寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

楊德偉， 程田豐， 王 華

(北京理工大學(xué) 通信技術(shù)研究所，北京 100081)

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寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

楊德偉， 程田豐， 王 華

(北京理工大學(xué) 通信技術(shù)研究所，北京 100081)

為滿(mǎn)足寬帶衛(wèi)星通信的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和科研創(chuàng)新需要，設(shè)計(jì)并搭建了寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)由信源處理單元、寬帶調(diào)制解調(diào)器、噪聲發(fā)生器、多路數(shù)據(jù)復(fù)用/解復(fù)用器等模塊組成，具備典型的衛(wèi)星通信中頻鏈路傳輸功能。通過(guò)該系統(tǒng)，學(xué)生可以自行選擇視頻/音頻信號(hào)及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通過(guò)參數(shù)配置，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多頻段、多種編碼調(diào)制方式的傳輸要求，在較低信噪比下仍有良好性能。該系統(tǒng)在中頻部分采用噪聲發(fā)生器產(chǎn)生高斯白噪聲來(lái)模擬衛(wèi)星信道由于功率損耗產(chǎn)生的信噪比變化，可以使學(xué)生更好地理解衛(wèi)星通信的重要概念和關(guān)鍵參數(shù)。另外，通過(guò)設(shè)計(jì)和搭建寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)，學(xué)生可以加深對(duì)新型衛(wèi)星通信鏈路傳輸原理的掌握和信號(hào)處理算法的理解。

衛(wèi)星通信鏈路； 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)； 模塊設(shè)計(jì)； 調(diào)制解調(diào)

0 引 言

衛(wèi)星通信[1-4]是一種采用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋的通信方式。衛(wèi)星通信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)、抗震救災(zāi)以及其他民用領(lǐng)域都發(fā)揮著極其重要的作用。

寬帶、高速、實(shí)時(shí)是衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向。隨著集成電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)已經(jīng)由單一的電話(huà)、電視、窄帶數(shù)據(jù)發(fā)展為包括話(huà)音、圖像、文本、視頻和數(shù)據(jù)的多媒體業(yè)務(wù)，具有帶寬大、差異化的服務(wù)等級(jí)和質(zhì)量需求的特點(diǎn)。地面寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)雖然發(fā)展迅速，但只能覆蓋人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市地區(qū)，而不能給農(nóng)村、人口稀少和經(jīng)濟(jì)落后的地區(qū)提供寬帶服務(wù)。相對(duì)于其他通信方式，衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全球組播和廣播通信，是解決有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的有效手段；衛(wèi)星通信不受地面自然災(zāi)害的影響，在地面有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)可以作為有效的通路保證通信的連續(xù)性[5]；衛(wèi)星地面站安裝簡(jiǎn)單，可在全球的任何位置實(shí)現(xiàn)寬帶多媒體無(wú)線(xiàn)通信。

隨著寬帶衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)技術(shù)[6-9]應(yīng)用的深入，我國(guó)對(duì)于寬帶衛(wèi)星數(shù)字傳輸技術(shù)人才的需求日益增大。但僅依靠課堂上書(shū)面講授的教學(xué)模式，寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)的人才培養(yǎng)水平受到了嚴(yán)重制約。一方面寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)的理論與工程實(shí)踐緊密結(jié)合，該技術(shù)的難點(diǎn)在于工程實(shí)踐；另一方面，寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)中的算法和具體系統(tǒng)結(jié)合，不同應(yīng)用背景的寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)中系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)算法都不相同，而這些都難以通過(guò)課堂教學(xué)的方式講授給學(xué)生。

為了解決上述問(wèn)題，北京理工大學(xué)通信技術(shù)研究所經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)踐，在國(guó)家“211工程”、“985工程”相關(guān)項(xiàng)目以及“多元信息系統(tǒng)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室”建設(shè)的支持下，構(gòu)建了寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)基于先進(jìn)的衛(wèi)星視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)[10]，可以為學(xué)生提供接觸、設(shè)計(jì)和構(gòu)建寬帶衛(wèi)星數(shù)字傳輸系統(tǒng)的機(jī)會(huì)，體現(xiàn)了“理論與實(shí)踐相結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念；該平臺(tái)對(duì)數(shù)字通信理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究有著良好的推動(dòng)作用，能提高教學(xué)質(zhì)量，有助于寬帶衛(wèi)星通信領(lǐng)域的人才培養(yǎng)。

1 寬帶衛(wèi)星傳輸實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足性能要求，寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)送端和接收端各個(gè)單元獨(dú)立設(shè)計(jì)，并且各個(gè)單元采用性能良好的專(zhuān)用設(shè)備組成。模塊化單元的設(shè)計(jì)有利于傳輸系統(tǒng)的重構(gòu)和采用最新的編碼和調(diào)制解調(diào)技術(shù)。寬帶衛(wèi)星傳輸實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成如圖1所示。該平臺(tái)主要包括：信源音/視頻編解碼器、多路數(shù)據(jù)復(fù)用/解復(fù)用器、信道編解碼器、調(diào)制解調(diào)器、上下變頻器、信道噪聲發(fā)生器和實(shí)時(shí)頻譜分析儀等硬件設(shè)備。

