基于L頻段模擬平臺的衛(wèi)星通信實驗教學(xué)設(shè)計

陳 龍， 高麗娟， 李 炯， 代健美

（航天工程大學(xué)航天信息學(xué)院，北京 101416）

0 引 言

當(dāng)前衛(wèi)星通信發(fā)展迅猛，已成為國防通信、海事通信等領(lǐng)域的重要手段，廣泛應(yīng)用于電視廣播、移動通信、應(yīng)急通信等場景［1］。基于衛(wèi)星通信技術(shù)構(gòu)建的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，可提供全球范圍的互聯(lián)網(wǎng)無縫連接，具有重大戰(zhàn)略意義，被世界各國作為爭相研究和發(fā)展的重點基礎(chǔ)設(shè)施工程［2-3］。因此，開設(shè)衛(wèi)星通信課程從而培養(yǎng)能夠從事衛(wèi)星通信科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、工程設(shè)計、系統(tǒng)應(yīng)用等工作的創(chuàng)新型科技人才，具有重要意義。

衛(wèi)星通信課程作為重要的專業(yè)必修課程，具有知識點多、理論性強、原理復(fù)雜、概念抽象等特點，學(xué)習(xí)掌握難度較大［4］，開展實踐教學(xué)是成為保障教學(xué)效果的重要手段。通過實踐教學(xué)，學(xué)生能夠鞏固對基礎(chǔ)理論知識的掌握，并將理論知識應(yīng)用到實際工程，實現(xiàn)理論與實踐的閉環(huán)，增強創(chuàng)新思維水平和實踐技能［5］。

圍繞提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，各高校積極建設(shè)衛(wèi)星通信實踐課程和實踐條件。文獻(xiàn)［6］中通過中頻鏈路在多種體制下傳輸語音、視頻等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并模擬衛(wèi)星信道信噪比變化。呂國成等［7］基于Hollis 信道模擬器、可編程調(diào)制／解調(diào)器搭建了一套寬帶實時衛(wèi)星信道模擬平臺。張峰干等［8］提出衛(wèi)星通信計算機仿真、觀摩真實衛(wèi)星通信設(shè)備以及利用衛(wèi)星廣播電視接收系統(tǒng)開展設(shè)備操作等教學(xué)方法。文獻(xiàn)［9-10］中采用二次變頻方式設(shè)計了C波段同步衛(wèi)星通信技術(shù)實驗平臺，各單元模塊獨立且參數(shù)可調(diào)，可以利用測量參數(shù)開發(fā)并驗證各單元模塊。文獻(xiàn)［11］中通過建設(shè)通信工程專業(yè)衛(wèi)星通信校外實踐基地，探索工程實踐教育模式。文獻(xiàn)［12］利用Unity 3D建模、真實計算引擎等技術(shù)搭建了衛(wèi)星通信組網(wǎng)虛擬仿真實驗平臺，實現(xiàn)了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的三維重現(xiàn)和仿真運行。

本文依托實物衛(wèi)星地球站和通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器搭建衛(wèi)星模擬平臺，依據(jù)課程知識點設(shè)計衛(wèi)星通信實驗課程教學(xué)體系和教學(xué)內(nèi)容，并給出了拓展實踐設(shè)計。

1 衛(wèi)星通信模擬平臺

1.1 平臺總體設(shè)計

如圖1 所示，衛(wèi)星通信模擬平臺主要由地球站模擬設(shè)備、通信衛(wèi)星模擬設(shè)備、信道模擬器三部分以及配套儀器儀表組成。其中通信衛(wèi)星模擬設(shè)備、地球站模擬設(shè)備、信道模擬器采用硬件實物的方式實現(xiàn)，分別模擬衛(wèi)星通信終端功能和業(yè)務(wù)、通信衛(wèi)星的信號處理過程以及星地鏈路電磁波傳播特性。各設(shè)備間通過射頻線纜相互連接，基于L 頻段中頻鏈路完成信號互通，實現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)從信源采集、信號發(fā)射、信道傳輸、衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到信號接收、信息還原整個過程的實物模擬，并使用頻譜分析儀、示波器和矢量信號分析儀等儀器儀表測量頻譜、信號波形、調(diào)制星座圖等信息。

