廖 希，余 翔，廖莎莎，李 強，明 艷

衛(wèi)星通信實驗平臺設(shè)計與教學(xué)體系構(gòu)建

廖 希，余 翔，廖莎莎，李 強，明 艷

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

設(shè)計了一套基于二次變頻方式的C波段衛(wèi)星通信實驗平臺。通過基于該平臺建設(shè)的教學(xué)體系，使學(xué)生能夠更加直觀、深刻地理解衛(wèi)星信號傳輸過程與信號處理理論，提升實踐和創(chuàng)新能力，提高了衛(wèi)星通信實驗教學(xué)質(zhì)量。

衛(wèi)星通信；實驗教學(xué)平臺；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)能夠為我國智慧城市、應(yīng)急救災(zāi)、航空航天、國家安全等多個領(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、寬帶和移動性等方向發(fā)展，以滿足用戶日益增長的需 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、開發(fā)、設(shè)備制造等創(chuàng)新型工程技術(shù)人才，需要開設(shè)衛(wèi)星通信課程。對于信息與通信類本科生，開設(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程，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決衛(wèi)星通信實際問題的能力。衛(wèi)星通信課程建設(shè)包括理論課程和課內(nèi)實踐課程，通過實驗建設(shè)實現(xiàn)課堂理論教育與實踐教學(xué)的閉環(huán)，使學(xué)生能夠?qū)⒄n堂學(xué)到的理論知識應(yīng)用到實際工程中去。

圍繞“實踐為基，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)星通信實踐課程。張峰干等[5]提出基于坎巴拉太空計劃沙盤風(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，開發(fā)了一套無線移動通信+衛(wèi)星動中通系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]設(shè)計并搭建了寬帶衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺，學(xué)生可以自行選擇視頻/話音信號以及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，來理解衛(wèi)星通信的基本原理，通過設(shè)計專業(yè)性、開放性和創(chuàng)新性實驗，培養(yǎng)學(xué)生在寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)設(shè)計、平臺搭建和基帶信號處理等方面的能力。為滿足寬帶衛(wèi)星通信實驗教學(xué)及科研項目需求，北京大學(xué)衛(wèi)星通信中心構(gòu)建了一套基于Hollis的寬帶實時衛(wèi)星信道模擬平臺[7]。該平臺由可編程調(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)驗證難，且相關(guān)儀器設(shè)備昂貴，使得相關(guān)實驗課程開設(shè)舉步維艱。

本文將分析傳統(tǒng)衛(wèi)星通信實驗教學(xué)現(xiàn)象引發(fā)的教學(xué)問題；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)實驗平臺；結(jié)合實驗平臺的功能模塊，構(gòu)建實驗教學(xué)體系；以射頻天線和無線信道給出實施過程和學(xué)生實驗結(jié)果。

1 傳統(tǒng)實驗現(xiàn)象與教學(xué)問題分析

實踐實驗課程在高校培養(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)，高校開設(shè)的衛(wèi)星通信實驗課程中，設(shè)置的軟件類和硬件類實驗存在以下2大類問題，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)衛(wèi)星通信實驗課程的教學(xué)問題分析

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)生這一問題的原因分析如下：

（1）系統(tǒng)性知識儲備不足。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)生前期知識儲備薄弱，在實驗中無法解決操作過程中涉及的關(guān)鍵問題，難以理解實驗現(xiàn)象并得出正確的結(jié)論。

（2）教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新性、擴展性不強。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)計和開發(fā)等方面的創(chuàng)新型人才，應(yīng)將科研項目成果轉(zhuǎn)化為理論與實驗課堂教學(xué)內(nèi)容，通過對最新研究突破及其項目實施案例等的講授，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)星通信理論和實驗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)一個或多個教學(xué)班。但是，衛(wèi)星通信課程不僅具有理論性和工程性強的特點，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)計型實驗內(nèi)容，則教師將難以勝任。因此需要改變這種管理方式，讓更多實驗室專業(yè)人員及研究實驗型、科研型教師加入到實踐教學(xué)中來，組建梯度合理的師資隊伍，并且通過激勵措施完善師資隊伍管理機制。

（2）設(shè)備與場地缺乏。衛(wèi)星通信實驗室設(shè)備購置、更換和維護(hù)成本較高，國內(nèi)高校，尤其是西部地方高校，沒有足夠的資金建設(shè)大量實驗平臺及租賃用于實驗教學(xué)的場地。而為節(jié)約經(jīng)費所開設(shè)的仿真類、演示類、觀摩類實驗無法讓學(xué)生進(jìn)行接觸式操作，小組式操作類實驗又難以進(jìn)行課堂管理，教學(xué)過程不易控制，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，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。投入少、能動性較弱的學(xué)生在小組式實驗操作中，往往協(xié)作能力不足，前期規(guī)劃質(zhì)量不高，動手能力較差，對實驗結(jié)果分析不準(zhǔn)確，無法達(dá)到教學(xué)目標(biāo)與要求。

2 C波段衛(wèi)星通信實驗平臺

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，人才培養(yǎng)模式要逐步改進(jìn)，專業(yè)課程的教學(xué)實驗改革也勢在必行。因此，如何設(shè)計衛(wèi)星通信實驗平臺、構(gòu)建教學(xué)體系、改進(jìn)教學(xué)方法，對提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力至關(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)星通信實驗平臺的衛(wèi)星通信隨課實驗。

2.1 總體功能平臺

基于二次變頻方式和開放式思路的C波段衛(wèi)星通信實驗平臺框圖如圖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)射端實時采集視頻、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)及信號傳輸流程如圖3所示。

