衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與教學(xué)體系構(gòu)建

廖 希，余 翔，廖莎莎，李 強(qiáng)，明 艷

衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與教學(xué)體系構(gòu)建

廖 希，余 翔，廖莎莎，李 強(qiáng)，明 艷

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

設(shè)計(jì)了一套基于二次變頻方式的C波段衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)基于該平臺(tái)建設(shè)的教學(xué)體系，使學(xué)生能夠更加直觀、深刻地理解衛(wèi)星信號(hào)傳輸過(guò)程與信號(hào)處理理論，提升實(shí)踐和創(chuàng)新能力，提高了衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

衛(wèi)星通信；實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)；教學(xué)體系；射頻天線

基于天基信息共享的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)槲覈?guó)智慧城市、應(yīng)急救災(zāi)、航空航天、國(guó)家安全等多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展提供保障，其中衛(wèi)星通信系統(tǒng)是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)部署的重大基礎(chǔ)設(shè)施。衛(wèi)星通信能夠提供數(shù)據(jù)、視頻、話音等業(yè)務(wù)，并不斷向高速、寬帶和移動(dòng)性等方向發(fā)展，以滿足用戶日益增長(zhǎng)的需 求[1-4]。為了培養(yǎng)從事衛(wèi)星通信方向科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、設(shè)備制造等創(chuàng)新型工程技術(shù)人才，需要開(kāi)設(shè)衛(wèi)星通信課程。對(duì)于信息與通信類本科生，開(kāi)設(shè)的是衛(wèi)星通信啟蒙課程，其教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生直觀理解、深入掌握現(xiàn)代衛(wèi)星通信的基本原理和主要技術(shù)，熟悉衛(wèi)星地球站、空間站的組成與工作過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決衛(wèi)星通信實(shí)際問(wèn)題的能力。衛(wèi)星通信課程建設(shè)包括理論課程和課內(nèi)實(shí)踐課程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建設(shè)實(shí)現(xiàn)課堂理論教育與實(shí)踐教學(xué)的閉環(huán)，使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂學(xué)到的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際工程中去。

圍繞“實(shí)踐為基，創(chuàng)新為重，工程為要”的質(zhì)量工程建設(shè)和教學(xué)目標(biāo)，各高校電子信息類專業(yè)積極建設(shè)衛(wèi)星通信實(shí)踐課程。張峰干等[5]提出基于坎巴拉太空計(jì)劃沙盤風(fēng)格航空航天模擬游戲軟件和SystemView軟件的衛(wèi)星通信仿真，組織學(xué)生觀摩衛(wèi)星通信的地球站、天線等設(shè)備，開(kāi)發(fā)了一套無(wú)線移動(dòng)通信+衛(wèi)星動(dòng)中通系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]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)，學(xué)生可以自行選擇視頻/話音信號(hào)以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，來(lái)理解衛(wèi)星通信的基本原理，通過(guò)設(shè)計(jì)專業(yè)性、開(kāi)放性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，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)處理等方面的能力。為滿足寬帶衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研項(xiàng)目需求，北京大學(xué)衛(wèi)星通信中心構(gòu)建了一套基于Hollis的寬帶實(shí)時(shí)衛(wèi)星信道模擬平臺(tái)[7]。該平臺(tái)由可編程調(diào)制器、信道模擬器、可編程解調(diào)器等構(gòu)成，能夠模擬L波段的衛(wèi)星信道傳輸特性。但由于衛(wèi)星通信領(lǐng)域涉及的專業(yè)多、傳輸體制復(fù)雜、傳輸技術(shù)驗(yàn)證難，且相關(guān)儀器設(shè)備昂貴，使得相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程開(kāi)設(shè)舉步維艱。

本文將分析傳統(tǒng)衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)象引發(fā)的教學(xué)問(wèn)題；依托現(xiàn)有設(shè)備，采用二次變頻方式構(gòu)建C波段同步衛(wèi)星通信技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；結(jié)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能模塊，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系；以射頻天線和無(wú)線信道給出實(shí)施過(guò)程和學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與教學(xué)問(wèn)題分析

實(shí)踐實(shí)驗(yàn)課程在高校培養(yǎng)工程創(chuàng)新性人才中具有重要意義，但是調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高校開(kāi)設(shè)的衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程中，設(shè)置的軟件類和硬件類實(shí)驗(yàn)存在以下2大類問(wèn)題，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)問(wèn)題分析

