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(lèi)專(zhuān)業(yè)一門(mén)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(dòng)通信”、“光纖通信”、“擴(kuò)頻通信”、“衛(wèi)星通信”、“計(jì)算機(jī)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(qiáng)，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(jì)”、“信號(hào)與系統(tǒng)”、“高頻電子線(xiàn)路”和“隨機(jī)信號(hào)分析”等多門(mén)先修課程的大量?jī)?nèi)容。該課程屬于專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，既有專(zhuān)業(yè)課程的專(zhuān)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(huì)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(jué)和實(shí)際結(jié)合不緊密，容易失去興趣[4]。

許多高校實(shí)際上都開(kāi)設(shè)有“通信原理”課程實(shí)驗(yàn)，力求使理論與實(shí)踐結(jié)合，這既有助于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的掌握，又可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。然而所有實(shí)驗(yàn)基本上都是針對(duì)某一個(gè)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，在掌握這些單一的知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，學(xué)生很難建立起系統(tǒng)級(jí)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(gè)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(guò)程中。之所以選擇GPS作為教學(xué)案例，是因?yàn)椋阂环矫媸荊PS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(jī)上都帶有GPS模塊，理論和實(shí)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(wèn)題，然后將GPS工程案例貫穿于“通信原理”課程教學(xué)過(guò)程方面進(jìn)行一些探索。

1 以GPS接收機(jī)為案例的探索

針對(duì)“通信原理”這門(mén)課程，筆者嘗試通過(guò)GPS信號(hào)處理流程，將盡可能多的“通信原理”知識(shí)點(diǎn)涵蓋進(jìn)去，這些知識(shí)點(diǎn)不是簡(jiǎn)單的堆積而是系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。通過(guò)對(duì)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(shí)點(diǎn)，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(shí)點(diǎn)在此系統(tǒng)中起到的作用，揭示學(xué)習(xí)此知識(shí)點(diǎn)的目的，使學(xué)生全局性地理解待學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)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(gè)知識(shí)點(diǎn)連接起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)基于GPS工程案例的整個(gè)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(shí)，基于Matlab軟件仿真平臺(tái)構(gòu)建了GPS系統(tǒng)接收機(jī)?；谲浖o(wú)線(xiàn)電思想的GPS接收機(jī)具有易修改、易擴(kuò)展、成本低、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，已成為GPS信號(hào)處理算法的最佳接收機(jī)方案，所以本文的GPS接收機(jī)算法驗(yàn)證都是基于軟件接收機(jī)平臺(tái)。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)[7]。

1.1 信源

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

數(shù)據(jù)碼首先與偽隨機(jī)碼異或相加而形成擴(kuò)頻組合碼，然后擴(kuò)頻組合碼再通過(guò)相移鍵控(BPSK)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制。GPS衛(wèi)星發(fā)射的L1頻點(diǎn)C/A碼信號(hào)結(jié)構(gòu)可表示為

Si(t)=AL1Ci(t)Di(t)sin(2πfL1t+θL1)

(1)

其中，偽隨機(jī)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(cè)量和擴(kuò)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(hào)從發(fā)送端傳送到接收端。GPS信號(hào)是經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)信道進(jìn)行傳播的。

無(wú)線(xiàn)信道中信號(hào)的傳輸是利用電磁波在空間的傳播來(lái)實(shí)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(xiàn)的尺寸不小于電磁波波長(zhǎng)的1/10。頻率過(guò)低，波長(zhǎng)過(guò)大，則天線(xiàn)難于實(shí)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(xiàn)傳播三種。

因?yàn)镚PS衛(wèi)星的L1信號(hào)頻率是1575.42 MHz,屬于特高頻，是視線(xiàn)傳播，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)和頻率的換算公式為

(2)

因此GPS接收機(jī)的天線(xiàn)尺寸可以做得很小， 比如：手機(jī)里的GPS內(nèi)置天線(xiàn)，在教學(xué)過(guò)程中，可以打開(kāi)手機(jī)讓學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)感受。

因?yàn)殡姶挪ǖ念l率越高，傳播距離越遠(yuǎn)，傳播衰減越嚴(yán)重。目前，GPS衛(wèi)星對(duì)調(diào)制有C/A碼的L1載波信號(hào)的發(fā)射功率為26.8 W。GPS衛(wèi)星距離地面2萬(wàn)多公里，則GPS信號(hào)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(xiàn)增益為1，發(fā)射天線(xiàn)增益為12.1 dB，則地面接收的GPS信號(hào)功率為