圖1 衛(wèi)星通信模擬平臺組成及交互關(guān)系

1.2 平臺主要組成與功能

（1）地球站模擬設(shè)備。地球站模擬設(shè)備主要用于模擬衛(wèi)星通信地球站的功能，通過組網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）數(shù)據(jù)、視頻和話音等業(yè)務(wù)傳輸，由調(diào)制解調(diào)單元、交換機、語音網(wǎng)關(guān)、音視頻編解碼器等設(shè)備共同構(gòu)成。其中，調(diào)制解調(diào)單元作為模擬地球站的信道終端，可以工作于時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）體制，支持二進(jìn)制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）等調(diào)制方式，以及卷積碼、低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）碼等信道編碼方式，具有中低速綜合業(yè)務(wù)組網(wǎng)傳輸能力，支持網(wǎng)狀、星狀組網(wǎng)應(yīng)用，可以實現(xiàn)同步／異步數(shù)據(jù)、IP 業(yè)務(wù)的衛(wèi)星組網(wǎng)通信。調(diào)制解調(diào)單元由中央處理器、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）及其他相關(guān)外圍電路構(gòu)成，功能包括訪問控制、綜合業(yè)務(wù)接入、終端監(jiān)控以及IP數(shù)據(jù)處理等。語音網(wǎng)關(guān)和音視頻編解碼器可以直接連接電話機、攝像機和顯示器等設(shè)備，產(chǎn)生真正的話音和音視頻業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流。

（2）通信衛(wèi)星模擬設(shè)備。通信衛(wèi)星模擬設(shè)備能夠模擬典型通信衛(wèi)星有效載荷的信號處理過程，包括下變頻器、上變頻器和轉(zhuǎn)發(fā)器核心部件。其中，上下變頻器完成L頻段信號與低中頻（70 MHz）信號之間的變頻處理，轉(zhuǎn)發(fā)器核心部件同時具備直通和處理兩類轉(zhuǎn)發(fā)器功能。處理轉(zhuǎn)發(fā)器包括調(diào)制解調(diào)模塊、基帶處理模塊、通信電源模塊，能夠完成調(diào)制／解調(diào)、編碼／譯碼、組幀／解幀和加擾／解擾等功能，支持TDMA 和FDMA兩種多址方式，調(diào)制方式支持BPSK 和QPSK，信道編碼方式支持LDPC和卷積碼。

（3）信道模擬器。信道模擬器基于星地鏈路電磁波傳播模型，仿真寬帶無線信道特征，基于噪聲功率、傳輸時延、信號衰落等參數(shù)模擬信號在傳輸過程中的變化。支持L頻段的信號輸入和輸出，支持4 通道雙工信道模擬，能夠模擬常量、瑞利、萊斯、純多普勒模型以及高斯分布的信道衰落，并能夠產(chǎn)生功率、頻率、帶寬可調(diào)的干擾信號疊加到正常信號上。

2 課程實驗教學(xué)設(shè)計

2.1 實驗教學(xué)體系構(gòu)建

根據(jù)衛(wèi)星通信課程教學(xué)大綱，從課程教學(xué)內(nèi)容體系出發(fā)，設(shè)計構(gòu)建實驗項目和內(nèi)容，如表1 所示。實驗項目緊貼課堂講授知識點，特別圍繞其中重難點問題展開，覆蓋衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成、衛(wèi)星通信鏈路、通信體制、通信衛(wèi)星、干擾與抗干擾等課程主要內(nèi)容，實現(xiàn)課堂理論講授與原理實驗的有機結(jié)合和緊密銜接。