1.1 灌輸式教學(xué)方法與新工科創(chuàng)新性要求間的矛盾

產(chǎn)生這一問(wèn)題的原因分析如下：

（1）系統(tǒng)性知識(shí)儲(chǔ)備不足。分析信息與通信類本科生的培養(yǎng)方案發(fā)現(xiàn)，面授對(duì)象的培養(yǎng)拓?fù)渲型狈δM電子電路、射頻通信電路、電波傳播與天線等先修課程，學(xué)生前期知識(shí)儲(chǔ)備薄弱，在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法解決操作過(guò)程中涉及的關(guān)鍵問(wèn)題，難以理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并得出正確的結(jié)論。

（2）教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新性、擴(kuò)展性不強(qiáng)。隨著衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了大量創(chuàng)新性科研成果。為了培養(yǎng)從事衛(wèi)星通信方向的科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)等方面的創(chuàng)新型人才，應(yīng)將科研項(xiàng)目成果轉(zhuǎn)化為理論與實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)對(duì)最新研究突破及其項(xiàng)目實(shí)施案例等的講授，培養(yǎng)符合“新工科”要求的工程技術(shù)人才。

1.2 教學(xué)投入與教學(xué)效果間的矛盾

產(chǎn)生這一問(wèn)題的原因分析如下：

（1）教學(xué)梯度不合理。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信理論和實(shí)驗(yàn)課程大多采用教師責(zé)任制的管理方式，一位教師負(fù)責(zé)一個(gè)或多個(gè)教學(xué)班。但是，衛(wèi)星通信課程不僅具有理論性和工程性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且授課學(xué)生的學(xué)習(xí)能力參差不齊。在教師責(zé)任制管理方式下，如果要求針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力分別設(shè)置演示型、基礎(chǔ)型、綜合型和創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，則教師將難以勝任。因此需要改變這種管理方式，讓更多實(shí)驗(yàn)室專業(yè)人員及研究實(shí)驗(yàn)型、科研型教師加入到實(shí)踐教學(xué)中來(lái)，組建梯度合理的師資隊(duì)伍，并且通過(guò)激勵(lì)措施完善師資隊(duì)伍管理機(jī)制。

（2）設(shè)備與場(chǎng)地缺乏。衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)室設(shè)備購(gòu)置、更換和維護(hù)成本較高，國(guó)內(nèi)高校，尤其是西部地方高校，沒(méi)有足夠的資金建設(shè)大量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及租賃用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的場(chǎng)地。而為節(jié)約經(jīng)費(fèi)所開(kāi)設(shè)的仿真類、演示類、觀摩類實(shí)驗(yàn)無(wú)法讓學(xué)生進(jìn)行接觸式操作，小組式操作類實(shí)驗(yàn)又難以進(jìn)行課堂管理，教學(xué)過(guò)程不易控制，進(jìn)而導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。

（3）投入度與能動(dòng)性較弱。由于各地教學(xué)水平、教學(xué)資源等方面存在差異，當(dāng)今大學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、投入度、積極性等也參差不齊。加之衛(wèi)星通信理論性、綜合性較強(qiáng)，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。投入少、能動(dòng)性較弱的學(xué)生在小組式實(shí)驗(yàn)操作中，往往協(xié)作能力不足，前期規(guī)劃質(zhì)量不高，動(dòng)手能力較差，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析不準(zhǔn)確，無(wú)法達(dá)到教學(xué)目標(biāo)與要求。

2 C波段衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

以互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息通信技術(shù)日新月異，數(shù)字移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、超寬帶通信等技術(shù)迅猛發(fā)展。根據(jù)“新工科”人才培養(yǎng)要求，傳統(tǒng)工科專業(yè)要逐步升級(jí)，人才培養(yǎng)模式要逐步改進(jìn)，專業(yè)課程的教學(xué)實(shí)驗(yàn)改革也勢(shì)在必行。因此，如何設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、構(gòu)建教學(xué)體系、改進(jìn)教學(xué)方法，對(duì)提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力至關(guān)重要[8]。為此，我校在2016年培養(yǎng)方案修訂中，面向廣播電視工程專業(yè)的媒體傳輸與應(yīng)用開(kāi)發(fā)、電子信息工程專業(yè)的通信技術(shù)、通信工程專業(yè)的無(wú)線通信技術(shù)與應(yīng)用等方向建設(shè)了基于C波段衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的衛(wèi)星通信隨課實(shí)驗(yàn)。

2.1 總體功能平臺(tái)

基于二次變頻方式和開(kāi)放式思路的C波段衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框圖如圖2所示，總體功能模塊包括發(fā)射端、地面站、空間站和接收端。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，發(fā)射端實(shí)時(shí)采集視頻、話音或數(shù)據(jù)流。

