GPS案例贯穿“通信原理”课程教学过程的探索

孙兴丽

(中北大学 信息与通信工程学院， 山西 太原 030051)

0 引言

“通信原理”是通信工程、信息工程等信息类专业一门非常重要的核心基础课，该课程的学习为以后的“移动通信”、“光纤通信”、“扩频通信”、“卫星通信”、“计算机网络”等课程的学习奠定了重要的基础，也是许多高校研究生入学考试的课程之一[1-3]。

“通信原理”课程理论性强，内容丰富，概念抽象，公式推导复杂，涉及“高等数学”、“概率论与数理统计”、“信号与系统”、“高频电子线路”和“随机信号分析”等多门先修课程的大量内容。该课程属于专业基础课，既有专业课程的专业背景，又有基础课程的理论难度，教师如果讲解不透彻，往往会使得课程的应用背景不能够清晰明白地展现在学生面前，让学生感觉和实际结合不紧密，容易失去兴趣[4]。

许多高校实际上都开设有“通信原理”课程实验，力求使理论与实践结合，这既有助于加强学生对理论知识的掌握，又可以培养学生的动手能力。然而所有实验基本上都是针对某一个知识点进行设计和实现的，在掌握这些单一的知识点的同时，学生很难建立起系统级的概念[5]。因而，不利于学生掌握通信系统整体概念。

全球卫星导航系统(GNSS)是通信系统的一个典型应用。为了让学生更好地掌握通信系统的概念体系，笔者结合自己近几年的科研情况，以应用范围最广、系统最稳定、最成熟的全球定位系统(GPS)作为通信系统工程案例，引入到“通信原理”的教学过程中。之所以选择GPS作为教学案例，是因为：一方面是GPS涵盖通信系统一般的模型，包括信源、调制、解调、同步等主体教学内容；另一方面是许多学生手机上都带有GPS模块，理论和实际应用联系非常紧密。

本文首先分析了“通信原理”课程教学存在的问题，然后将GPS工程案例贯穿于“通信原理”课程教学过程方面进行一些探索。

1 以GPS接收机为案例的探索

针对“通信原理”这门课程，笔者尝试通过GPS信号处理流程，将尽可能多的“通信原理”知识点涵盖进去，这些知识点不是简单的堆积而是系统的关联。通过对GPS工程案例的分析，可以在系统的角度上理解学习的内容。图1给出了基于GPS工程案例的完整的通信系统框图。

图1 基于GPS工程案例的系统框图

该框图包含了“通信原理”很多知识点，例如，信源、信道、调制及解调、同步捕获和跟踪、信宿等内容。首先，我们给学生介绍各知识点在此系统中起到的作用，揭示学习此知识点的目的，使学生全局性地理解待学习的知识点在通信系统中具体发挥的“功能”。到最后，我们就可以将各个知识点连接起来，最终实现基于GPS工程案例的整个关于“通信原理”课程的教学。

为了更便于学生从全局把握通信系统的特征，笔者在讲课时，基于Matlab软件仿真平台构建了GPS系统接收机。基于软件无线电思想的GPS接收机具有易修改、易扩展、成本低、开发周期短等优点，已成为GPS信号处理算法的最佳接收机方案，所以本文的GPS接收机算法验证都是基于软件接收机平台。以丹麦 Aalborg 大学研制的Matlab 版本的 GPS 软件接收机为实验平台[7]。

1.1 信源

传统GPS卫星信号发射的信号从结构上可分为三个层次：载波、伪随机码和导航电文[8]。

数据码首先与伪随机码异或相加而形成扩频组合码，然后扩频组合码再通过相移键控(BPSK)对载波进行调制。GPS卫星发射的L1频点C/A码信号结构可表示为

Si(t)=AL1Ci(t)Di(t)sin(2πfL1t+θL1)

(1)

其中，伪随机码是在数字通信技术中具有十分重要的作用，广泛应用于码分多址通信、误码率测量和扩频通信等领域。

1.2 信道

信道是连接发送端和接收端通信设备的媒介，其功能是将信号从发送端传送到接收端。GPS信号是经过无线信道进行传播的。

无线信道中信号的传输是利用电磁波在空间的传播来实现的。原则上任何频率的电磁波都可以使用。但是为了有效的发射或接收电磁波，要求天线的尺寸不小于电磁波波长的1/10。频率过低，波长过大，则天线难于实现。所以用于通信的电磁波频率都比较高。根据通信距离、频率和位置的不同，电磁波传播主要分为地波、天波和视线传播三种。

因为GPS卫星的L1信号频率是1575.42 MHz,属于特高频，是视线传播，对应的波长和频率的换算公式为

(2)