表1 實驗教學(xué)項目和內(nèi)容

實驗內(nèi)容以信號測量與分析為主要抓手，通過建立L頻段衛(wèi)星通信鏈路并設(shè)置設(shè)備參數(shù)，對比不同鏈路特性、不同通信體制、不同干擾模式對通信效果的影響。實驗教學(xué)內(nèi)容設(shè)計遵循由淺入深、由簡單到復(fù)雜的原則，逐步在理想信道、真實信道、干擾信道條件下搭建實驗環(huán)境。實驗1、2 中，使用射頻電纜線直接連接地球站模擬設(shè)備和通信衛(wèi)星模擬設(shè)備，避免噪聲及其他干擾對上下行鏈路信號的影響，實現(xiàn)理想信道環(huán)境下衛(wèi)星信號的傳輸；實驗3 ～8 中，基于對真實星地鏈路的計算和估計，設(shè)置合適的信道模擬器參數(shù)，模擬真實星地通信鏈路特征，從而進(jìn)行相應(yīng)的傳輸、測量及分析實驗；實驗9、10 中，進(jìn)一步通過信道模擬器引入異常噪聲干擾，將干擾信號疊加到正常信號上，從而構(gòu)造強干擾信道條件，便于分析不同信噪比條件下的傳輸性能。

2.2 實驗典型教學(xué)流程

利用衛(wèi)星通信模擬平臺對衛(wèi)星通信過程進(jìn)行信號級仿真，通過設(shè)定衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、地面站和通信信道參數(shù)，分析不同配置下通信效果，使學(xué)員理解不同衛(wèi)星通信技術(shù)和體制的特點。

典型教學(xué)流程如圖2 所示。主要包括以下步驟：

圖2 衛(wèi)星通信原理實驗典型教學(xué)流程

（1）課堂上，老師按照教學(xué)計劃講解課堂實驗內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生熟悉實驗原理并掌握實驗步驟。

（2）學(xué)生根據(jù)老師安排，配置地球站模擬設(shè)備、通信衛(wèi)星模擬設(shè)備和信道模擬器參數(shù)。

（3）學(xué)生使用頻譜分析儀、矢量信號分析儀、示波器等儀器儀表分別對鏈路中的信號和解調(diào)處理后的信號進(jìn)行測量，觀察頻譜圖和調(diào)制星座圖等測量結(jié)果，得到信噪比、誤碼率等參數(shù)。

（4）學(xué)生記錄相關(guān)測量結(jié)果，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（5）老師組織課堂討論和總結(jié)。

2.3 教學(xué)效果分析

通過上述實驗教學(xué)，學(xué)員能夠提高實踐能力，加深對理論知識的理解。預(yù)期教學(xué)效果具體包括以下方面。

（1）掌握衛(wèi)星通信信號測試分析方法。了解測量儀器的使用原則，熟悉儀器操作方法，掌握衛(wèi)星通信信號測試技術(shù)，學(xué)會分析測量數(shù)據(jù)及誤差來源，會測試衛(wèi)星通信設(shè)備性能。通過觀察理想信道、真實信道、干擾信道條件下信號頻譜、信號功率、噪聲功率等加深對衛(wèi)星信號特征的理解，形成對信號特征、異常信號的識別能力，進(jìn)一步具備一定的故障定位能力。

（2）加深衛(wèi)星通信原理認(rèn)知。通過搭建L頻段衛(wèi)星通信鏈路，進(jìn)一步熟悉衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成、信道特征和鏈路預(yù)算方法。通過測量不同多址方式、調(diào)制方式、信道編碼方式以及轉(zhuǎn)發(fā)器工作模式的性能和信號特征，加深對各種通信體制特點的認(rèn)識。

（3）掌握衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計方法。由于實驗教學(xué)平臺依托硬件設(shè)備，有許多參數(shù)需要自行設(shè)計，這不僅需要學(xué)生對各種硬件功能和接口有較深的理解，也需要學(xué)生熟悉衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計中的各種參數(shù)。實驗中將真實的衛(wèi)星通信信道囊括到整個系統(tǒng)設(shè)計，學(xué)生能夠根據(jù)通信質(zhì)量要求調(diào)整調(diào)制方式、信道編碼方式和發(fā)射功率等系統(tǒng)參數(shù)，驗證不同站型、不同信道條件下的鏈路傳輸能力。