圖2 C波段衛(wèi)星通信實驗平臺框圖

視頻、數(shù)據(jù)或話音信號輸入到調(diào)制器，變換成70 MHz中頻信號，依次經(jīng)過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混頻器。將70 MHz中頻信號和L波段本振頻率960 MHz相加，高中頻濾波器取出1.03 GHz信號后，經(jīng)過放大和濾波控制后輸入到第二級混頻器，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。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。

圖3 地面站電路結(jié)構(gòu)與信號傳輸流程示意圖

2.3 空間站

空間站模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收衛(wèi)星信號后通過轉(zhuǎn)發(fā)器放大后轉(zhuǎn)發(fā)，如圖4所示。從地面站發(fā)射來的5.925~6.425 GHz信號由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，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)星通信實驗教學(xué)體系構(gòu)建

參照國際標(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)星通信實驗平臺實物圖見圖5。該平臺包括上行發(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)中有源無源電路測試和信號系統(tǒng)性分析。

基于圖5所示的實驗平臺，可以建設(shè)的教學(xué)實驗項目如表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。

通過實驗學(xué)生能夠熟悉衛(wèi)星通信的基本技術(shù)，理解C波段衛(wèi)星信號傳輸過程，掌握微波電路系統(tǒng)中有源無源電路的設(shè)計思路和方法、關(guān)鍵參數(shù)及其測試方法等；能夠?qū)嵉販y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)計的電路部件外接到系統(tǒng)中進(jìn)行驗證。

圖5 衛(wèi)星通信實驗平臺實物圖

表1 教學(xué)實驗項目

4 衛(wèi)星通信實驗平臺教學(xué)實踐過程案例

4.1 教學(xué)資源建設(shè)

衛(wèi)星通信實驗課程綜合性較強，具有一定的復(fù)雜性，為了達(dá)到實驗?zāi)繕?biāo)與要求，除了購置衛(wèi)星通信實驗平臺、測試設(shè)備和分析儀器外，還需要詳細(xì)編寫實驗指導(dǎo)書、教學(xué)大綱、教學(xué)計劃、教案和多媒體PPT等教學(xué)資源，以便幫助學(xué)生快速掌握實驗項目的基礎(chǔ)理論和主要脈絡(luò)。

在實施過程中，針對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、積極性和投入度情況，采取“引導(dǎo)式互動交流教學(xué)機制”[9]，教師解析重點、難點和注意事項，并引導(dǎo)學(xué)生合作制定課前規(guī)劃和實驗步驟。同時根據(jù)學(xué)生反饋和教學(xué)資源進(jìn)行不斷完善。

4.2 實施過程及效果

在我校廣播電視工程專業(yè)和通信工程專業(yè)本科三年級學(xué)生中，安排了新建設(shè)的16學(xué)時實驗項目（見表1），參與學(xué)生累計達(dá)200余人。鑒于實驗平臺和場地限制，采取了分班分組合作方式。下面以射頻天線和無線信道實驗為例說明實施過程與效果。

4.2.1 射頻天線實驗

表2 5.8 GHz射頻天線測量數(shù)據(jù)

表2顯示5.9 GHz頻點為中心頻率，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頻率超過了天線的工作范圍。

4.2.2 無線信道實驗

上下行鏈路中的電磁波在傳輸過程中具有直射、透射、散射等特點[12]。為了讓學(xué)生理解衛(wèi)星信號受傳播信道的影響，基于實驗平臺設(shè)計了如下實驗：

（1）無噪聲理想信道傳輸實驗。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，能夠避免實驗環(huán)境中噪聲及其他干擾對上下行鏈路傳播信號的影響，實現(xiàn)理想信道環(huán)境下衛(wèi)星信號的傳輸。

（2）真實信道傳輸實驗。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。衛(wèi)星信道中傳輸?shù)碾姶挪ǎ瑢⑹艿皆肼暩蓴_、平臺間干擾、自由空間傳播損耗、天線耦合等因素影響。通過真實信道環(huán)境下的實驗，有助于學(xué)生理解衛(wèi)星通信信道傳播特點和信道基礎(chǔ)理論。

分別進(jìn)行上述2項實驗，測量模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的輸出信號，測得4.19 GHz頻率處的一組數(shù)據(jù)如表3所示。結(jié)果表明，真實信道下傳輸信號峰值功率和載波功率均低于理想信道。

表3 學(xué)生無線信道實驗數(shù)據(jù)

4.2.3 實驗收獲

參與實驗項目的學(xué)生在以下方面取得較大收獲：

（1）學(xué)會用電橋設(shè)備和頻譜儀的高級測量功能測試射頻天線的電性能指標(biāo)，進(jìn)一步加深了對射頻天線的認(rèn)識；

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

（3）了解了測量儀器的使用原則，學(xué)會了分析測量數(shù)據(jù)及誤差來源，進(jìn)一步加深了對理論知識的理解，提升了對衛(wèi)星通信的學(xué)習(xí)興趣。

5 結(jié)語

衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺地面站采用二次變頻方式，配套模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)圖像、數(shù)據(jù)和話音的實時傳輸。學(xué)生能夠利用開放式射頻接口自主開展所構(gòu)建的各類實驗項目，既加深學(xué)生對衛(wèi)星通信組成與信號傳輸過程的理解，又培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，能夠滿足通信與電子信息工程對衛(wèi)星通信實驗教學(xué)的要求，以及“新工科”對創(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

國家自然科學(xué)基金項目（61801062）；重慶市高等教育教學(xué)改革重大項目（151010）；重慶郵電大學(xué)博士啟動基金項目（E010A2016110A）；重慶市高等教育教學(xué)改革重點項目（182002）

廖希（1988—），女，四川綿陽，博士，講師，主要研究方向為微波與衛(wèi)星通信。E-mail: liaoxi@cqupt.edu.cn