2.2 地面站

地面站包括衛(wèi)星信道中頻調(diào)制解調(diào)器、中頻處理單元、高中頻處理單元、射頻處理單元和天饋收發(fā)單元。其電路結(jié)構(gòu)及信號(hào)傳輸流程如圖3所示。

圖2 C波段衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框圖

視頻、數(shù)據(jù)或話音信號(hào)輸入到調(diào)制器，變換成70 MHz中頻信號(hào)，依次經(jīng)過(guò)中頻處理單元中的中頻濾波器1、中頻放大器和中頻濾波器2變換后輸入到第一級(jí)混頻器。將70 MHz中頻信號(hào)和L波段本振頻率960 MHz相加，高中頻濾波器取出1.03 GHz信號(hào)后，經(jīng)過(guò)放大和濾波控制后輸入到第二級(jí)混頻器，與4.865~5.365 GHz本振頻率相混頻，由射頻濾波器1取出上邊帶，并濾波、放大后成為5.925~6.425 GHz發(fā)射信號(hào)。接收地面站與發(fā)射地面站采用相同的兩次變頻方案恢復(fù)出視頻、話音或數(shù)據(jù)信號(hào)。

圖3 地面站電路結(jié)構(gòu)與信號(hào)傳輸流程示意圖

2.3 空間站

空間站模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收衛(wèi)星信號(hào)后通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)器放大后轉(zhuǎn)發(fā)，如圖4所示。從地面站發(fā)射來(lái)的5.925~6.425 GHz信號(hào)由6 GHz接收天線接收并輸入濾波器和低噪聲放大器，經(jīng)過(guò)濾波并放大后輸入給混頻器，與2.225 GHz本振頻率相混取下邊帶得到3.7~4.2 GHz信號(hào)，再經(jīng)濾波和放大后輸入到4 GHz天線向地面站發(fā)射。

圖4 空間站模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖

3 衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系構(gòu)建

參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)C波段通信衛(wèi)星，采用二次變頻方式搭建的C波段同步衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖見(jiàn)圖5。該平臺(tái)包括上行發(fā)射地面站系統(tǒng)、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)、下行接收地面站系統(tǒng)及終端顯示頻譜儀分析系統(tǒng)等，能夠提供衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有源無(wú)源電路測(cè)試和信號(hào)系統(tǒng)性分析。

基于圖5所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以建設(shè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目如表1所示，包括發(fā)射系統(tǒng)、收發(fā)天線和模擬衛(wèi)星通信轉(zhuǎn)發(fā)器、衛(wèi)星鏈路等內(nèi)容。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)學(xué)生能夠熟悉衛(wèi)星通信的基本技術(shù)，理解C波段衛(wèi)星信號(hào)傳輸過(guò)程，掌握微波電路系統(tǒng)中有源無(wú)源電路的設(shè)計(jì)思路和方法、關(guān)鍵參數(shù)及其測(cè)試方法等；能夠?qū)嵉販y(cè)量并分析放大器、濾波器、混頻器和衰減器等單元電路的關(guān)鍵電性能指標(biāo)；可將自己設(shè)計(jì)的電路部件外接到系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖

表1 教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

4 衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)實(shí)踐過(guò)程案例

4.1 教學(xué)資源建設(shè)

衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)課程綜合性較強(qiáng)，具有一定的復(fù)雜性，為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與要求，除了購(gòu)置衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、測(cè)試設(shè)備和分析儀器外，還需要詳細(xì)編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、教學(xué)大綱、教學(xué)計(jì)劃、教案和多媒體PPT等教學(xué)資源，以便幫助學(xué)生快速掌握實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)理論和主要脈絡(luò)。

在實(shí)施過(guò)程中，針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、積極性和投入度情況，采取“引導(dǎo)式互動(dòng)交流教學(xué)機(jī)制”[9]，教師解析重點(diǎn)、難點(diǎn)和注意事項(xiàng)，并引導(dǎo)學(xué)生合作制定課前規(guī)劃和實(shí)驗(yàn)步驟。同時(shí)根據(jù)學(xué)生反饋和教學(xué)資源進(jìn)行不斷完善。

4.2 實(shí)施過(guò)程及效果

在我校廣播電視工程專業(yè)和通信工程專業(yè)本科三年級(jí)學(xué)生中，安排了新建設(shè)的16學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（見(jiàn)表1），參與學(xué)生累計(jì)達(dá)200余人。鑒于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和場(chǎng)地限制，采取了分班分組合作方式。下面以射頻天線和無(wú)線信道實(shí)驗(yàn)為例說(shuō)明實(shí)施過(guò)程與效果。