（4）學(xué)會衛(wèi)星通信設(shè)備組網(wǎng)操作。由于實驗平臺依托真實衛(wèi)星通信設(shè)備構(gòu)建，在衛(wèi)星通信鏈路搭建時，需要完成衛(wèi)星通信組網(wǎng)相關(guān)操作，具體包括衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)頻譜資源分配、號碼地址管理、地球站參數(shù)配置、入網(wǎng)開通、運行狀態(tài)檢測、設(shè)備保養(yǎng)維護檢查等操作。學(xué)生在課程實驗中，可以掌握衛(wèi)星通信設(shè)備典型操作方法，為后續(xù)走上工作崗位打下基礎(chǔ)。

3 軟件無線電的拓展實驗設(shè)計

為了進(jìn)一步提高教學(xué)的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，引入軟件無線電技術(shù)，設(shè)置基于通用軟件無線電外設(shè)（Universal Software Radio Peripherals，USRP）和實驗室虛擬儀器工作平臺（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，LabVIEW）的拓展實驗。

USRP是軟件無線電領(lǐng)域廣泛使用的硬件平臺，能夠產(chǎn)生軟件重配置的射頻通信信號，具有良好的可擴展性和操作便捷性。LabVIEW 圖形化軟件開發(fā)集成環(huán)境是目前非常流行的虛擬儀器創(chuàng)建工具。將LabVIEW圖形化構(gòu)建的實驗?zāi)K以及虛擬化的實驗系統(tǒng)落實到具體的USRP 硬件平臺上，不同的通信功能模塊都可以通過USRP 實驗平臺得到實現(xiàn)，完成真實的通信過程。在教學(xué)和科研領(lǐng)域，使用USRP 和LabVIEW相結(jié)合的系統(tǒng)平臺來仿真和開發(fā)通信鏈路及系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，受到國內(nèi)外很多高校的認(rèn)可［13-15］。

鑒于LabVIEW具有敏捷開發(fā)能力，可以將衛(wèi)星地球站通過LabVIEW 圖形化編程實現(xiàn)，并實時運行于USRP的硬件平臺，模擬一個衛(wèi)星地球站的信號處理過程并產(chǎn)生L 頻段中頻信號。如圖3 所示，將USRP與信道模擬器和通信衛(wèi)星模擬設(shè)備相連接，即可實現(xiàn)整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)的模擬。

圖3 基于LabVIEW和USRP的衛(wèi)星通信模擬

拓展實驗采取老師布置題目，學(xué)生自選題目或自主擬題的模式展開，打破了傳統(tǒng)課上實驗教學(xué)內(nèi)容和時長限制。學(xué)生可以自行選擇感興趣的實驗，設(shè)計實驗方案，開發(fā)編寫實驗軟件模塊，測試驗證并分析得到實驗結(jié)果。教師通過線上交流答疑、發(fā)布學(xué)習(xí)資料來提供必要的幫助技術(shù)和技術(shù)指導(dǎo)，并在平臺測試時保障安全。同時，通過構(gòu)建衛(wèi)星通信系統(tǒng)并進(jìn)行相應(yīng)的信號處理工作，也為學(xué)生申請專利和發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文提供支撐。圖4 給出了學(xué)生LabVIEW 典型編程實例的圖形化界面。

圖4 LabVIEW典型編程實例的圖形化界面

通過拓展實驗，不僅讓學(xué)生自行編寫不同通信軟件模塊，也讓學(xué)生觀察和調(diào)試通信模塊的硬件運行。學(xué)生需要綜合運用通信專業(yè)知識，完成衛(wèi)星通信系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計和信號處理，從而加深對通信系統(tǒng)各模塊的作用和功能的理解。拓展實驗可以充分發(fā)掘?qū)W生的主觀能動性，激發(fā)學(xué)生研究新的實驗方法，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生積極投身通信專業(yè)工程和科研實踐。

4 結(jié) 語

基于信道模擬器、地球站模擬設(shè)備、通信衛(wèi)星模擬設(shè)備構(gòu)建L頻段衛(wèi)星通信模擬平臺，實現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的實物模擬。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建匹配課程內(nèi)容的衛(wèi)星通信實驗課程教學(xué)體系，并基于USRP 和LabVIEW開展拓展實驗。通過實驗教學(xué)，學(xué)生能夠鞏固理論知識，掌握衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計分析方法，熟悉衛(wèi)星通信設(shè)備操作，提高通信工程綜合實踐和創(chuàng)新能力。