因此GPS接收机的天线尺寸可以做得很小， 比如：手机里的GPS内置天线，在教学过程中，可以打开手机让学生现场感受。

因为电磁波的频率越高，传播距离越远，传播衰减越严重。目前，GPS卫星对调制有C/A码的L1载波信号的发射功率为26.8 W。GPS卫星距离地面2万多公里，则GPS信号在自由空间的传播损耗约为

=3.587×10-19=-184.45 dB

(3)

考虑到大气衰减为-2 dB，接收天线增益为1，发射天线增益为12.1 dB，则地面接收的GPS信号功率为

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

=-160.07 dBW=10-16W

(4)

通过计算GPS信号在自由空间的传播损耗，使学生直观感受公式(2)和(3)数值的大小，明白传播损耗与传播距离和信号频率(波长)有直接关系，传播距离越远，信号频率越大，传播损耗越严重。

1.3 BPSK调制基本原理

BPSK是“通信原理”数字调制一章中的基本内容。而GPS是典型的BPSK调制方式。教学思路是教师先通过多媒体和板书讲解BPSK调制的基本原理，引发学生的好奇心和探究的愿望。再利用 Matlab对GPS信号BPSK调制进行现场演示，最大程度地激发起学生的学习兴趣，最后在教师引导下，让学生参与到分析和讨论中，把BPSK与其他工程实践联系起来。

具体说来，BPSK是一种简单的数字信号调制方式，当传输的数字信号是0或是1时，载波分别以它原来的相位或是180°相位反转的方式传播。BPSK信号可以看作是未调制的RF载波和数据波的乘积，下图2为数据码是{1,0,1,0,1,0,0,1}的时域波形，图3是经过BPSK调制后的波形。

图2 数据信号时域波形

图3 BPSK调制后的信号波形

通过理论讲解，再在课堂上给出Matlab具体程序及图形，使学生深一层次地理解BPSK调制的具体知识点，达到将理论应用于实践的目的。

1.4 同步解调

在通信系统，同步是一个非常重要的问题，如果单纯的在课堂讲解理论知识，学生会觉得枯燥乏味，不容易理解，达不到教学目的。为了使学生更好地学习同步原理，笔者先讲解同步的基本原理，再结合GPS接收机进行实际仿真操作。

跟踪GPS信号需要两个相互依赖的跟踪环，一个用于跟踪载波的载波跟踪环；另一个用于跟踪C/A码相位的码跟踪环。载波跟踪环使用Costas环，其结构如图4所示。

图4 载波跟踪环路

码跟踪环主要是使用延迟锁定环。两个环路紧密地交织在一起相互支持，共同完成GPS导航信号的跟踪。因此为了让学生更好掌握载波同步和码元同步的实现，首先向学生分别讲解载波跟踪环路和码跟踪环路的内部结构和信号流程，使学生掌握载波同步和码元同步的基本原理和具体编写方法，在此基础上在Matlab平台上实现GPS信号的跟踪程序，使学生更好地理解在实际信号同步中载波环和码跟踪环是有机组合的。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方法的实现原理和物理机理。

2 教学实践

笔者结合自己参与的GPS软件接收机研究，将实际工程案例引入“通信原理”课堂，使学生从系统的角度上了解了通信系统的架构，该教学方法已经在我院“通信原理”课程教学中实施了，包括课堂GPS信号仿真处理案例教学，以及课后对学有余力的学生开展有关GPS信号捕获、跟踪和定位等处理的实验。和往届未采用工程案例教学方法的课堂教学对比，本届学生对“通信原理”课程的学习热情高涨，学习兴趣非常浓厚，学生从被动学习变为主动学习。例如，一些学生主动在实验室里采集中国北斗卫星的信号并对真实数据进行了同步处理，他们还在GPS软件接收机原有程序的基础上通过修改，完成了北斗信号的捕获和跟踪程序。再如，通过和学生的不断交流，笔者对原 GPS 软件接收机进行了修改，尽可能添加一些对“通信原理”理论知识的验证，通过增加仿真实验，便于学生课后进行理论验证。

3 结语

“通信原理”课程是信息类专业本科阶段的一门重要课程，同时也是一门教师难教、学生难学的课程。该课程理论性强，很多理论知识和技能必须在实践中理解和掌握，才能达到学以致用的目的，从而提高该课程的教学质量，是十分有意义的。

笔者结合自己研究的领域，以GPS 软件接收机为导引，将工程案例引入“通信原理”课堂。对于教师来说，将科研课题的研究与教学相结合，使教学内容更加贴近工程实践，对于帮助学生了解和掌握科学前沿知识起到了积极的作用。而对于学生来说，理论和实践联系紧密，可以加深其对通信系统的认识，激发其对“通信原理”课程进一步学习的兴趣；增强其动手能力和解决实际问题的能力，提高其专业知识的综合应用能力和完整通信系统的设计能力；通过工程案例，我们引导学生以应用的视角和目的来学习“通信原理”课程，达到了学以致用的目的。