基于现代GNSS信号的通信综合实验设计

陈万通， 李小强

(1.中国民航大学 电子信息工程学院， 天津 300300) (2.北京航空航天大学 电子信息工程学院, 北京 100191)

基于现代GNSS信号的通信综合实验设计

陈万通1， 李小强2

(1.中国民航大学 电子信息工程学院， 天津 300300) (2.北京航空航天大学 电子信息工程学院, 北京 100191)

本文针对通信综合实验教学，设计了一种以现代卫星导航信号为研究对象的综合实验项目。该项目依托通信主体理论进行模块化设计，将伪随机序列、新型调制方法、恒包络复用技术和信道编码等核心概念通过现代GNSS信号呈现，以前沿技术为导向，培养学生工程实践能力。实践表明，该实验能够加强学生对基础理论的学习兴趣，增长运用理论知识解决实际问题的能力。

通信工程；实验设计；全球卫星导航系统

0 引言

通信理论课程群是通信工程专业课程建设的核心部分，涵盖“通信原理”，“信息论与编码”，“无线通信”以及“扩频通信”等多门课程[1]。通信综合实验设计是通信理论课程群教学改革的一个关键环节，这一实验设计要以面向社会、以市场需求为导向，以培养当前社会亟需的复合型通信人才为目的，其显著特征是实验内容具有一定的学科涵盖性，集多门专业课的相关知识点于一体[2，3]。因此，通信综合实验设计要求实现前沿化、一体化和综合化。

导航信号是全球卫星导航系统(GNSS)重要的组成部分，携带了导航、通信、定位所需的全部信息。其信号的调制体制、多址方式、电文编码以及扩频码的设计综合了“通信原理”，“信息论与编码”以及“扩频通信”等多门课程的核心内容，符合综合实验设计对象的要求。加之我国北斗卫星导航系统的建设需要大量熟知导航信号体制和通信方式的人才。因此，以现代GNSS信号为研究对象设计综合实验，可以对通信理论课群建设提供示范案例、凸显实验教学改革的目标，为复合型人才的培养提供新途径。

1 通信综合实验的总体设计思路

1.1 理论涵盖性分析

通信综合实验设计必须具有足够的理论涵盖性，凸显其“综合”特征。以现代GNSS信号为例，其具有的功能和特性为：①确保系统精度，完成卫星的多址区分；②能在一定程度的多径干扰下正常工作；③能允许一定电平的随机干扰、堵塞或欺骗信号干扰。

目前GNSS主要采用CDMA码分多址识别。基于CDMA的GNSS下行信号产生原理图1所示。

图1 GNSS下行信号生成原理框图

导航信号体制结构主要由调制载波、扩频码、导航电文及相应的调制方式复用组合而成，具体的信号体制参数包括：带宽、扩频码码长、码型、码速率、码结构、信息速率和调制波形等。其中，调制波形决定导航信号的功率谱包络，而功率谱包络表明了信号功率谱的全局特征，对信号的码跟踪、抗干扰、抗多径、兼容与互操作性能都有决定性的影响；扩频码的自互相关特性影响着导航信号的功率谱密度，与抗干扰、兼容与互操作能力有密切的关系；另外，信号的复用技术可实现一个载波传输多个信号，减少星上高功放的非线性损耗，对提高信号传输效率有重要的意义。

1.2 模块化设计

结合综合实验依托对象的特点，以及综合实验的涵盖性，实验模块化设计有利于学生在一个模块中掌握一类主体概念的原理、方法和工程实践应用。而实际教学中，一类主体概念往往在多门课程中都有涉及，模块化设计则可以系统地对这些概念进行梳理和整合。以现代GNSS信号为例，可以划分为四个模块：①伪随机序列；②导航信号调制体制；③恒包络复用技术；④导航电文编码。

2 CNSS信号的模块化设计

2.1 “伪随机序列”模块设计

伪随机序列是GNSS接收机区分不同卫星信号的依据，也是区分同一信号不同分量(如数据、导频)的依据。从早期的m序列、Gold码到后来的Weil码、随机(Random)码，扩频码的自相关/互相关性能的考虑越来越完善，设计的思路也越来越宽。其设计的基本原理是“扩频通信”课程中重点讨论的，在“通信原理”和“移动通信”中也有涉及。这个模块的设计可以按照m序列、Gold码、Weil码、Random码、Neuman-Hofman (NH)码的顺序进行递进设计。其中m序列和Gold码源于早期GPS信号，Weil码源于GPS L1C信号，Random码源于Galileo El OS，NH码为北斗B2信号的二次编码[4]，学生依据已有的伪随机序列的基础知识，完全可以理解和仿真现代GNSS导航信号。如图2是学生在研究Random码的零自相关旁瓣特性时得到的实验结果。

图2 Random码的零自相关旁瓣特性

2.2 “导航信号调制体制”模块设计

调制方式是贯穿通信类课程的一根主线，也是理论教学的重点和难点。随着技术发展，新的调制方式层出不穷，目前教材主要涉及最基本的调制方法，综合实验设计需要结合前沿技术开展相关实验。以GNSS信号为例，早期的GPS和GLONASS系统信号都采用BPSK调制。随着GNSS现代化推进，导航信号体制发生较大变化。其中，信号调制方式的改进以BOC调制方式及其衍生的MBOC和AltBOC调制方式为代表[5]。例如，Galileo E1 OS信号选择了CBOC调制，Galileo E5a、E5b频带导航信号采用AltBOC调制方式，GPS L1C信号选择了TMBOC调制。学生通过研究这些新型GNSS信号的调制方式以及对应的功率谱，利用已有知识探索前沿技术，达到了“学以致用”的目的。

