陈万通， 贾琼琼， 王 璐

(中国民航大学 电子信息工程学院， 天津 300300)

基于GPS信号的“扩频通信”教学方法研究

陈万通， 贾琼琼， 王 璐

(中国民航大学 电子信息工程学院， 天津 300300)

在“扩频通信”课程教学中，本文提出一种基于GPS信号的一体化教学方法。基于软件接收机平台，将伪随机码的产生、调制、解调、同步捕获和跟踪等复杂原理用计算机进行一体化展示，让学生系统理解扩频信号处理流程，大大改善了学习效果。学生通过软件平台灵活设定实验参数和评测不同算法，增长了运用理论知识解决实际问题的能力。

扩频通信；一体化教学方法；GPS信号

0 引言

“扩频通信”是通信工程专业高年级本科生的一门重要专业课程，讲述的内容是普遍意义上扩频信号的处理方法，涉及“信号与系统”、“通信原理”和“随机信号分析”等多门专业基础课[1]。该课程具有系统的理论构建和严格的数学推导，学生必须完成两个层面的学习，一是理解课程所涉及的数学原理和物理内涵，二是综合运用这些基本理论和数学工具来描述和分析扩频通信系统中涉及的具体问题[2]。但是学生常常由于数学运算能力不足以及对物理内涵理解不够深刻而造成对实际系统分析的困惑。

为了把抽象的原理可视化，高校教师广泛采用Matlab/Simulink仿真平台教学，但目前主要限于复杂数学函数的运算结果可视化[3-4]。虽然能为扩频通信原理的理解提供一些帮助，但仅着重于个别概念的解读。学生还无法依托其系统性地感知扩频信号整个处理流程，我们认为：教学中迫切需要开发一个一体化的开源软件平台，涵盖扩频信号产生、调制和解调、同步捕获和跟踪等主体教学内容。为此，笔者以GPS信号为导引，以丹麦Aalborg大学研制的Matlab版本的GPS软件接收机为实验平台，尝试面向“扩频通信”的一体化教学[5]。

GPS系统是扩频通信的一个典型应用，目前，国内外有诸多开源的GPS软件接收机平台，用于扩频通信和卫星导航相关领域的科研工作。与传统的ASIC硬件导航接收机相比，软件接收机能够通过软件参数配置和模块编程实现和验证各种算法，极具灵活性，其原理结构如图1所示。

图1 GPS软件接收机平台原理结构图

1 以GPS信号为导引的课堂教学

1.1 伪随机码的性质和应用

伪随机编码理论是扩频通信中的基本内容，包括m序列、Gold序列以及勒让德序列(L序列)。

GPS系统本质上属于伪随机码测距系统，m序列对于测距来说具有几乎完美的自相关函数，m序列的这一特性使其成为GPS伪随机码的基础。但因m序列在互相关特性上较差，产生了Gold序列，GPS C/A码即属于Gold码，由一对级数相同的m序列线性组合而成。GPS P码并非是Gold码，它是由两个截断的m序列复合而成的，周期为7天。后续的GPS L2C、L5C信号的扩频码仍然以m序列为基础，具体来说L2C采用截断m序列，L5C是两个m序列的组合码。随着GPS技术不断地推进，伪随机码设计方面的研究工作也取得了很大进展。为改善信号性能，GPS L1C信号也选用新的伪码序列，即基于勒让德序列的Weil码[6]。

结合GPS信号广泛采用的伪随机编码进行理论教学，为“扩频通信”的学习打下扎实基础，对伪随机码的自相关、互相关、序列长度和组合方法等知识的掌握尤为重要。

1.2 扩频通信的处理增益和主要特点

学生对于扩频信号的低功率谱密度和高处理增益缺乏具体和直观的认识，若以GPS信号为例，通过简单计算，即可以增强这方面的感性认识。例如，GPS信号发射功率为P=26.8 dBW，GPS卫星距离地球2万公里，则GPS信号在自由空间的衰减为

(1)

考虑到大气层对GPS信号的衰减为-2dB，接收天线的极化损失为-2.4dB，则地面接收信号的功率为S=26.8-182.4-2-2.4=-160dBW

(2)

而GPS信源速率50bit/s，扩频后带宽为B=2MHz，常温下热力学温度为T=290K，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/°K，则热噪声功率可计算如下：

N=kBT=8.004×10-15=-140.97dBW

(3)

进而可知信噪比为S/N= -19dB，即信号功率几乎为噪声功率的1/100，但GPS系统依然能够可靠传输导航电文数据，这完全得益于扩频信号具有非常高的码速率。学生通过上述分析，对扩频信号功率谱密度及其处理增益建立了更为直观的感性认识。

1.3 扩频码的“同步捕获”

扩频码的同步捕获是一个教学难点，由于缺乏实例，学生难以深刻理解其基本步骤和各种方法的优劣。GPS信号的捕获是扩频码同步捕获理论的应用，其利用C/A码的自相关特性，在对应不同码相位偏移、不同多普勒偏移的相关值中找出相关峰值，从而捕获卫星信号。GPS软件接收机提供了捕获的Matlab源程序，便于学生理解捕获的具体步骤，捕获结果最终通过计算机可视化手段以相关峰方式呈现，形象直观，如图2所示。

图2 GPS信号的捕获结果的可视化

1.4 扩频码和载波的“同步跟踪”