1.2 主要模塊

(1) 音/視頻編解碼器。編碼器將輸入的音頻、視

圖1 寬帶衛(wèi)星傳輸實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)組成示意圖

頻信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，形成標(biāo)準(zhǔn)的E1碼流(2.048 Mb/s)，通過(guò)可調(diào)E1×N(N=1，2，3，4)通信接口傳輸給下一級(jí)設(shè)備(多路數(shù)據(jù)復(fù)用器或直接連接調(diào)制器)，其中視頻采用MPEG-Ⅱ壓縮標(biāo)準(zhǔn)，音頻采用MPEG Layer Ⅱ編碼方式。解碼器根據(jù)前級(jí)E1×N輸出接口，自動(dòng)進(jìn)行碼率調(diào)整，完成信源解碼。

(2) 多路數(shù)據(jù)復(fù)用/解復(fù)用器。復(fù)用器用于實(shí)現(xiàn)最多16個(gè)E1基群支路數(shù)字信號(hào)到E3(34.768 Mb/s)三次群之間的復(fù)用。通過(guò)復(fù)用/解復(fù)用器可以實(shí)現(xiàn)把多路E1輸入轉(zhuǎn)換為1路E3輸出或者1路E3輸入轉(zhuǎn)換為多路E1輸出。

(3) 調(diào)制器。調(diào)制器基于歐洲衛(wèi)星視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)，采用支持QPSK、8PSK、16QAM等調(diào)制方式，中頻70 MHz/140 MHz；最高符號(hào)速率可達(dá)68 Ms/s，根升余弦成形濾波器滾降系數(shù)為0.35或0.20。信道編碼內(nèi)碼采用多碼率的卷積碼[11]，交織長(zhǎng)度為12；外碼采用Reed-Solomon編碼(204，188，T=8)[12-13]。

(4) 解調(diào)器。解調(diào)器的接口類(lèi)型、解調(diào)方式以及解碼方式等參數(shù)與調(diào)制器一致。

(5) 噪聲發(fā)生器。采用Noise Com生產(chǎn)的PNG7110，工作頻率范圍1～1.5 GHz，可用來(lái)對(duì)調(diào)制后的中頻信號(hào)加高斯白噪聲，模擬實(shí)際的信道條件。

(6) 頻譜儀。采用Tektronix公司出產(chǎn)的 RSA6114A 實(shí)時(shí)頻譜分析儀，射頻范圍為9 kHz～14 GHz，用來(lái)測(cè)試調(diào)制信號(hào)的眼圖、頻譜、星座圖以及EVM等關(guān)鍵參數(shù)，分析系統(tǒng)性能。

1.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的搭建

寬帶衛(wèi)星傳輸實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可提供兩種實(shí)驗(yàn)條件。

(1) 理想信道條件下傳輸場(chǎng)景。即在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，調(diào)制后的中頻信號(hào)直接通過(guò)電纜和解調(diào)器等設(shè)備連接，便于分析理想的系統(tǒng)性能。

(2) 高斯白噪聲條件下的傳輸場(chǎng)景。即在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，調(diào)制后的中頻信號(hào)通過(guò)噪聲發(fā)生器模擬的高斯白噪聲信道，然后和解調(diào)器等設(shè)備相連，分析不同信噪比情形下的傳輸系統(tǒng)性能。寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)際環(huán)境如圖2所示。

圖2 寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

1.4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)主要培養(yǎng)學(xué)生在寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、平臺(tái)搭建和基帶信號(hào)處理等三個(gè)方面的能力。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，學(xué)生需要根據(jù)衛(wèi)星通信傳輸帶寬要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的調(diào)制方式、數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)等；根據(jù)解調(diào)器的誤碼率，設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信的信道編碼方式和發(fā)射功率。根據(jù)自己設(shè)計(jì)的關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)，利用已有的模塊，組建衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)，并測(cè)試不同信道條件下的特性。使用自己搭建的衛(wèi)星發(fā)送/接收系統(tǒng)對(duì)信源的實(shí)時(shí)視頻/音頻信號(hào)進(jìn)行傳輸后，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)高效的基帶解調(diào)算法，從而得到恢復(fù)出來(lái)的信號(hào)。

圖3～5給出了在理想信道和高斯白噪聲信道(Es/N0=12 dB)條件下，調(diào)制器輸出的中頻信號(hào)的頻譜、眼圖、星座圖，其中調(diào)制方式為QPSK、根升余弦成型濾波器滾降系數(shù)為0.35，音/視頻輸出為E1接口。隨著噪聲的增加，接收端基帶眼圖出現(xiàn)惡化，導(dǎo)致解調(diào)過(guò)程中定時(shí)[14]誤差增大；理想信道傳輸時(shí)，QPSK基帶信號(hào)星座點(diǎn)集中，當(dāng)有噪聲影響時(shí)，星座點(diǎn)發(fā)散，誤差矢量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)值變大，誤碼率增大。