2.3 “恒包络复用技术”模块设计

近年来随着频谱资源的日趋紧张和数据传输速率不断增长，具有高带宽效率的恒包络数字调制方式得到了广泛应用。对于现代卫星导航系统，往往在同一载波上复合多个导航信号，以L1频点为例，GPS Block IIR-M、Block IIR-F卫星在该频点播发3个导航信号，分别是C/A码、P(Y)码、M码信号；GPS Block III卫星还将在该频点加发1个L1C信号。此时，如何设计信号调制方式使其满足恒包络特性要求是研究的难点。常用的恒包络调制技术主要包含互复用(Interplex)、相干自适应副载波调制(CASM)、交替二进制偏移载波(AltBOC)、非对称恒包络双边带复用(ACED)等。其中，Interplex 技术是由传统相位调制技术演进而来。相比传统系统，其利用正交相位调制，互调损失更少并且在传统系统上稍加修改即可用在现有的硬件上，最大改善可达3dB；CASM和Interplex原理是相同的，在数学上等价，只是实现方式不同；恒包络AltBOC是最异乎寻常的GNSS信号之一，为了成为恒包络信号，它是四路码片复用组成的复数信号，而ACED具有对分量的功率分配和码片波形变化更加灵活的特点。

以CNSS信号为例，在B2频点上，北斗计划在频点B2a(1207.14 MHz)和B2b(1176.45 MHz)分别广播两路QPSK信号，这两路信号承载不同的服务，此时四分量交替二进制偏移载波(AltBOC)是一种可行的解决方法。时分复用和二分量交替二进制偏移载波的联合，即TD-AltBOC，也为B2频段提出。另外，在现代化GNSS信号结构中希望给导频通道分配更多的能量，以此来增强测量精度和跟踪鲁棒性，比如说GPS L1C信号。然而，AltBOC和TD-AltBOC不具备这样的性质，ACED则可在两个不同频率点的谱分裂信号中联合不超过四路功率不相等的信号，在谱分裂信号的每个边带中包含不超过两种调制在正交分量上的码。

通过上述工程应用，学生对教材中信号复用的约束条件，特别是对信号频谱分离以及带内和带外的能量分配会有更深刻的理解。学生进一步通过计算机仿真和利用真实的北斗信号进行实验验证，掌握恒包络多路复用技术的深层内涵。

2.4 “导航电文编码”模块设计

信道编码技术是“信息论与编码”课程的核心讲授内容，学生对于编码理论的学习普遍感到枯燥、难懂、缺乏具体应用背景。GNSS信号的编码方式则为其提供了具体实例，例如早期GPS NAV导航电文采用汉明码(32,26)编码，现代化GPS L2C民用信号、L5、L1C以及Galileo采用了CRC-24校验码方式。为了提高干扰容限，改善接收机性能，现代GNSS信号都增加了纠错编码，例如，在GPS L2C和L5信号中用到码率为 ，约束长度为7的前向纠错卷积编码；在L1C信号中用到BCH(51,8)编码和低密度奇偶校验编码。

教师在通信综合实验设计上可以结合具体的GNSS导航电文，让学生通过实验验证每一种编码方式的原理以及对其性能进行比较。

3 教学实践

以现代卫星导航信号为例进行通信综合实验的设计，是对通信理论课程群建设和实验改革的一个有益的尝试。该实验以我院大四学生为对象进行了实践，包括课上计算机编程实践以及课后分组开展的工程训练项目。

通过教学实践，学生对通信理论课程群涉及的所有课程及其关系有了整体认识，重新梳理了知识脉络，加深了对核心原理和概念的理解。以现代GNSS信号为引导，学生的学习兴趣明显增强，在以小组为单位的工程实践活动中，学生通过互相讨论，合理分工，增强了团队意识。在一些较难的实验上，通过合作分析和研究，取得了一些有益的实验结果，锻炼了自己理论联系实际的能力。模块化的实验安排凸显了每个模块的主体理论，但又不失模块之间的联系，使学生对知识的体系结构有了深层把握。

4 结语

本文以现代卫星导航信号为例，基于主体教学概念的模块化思想，开展通信综合实验教学，其优越之处体现在：①实验载体将多门课程均涉及的知识点进行了整合和加强；②立足前沿技术，实现学以致用；③学生增强了团队意识和探索能力；④学生拓宽了行业视野，增强了行业竞争力。

(陈万通等文)

[1] 陈晓娟, 杨明宇. 通信工程专业课程群的设计[J]. 吉林：东北电力大学学报, 2009, 29(5):28-30.

[2] 丁洪生, 周郴知, 杨志兵, 等. 工程训练实践教学体系的改革与创新[J]. 北京：实验技术与管理, 2005, 21(6):1-4.

[3] 李晓春, 曲晓海, 杨洋, 等. 工程训练教学改革探索与实践[J]. 上海：实验室研究与探索, 2014, 33(1): 229-232.

[4] 严昆仑, 章红平, 张提升, 等. NH码对新一代GNSS信号捕获跟踪的影响[J]. 武汉：武汉大学学报(信息科学版), 2015, (05): 117-122.

[5] 刘基余. BOC调制打通共用载频的坦途--GNSS导航信号的收发问题之一[J]. 北京：数字通信世界, 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

中国民航大学教育教学改革研究课题(C01-0807)；中国民航大学科研启动基金(2013QD27X)

陈万通(1986-)，男，博士，讲师，主要从事扩频通信等课程的教学、实验和科研工作， E-mail：chenbnu@126.com

TN967.1

A

1008-0686(2016)03-0124-04