扩频码“同步跟踪”的理论基础是延迟锁定环路DLL(delay locked loop)，由鉴别器、回路滤波器、压控振荡器等组成，载波的“同步跟踪”与其相似，也是通过反馈环路实现输出信号对输入信号的跟踪，两者均是难点。扩频码跟踪环分为相干型DLL和非相干型DLL，载波跟踪环路使用Costas环作为锁相环，两个环路相辅相成，完成导航信号的跟踪。学生借助扩频的跟踪环路Matlab源码，可深刻理解同向支路和正交支路的能量转换、不同DLL鉴别器的性能比较、超前码和滞后码的实现过程以及相干和非相干方法的优缺点。通过对比学习延迟锁定环路的数学理论和Costas跟踪环的源程序，学生可以快速掌握“同步跟踪”方法的实现过程和物理机理。

2 以GPS信号为引导的工程实践

采用软件无线电思想的GPS软件接收机极具灵活性，对于教学而言，也为学生工程实践提供了实验平台。实践内容大致可以分为以下三类。

1)各种算法的性能比较

在扩频通信中，同一信号处理环节存在多种可用算法，软件接收机为不同算法的比较提供了便利。

例如，GPS捕获有三种方法：串行搜索、并行频域空间搜索、并行码域空间搜索。三种捕获在耗时、复杂度等方面各有优势，如表1所示。学生基于真实数据，通过对比，可加深对于捕获性能的理解。

表1 三种捕获算法的计算性能示例

2)不同实验参数对于算法性能的影响

在同步捕获和跟踪的相关算法中，存在诸多参数，软件的灵活性可以方便学生探究各种参数对于算法性能的影响。以GPS跟踪环路为例，跟踪精度与中频等效噪声带宽、回路滤波器的等效噪声带宽以及信噪比等多个参数密切相关。教材中指出：中频等效噪声带宽越宽，信噪比越低，跟踪抖动越大，但动态性能较好；反之带宽越窄，信噪比越大，跟踪精度越高，但环路动态性能变差。学生对此结论理解困难，但通过软件更改参数配置，对比观察跟踪结果，则可有效地验证该结论。

3)扩频通信系统的抗干扰性能研究

教材对扩频系统的抗干扰性能进行了系统的理论分析，包括广义平稳干扰、多径干扰、单频正弦波干扰、宽带干扰等多种干扰类型，但缺乏具体实例。借助信号模拟器可以得到施加各类干扰的GPS信号，通过调整干扰大小以及更换干扰类型，对比软件接收机给出的实验结果，可以验证理论。针对此环节，教师可给出题目和要求，让学生自己设计方案，实现信号处理任务和探索性研究。

3 教学实践

本文介绍的基于GPS信号的“扩频通信”教学方法已经在我院课程教学中进行实践，包括课堂上GPS信号处理案例教学，以及课后分组开展有关GPS信号处理方面的工程设计实践活动。

对比往届未采用该教学方法的课堂教学，学生对扩频通信的学习兴趣浓厚、课堂气氛活跃。在工程实践活动中也涌现出不少好的作品，展现学生创造力和进取心。例如，一些学生了解到北斗系统便是基于扩频码的扩频通信系统，于是自发开展了基于北斗导航信号的扩频码性质研究，并结合教材的匹配滤波器同步捕获法编写了北斗B1信号的同步捕获程序[7]。

通过和学生的交流，笔者对原GPS软件接收机进行了一些更改，凸显了扩频基础理论的验证，增加了一些仿真实验，便于任课教师随堂使用，并放到校园网上供学生下载。

4 结语

基于GPS信号的“扩频通信”教学方法优越之处在于: ①基于软件平台进行一体化教学，使学生对扩频信号处理流程有了系统性的认知，提高了对核心概念的理解水平; ②理论和实际紧密联系起来，学生依托软件平台，通过灵活修改算法求证理论，增强动手能力; ③通过工程实践训练，引导学生以应用的视角和目的来学习“扩频通信”，实现“学以致用”; ④激发了学习兴趣，为学生提供了自主探索科学道理的途径，从“要我探索”变为“我要探索”，以实践探索的途径求取真知。

[1] 田日才. 扩频通信 [M]. 北京: 清华大学出版社, 2007.4

[2] 闫坤.《扩频通信》课程教学实践初探[J]. 北京: 中国新通信, 2013, (09):19-20

[3] 徐建东, 孙迎春, 王延国, 杜旭. MATLAB仿真在“扩频通信”课程教学改革中的应用研究[J]. 北京: 中国电力教育, 2014, (21):66-67(陈万通等文)

[4] 张竞秋. Matlab/Simulink仿真实验在扩频通信课程教学中的应用[J] 北京: 科技咨询, 2010, (31): 236-237

[5] Kai Borre (丹麦), 杨东凯, 张飞舟, 张波, 译. 软件定义的GPS和伽利略接收机[M]. 北京: 国防工业出版社, 2009.3

[6] 左华汉. GNSS伪码优化设计[M]. 武汉: 华中科技大学, 2012

[7] 朱建峰, 安建平, 王爱华. 基于卫星配对的北斗系统扩频码优化分配[J]. 北京:导航定位学报, 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

中国民航大学科研启动基金(2013QD27X); 中国民航大学电子信息工程专业综合改革项目(C01-0807)

陈万通(1986-)，男，博士，讲师，主要从事卫星导航和扩频通信基础理论教学、实验和科研工作，E-mail：chenbnu@126.com

TN911.71

A

1008-0686(2016)03-0094-04