(a)理想(b)加噪后

圖3 接收端頻譜

圖4 接收端基帶眼圖

圖5 接收端基帶星座圖

2 寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

2.1 開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，創(chuàng)造良好研究環(huán)境

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)實(shí)行開(kāi)放式管理，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的限制，學(xué)生可以自行選擇感興趣的實(shí)驗(yàn)題目、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案以及調(diào)試實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。平臺(tái)以學(xué)生為核心，充分發(fā)掘?qū)W生的特長(zhǎng)，吸引學(xué)生積極地參加到通信工程專(zhuān)業(yè)的科研中來(lái)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，教師負(fù)責(zé)保障實(shí)驗(yàn)操作的安全及提供相關(guān)的幫助和技術(shù)指導(dǎo)。

由于實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)依托硬件設(shè)備，有很多參數(shù)需要自行設(shè)計(jì)，這不僅需要學(xué)生對(duì)各種硬件功能和接口有較深的理解，也需要學(xué)生對(duì)衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計(jì)中的各種參數(shù)有深入的了解，因此可以幾名學(xué)生共同協(xié)作來(lái)設(shè)計(jì)、測(cè)量參數(shù)，有助于培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作和互相學(xué)習(xí)的能力。

2.2 提升理論教學(xué)質(zhì)量，增加實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

衛(wèi)星通信信號(hào)處理專(zhuān)業(yè)的課程理論性強(qiáng)，需要基于實(shí)際的衛(wèi)星通信鏈路加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和軟件仿真，學(xué)生可以參與衛(wèi)星通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、搭建、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)和基帶信號(hào)處理[15-16]等過(guò)程的工作。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到通信原理的理論問(wèn)題，可以回到專(zhuān)業(yè)書(shū)籍中尋找答案。學(xué)生通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)、學(xué)習(xí)，理論教學(xué)的質(zhì)量得到實(shí)質(zhì)性的提升，實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)服務(wù)于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以提供下面三類(lèi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容：

(1) 專(zhuān)業(yè)性實(shí)驗(yàn)。該類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)通信工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)。通過(guò)該平臺(tái)深入理解通信系統(tǒng)各模塊的作用和功能，完成專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)。

(2) 興趣性實(shí)驗(yàn)。該類(lèi)實(shí)驗(yàn)主要面向信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生設(shè)計(jì)。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣特長(zhǎng)，構(gòu)建寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)并進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理工作，實(shí)驗(yàn)由學(xué)生自行開(kāi)展。

(3) 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。該類(lèi)實(shí)驗(yàn)面向有創(chuàng)新思維的學(xué)生開(kāi)展課題研究。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用板卡化設(shè)計(jì)，通過(guò)增加或減少板卡來(lái)完成寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)并得到相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)，為學(xué)生申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利和發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 語(yǔ)

寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)基于板卡化設(shè)計(jì)和開(kāi)放型實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，使學(xué)生能主動(dòng)開(kāi)展各類(lèi)實(shí)驗(yàn)，既加深了學(xué)生對(duì)衛(wèi)星通信理論的理解，又增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)寬帶衛(wèi)星通信傳輸過(guò)程中信號(hào)處理的感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決技術(shù)問(wèn)題的能力。該平臺(tái)為學(xué)生申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利和發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文創(chuàng)造了良好的實(shí)驗(yàn)條件，它必將成為卓越的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)平臺(tái)，并為建設(shè)高水平研究型大學(xué)貢獻(xiàn)力量。

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Design of Experiment Teaching Platform for Wideband Satellite Communication

YANGDe-wei,CHENGTian-fen,WANGHua

(Research Institute of Communication Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

Abstract: To meet the need of the teaching experiment reform and innovation of satellite communications, a teaching experiment platform of wideband satellite communications is constructed based on the practical application. The system is made up of the data source processing units, wideband modulator and demodulator, the noise generator, the multiplexer and the demultiplexer etc, and has the typical intermediate frequency (IF) transmission link function in the satellite communication. Through the system, the video signal, the audio signal and the Ethernet data can be the transmitted selectively and flexibly. Besides, the system can implement multi-frequency transmission with various code modulation schemes by the parameters configuration, and has a good performance even under the low SNR conditions. In the IF section, the noise generator which generates the Gaussian white noise and simulates the SNR variation owing to the power loss is adopted by the system, and the students can understand the important concepts and the key parameters much better in the satellite communication. Through designing and building the wideband satellite transmission system, students can grasp the transmission theories of the new satellite communication link profoundly and understand the signal processing algorithms thoroughly. The students can also use the modularized platform to develop innovative experiments, which can help students combine the theories with the engineering practice and offer original data for students' scientific research. After the platform has tried out, the quality is significant.

satellite communications link; teaching experiment platform; module design; modulation and demodulation

2014-07-23

國(guó)家自然科學(xué)基金(61072049)；北京理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)骨干教師培養(yǎng)項(xiàng)目

楊德偉(1979-)，男，山西忻州人，講師，現(xiàn)主要從事衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)技術(shù)的研究。E-mail:davidyang@bit.edu.cn

TN 911.72

A

1006-7167(2015)05-0049-03