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

=-160.07 dBW=10-16W

(4)

通過(guò)計(jì)算GPS信號(hào)在自由空間的傳播損耗，使學(xué)生直觀(guān)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(hào)頻率(波長(zhǎng))有直接關(guān)系，傳播距離越遠(yuǎn)，信號(hào)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(guò)多媒體和板書(shū)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(duì)GPS信號(hào)BPSK調(diào)制進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(shí)踐聯(lián)系起來(lái)。

具體說(shuō)來(lái)，BPSK是一種簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)調(diào)制方式，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)是0或是1時(shí)，載波分別以它原來(lái)的相位或是180°相位反轉(zhuǎn)的方式傳播。BPSK信號(hào)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(shí)域波形，圖3是經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制后的波形。

圖2 數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)域波形

圖3 BPSK調(diào)制后的信號(hào)波形

通過(guò)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(shí)點(diǎn)，達(dá)到將理論應(yīng)用于實(shí)踐的目的。

1.4 同步解調(diào)

在通信系統(tǒng)，同步是一個(gè)非常重要的問(wèn)題，如果單純的在課堂講解理論知識(shí)，學(xué)生會(huì)覺(jué)得枯燥乏味，不容易理解，達(dá)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(jī)進(jìn)行實(shí)際仿真操作。

跟蹤GPS信號(hào)需要兩個(gè)相互依賴(lài)的跟蹤環(huán)，一個(gè)用于跟蹤載波的載波跟蹤環(huán)；另一個(gè)用于跟蹤C(jī)/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(gè)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(hào)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(shí)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(hào)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(xiě)方法，在此基礎(chǔ)上在Matlab平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的跟蹤程序，使學(xué)生更好地理解在實(shí)際信號(hào)同步中載波環(huán)和碼跟蹤環(huán)是有機(jī)組合的。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方法的實(shí)現(xiàn)原理和物理機(jī)理。

2 教學(xué)實(shí)踐

筆者結(jié)合自己參與的GPS軟件接收機(jī)研究，將實(shí)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(shí)施了，包括課堂GPS信號(hào)仿真處理案例教學(xué)，以及課后對(duì)學(xué)有余力的學(xué)生開(kāi)展有關(guān)GPS信號(hào)捕獲、跟蹤和定位等處理的實(shí)驗(yàn)。和往屆未采用工程案例教學(xué)方法的課堂教學(xué)對(duì)比，本屆學(xué)生對(duì)“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(dòng)學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)。例如，一些學(xué)生主動(dòng)在實(shí)驗(yàn)室里采集中國(guó)北斗衛(wèi)星的信號(hào)并對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了同步處理，他們還在GPS軟件接收機(jī)原有程序的基礎(chǔ)上通過(guò)修改，完成了北斗信號(hào)的捕獲和跟蹤程序。再如，通過(guò)和學(xué)生的不斷交流，筆者對(duì)原 GPS 軟件接收機(jī)進(jìn)行了修改，盡可能添加一些對(duì)“通信原理”理論知識(shí)的驗(yàn)證，通過(guò)增加仿真實(shí)驗(yàn)，便于學(xué)生課后進(jìn)行理論驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

“通信原理”課程是信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科階段的一門(mén)重要課程，同時(shí)也是一門(mén)教師難教、學(xué)生難學(xué)的課程。該課程理論性強(qiáng)，很多理論知識(shí)和技能必須在實(shí)踐中理解和掌握，才能達(dá)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(jī)為導(dǎo)引，將工程案例引入“通信原理”課堂。對(duì)于教師來(lái)說(shuō)，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(shí)踐，對(duì)于幫助學(xué)生了解和掌握科學(xué)前沿知識(shí)起到了積極的作用。而對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，理論和實(shí)踐聯(lián)系緊密，可以加深其對(duì)通信系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，激發(fā)其對(duì)“通信原理”課程進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣；增強(qiáng)其動(dòng)手能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提高其專(zhuān)業(yè)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力和完整通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力；通過(guò)工程案例，我們引導(dǎo)學(xué)生以應(yīng)用的視角和目的來(lái)學(xué)習(xí)“通信原理”課程，達(dá)到了學(xué)以致用的目的。