986-)，男，博士，講師，主要從事擴頻通信等課程的教學、實驗和科研工作， E-mail：chenbnu@126.com

TN967.1

A

1008-0686(2016)03-0124-04