4.2.1 射頻天線實(shí)驗(yàn)

表2 5.8 GHz射頻天線測(cè)量數(shù)據(jù)

表2顯示5.9 GHz頻點(diǎn)為中心頻率，負(fù)載阻抗與特性阻抗接近，反射能量最小。當(dāng)偏離中心頻率變大，回波損耗將變小，反射系數(shù)增大，電壓駐波比增大。結(jié)果還表明，6.11 GHz頻率超過(guò)了天線的工作范圍。

4.2.2 無(wú)線信道實(shí)驗(yàn)

上下行鏈路中的電磁波在傳輸過(guò)程中具有直射、透射、散射等特點(diǎn)[12]。為了讓學(xué)生理解衛(wèi)星信號(hào)受傳播信道的影響，基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：

（1）無(wú)噪聲理想信道傳輸實(shí)驗(yàn)。使用電纜線代替發(fā)射地面站天線和模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器天線，能夠避免實(shí)驗(yàn)環(huán)境中噪聲及其他干擾對(duì)上下行鏈路傳播信號(hào)的影響，實(shí)現(xiàn)理想信道環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)的傳輸。

（2）真實(shí)信道傳輸實(shí)驗(yàn)。發(fā)射地面站與模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器間采用5.8 GHz射頻天線收發(fā)衛(wèi)星信號(hào)。衛(wèi)星信道中傳輸?shù)碾姶挪ǎ瑢⑹艿皆肼暩蓴_、平臺(tái)間干擾、自由空間傳播損耗、天線耦合等因素影響。通過(guò)真實(shí)信道環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生理解衛(wèi)星通信信道傳播特點(diǎn)和信道基礎(chǔ)理論。

分別進(jìn)行上述2項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出信號(hào)，測(cè)得4.19 GHz頻率處的一組數(shù)據(jù)如表3所示。結(jié)果表明，真實(shí)信道下傳輸信號(hào)峰值功率和載波功率均低于理想信道。

表3 學(xué)生無(wú)線信道實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2.3 實(shí)驗(yàn)收獲

參與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)生在以下方面取得較大收獲：

（1）學(xué)會(huì)用電橋設(shè)備和頻譜儀的高級(jí)測(cè)量功能測(cè)試射頻天線的電性能指標(biāo)，進(jìn)一步加深了對(duì)射頻天線的認(rèn)識(shí)；

（2）掌握了通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的結(jié)構(gòu)、信號(hào)傳輸流程。在不具備直接測(cè)試傳播信道條件情況下，掌握兩種場(chǎng)景下的測(cè)量方法，即通過(guò)觀察理想情況和真實(shí)情況下轉(zhuǎn)發(fā)器輸出信號(hào)的頻譜、信號(hào)功率、噪聲功率等，加深了對(duì)衛(wèi)星信道傳播特點(diǎn)的理解；

（3）了解了測(cè)量?jī)x器的使用原則，學(xué)會(huì)了分析測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差來(lái)源，進(jìn)一步加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，提升了對(duì)衛(wèi)星通信的學(xué)習(xí)興趣。

5 結(jié)語(yǔ)

衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)地面站采用二次變頻方式，配套模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)現(xiàn)圖像、數(shù)據(jù)和話音的實(shí)時(shí)傳輸。學(xué)生能夠利用開(kāi)放式射頻接口自主開(kāi)展所構(gòu)建的各類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既加深學(xué)生對(duì)衛(wèi)星通信組成與信號(hào)傳輸過(guò)程的理解，又培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，能夠滿足通信與電子信息工程對(duì)衛(wèi)星通信實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，以及“新工科”對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

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Design of satellite communication experiment platform and construction of teaching system

LIAO Xi, YU Xiang, LIAO Shasha, LI Qiang, MING Yan

(School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

The C-band satellite communication experimental platform based on secondary frequency conversion is designed. This platform makes it easier for students to understood the satellite signal transmission process and signal processing theory, which develops students’ practice and innovation ability based on the constructed teaching system.

satellite communication; experimental teaching platform; teaching system; radio frequency antenna

TN927；G484

A

1002-4956(2019)10-0179-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.043

2019-2-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61801062）；重慶市高等教育教學(xué)改革重大項(xiàng)目（151010）；重慶郵電大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（E010A2016110A）；重慶市高等教育教學(xué)改革重點(diǎn)項(xiàng)目（182002）

廖希（1988—），女，四川綿陽(yáng)，博士，講師，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄅc衛(wèi)星通信。E-mail: liaoxi@cqupt.edu.cn