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）

0 引 言

衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為空天地海一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重大基礎(chǔ)設(shè)施，以其覆蓋范圍廣、通信質(zhì)量好、運行維護費用低等特點在航空航天通信、現(xiàn)代戰(zhàn)爭、抗震救災(zāi)、航海和個人邊遠地區(qū)通信等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用［1-4］。衛(wèi)星通信的深入發(fā)展要求培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。但是，在現(xiàn)有衛(wèi)星通信課程教學(xué)過程中存在如下問題［5-9］：①衛(wèi)星通信技術(shù)本身與工程實踐結(jié)合緊密，學(xué)生難以在灌輸式的理論課堂中理解微波與衛(wèi)星通信的基本原理與關(guān)鍵技術(shù)、地球站和轉(zhuǎn)發(fā)器的組成與工作過程，并且不同應(yīng)用背景下的通信系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)算法也不能在理論課堂中講授給學(xué)生；②受限于衛(wèi)星通信設(shè)備的高成本，即便部分高校開設(shè)實驗課程，通常也僅限于仿真實驗或演示和觀摩實驗，這類課程難以增加學(xué)生的學(xué)習(xí)投入度，也無法與工程實際結(jié)合來培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。面向我國對信息電子相關(guān)專業(yè)工程型創(chuàng)新人才培養(yǎng)的迫切需求，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)改革目標［10］，如何設(shè)計和改進微波與衛(wèi)星通信實驗課程平臺對培養(yǎng)從事微波與衛(wèi)星通信方向的科學(xué)研究、工程設(shè)計、開發(fā)、設(shè)備制造等工程型人才具有重要意義。

參照國際標準C或L波段通信衛(wèi)星，采用二次變頻方式構(gòu)建C波段同步衛(wèi)星通信實驗平臺。該平臺使用全開放式的微帶電路設(shè)計理念，不僅能讓學(xué)生更加深刻地理解微帶有源無源電路的設(shè)計方法，而且能夠讓學(xué)生直觀地接觸實驗平臺中的各模塊，有助于提升學(xué)生的動手能力、思考能力、創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了理論與實踐相結(jié)合的教學(xué)理念，能夠提升理論教學(xué)、實踐教學(xué)和創(chuàng)新設(shè)計比賽等方面的教學(xué)效果。

1 實驗教學(xué)平臺設(shè)計

1.1 實驗平臺組成

為了培養(yǎng)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才，建設(shè)了微波與衛(wèi)星通信實驗平臺，總體組成如圖1所示。該平臺采用二次變頻方式，由地球站發(fā)射系統(tǒng)、地球站接收系統(tǒng)和模擬同步通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)組成，具備C波段衛(wèi)星通信實時鏈路傳輸?shù)墓δ堋Ｔ撈脚_主要包括音視頻中頻調(diào)制解調(diào)器、中頻濾波器和放大器（增益可控）、微波低噪放大器和功率放大器、微波上下變頻器、微波/微帶帶通濾波器、微波鎖相及壓控振蕩器、微波可變衰減器（模擬與數(shù)字）、微波傳輸線、耦合器、收發(fā)天線、實時頻譜分析儀等硬件設(shè)備，其中中頻調(diào)制器、中頻濾波器和放大器組成的系統(tǒng)可以完成微波部件及微波電路系統(tǒng)測試實驗。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合混頻器、收發(fā)天線、模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器能完成衛(wèi)星通信傳輸部分和天線測量實驗。

圖1 實驗平臺設(shè)計功能框圖

為了掌握微波與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本原理與信號傳輸流程，實驗教學(xué)平臺中各硬件單元獨立設(shè)計，模塊化的設(shè)計方法有助于學(xué)生開展中頻、高中頻和射頻等接口的測量，使學(xué)生掌握射頻前端模塊的關(guān)鍵參數(shù)和作用，深刻理解衛(wèi)星通信系統(tǒng)中信號的傳輸流程，利用測量的參數(shù)開發(fā)并驗證各單元模塊。另外，該平臺采用的開放式微帶電路設(shè)計方法便于學(xué)生理解微波電路在系統(tǒng)中的應(yīng)用狀態(tài)和功能，若與各種終端和其他教學(xué)試驗箱連接，有助于提升學(xué)生二次開發(fā)的創(chuàng)新設(shè)計能力。

1.2 主要模塊

（1）中頻調(diào)制解調(diào)器。中頻調(diào)制器輸入攝像頭實時采集的音頻、視頻信號，分別采用調(diào)頻（Frequency Modulation，F(xiàn)M）和調(diào)幅（Amplitude Modulation，AM）兩種模擬調(diào)制方式獲得70 MHz中頻調(diào)制信號（功率15～10 dBm）。開放式的調(diào)制器模塊有利于調(diào)節(jié)調(diào)制度、音頻調(diào)制和輸出電平等參數(shù)。分別測量空載波、單載波、雙載波時的已調(diào)信號頻譜和時域波形，比較其中心頻率、峰值功率等參數(shù)，學(xué)生能更深刻地理解中頻調(diào)制器的原理。雙載波時的調(diào)制示意圖如圖2所示。接收端的接口類型、解調(diào)方式等參數(shù)與調(diào)制器一致。若同時恢復(fù)出高質(zhì)量音頻和視頻信號，需利用乘法器、低通濾波器和二極管包絡(luò)檢波組成的同步檢波方式。

圖2 雙載波調(diào)制原理圖

（2）鎖相環(huán)與微波上下變頻器。圖1所示的實驗教學(xué)平臺采用二次變頻方式獲得C波段衛(wèi)星信號，其中本地振蕩頻率分別由960 MHz和5.12 GHz鎖相環(huán)產(chǎn)生?；祛l器將輸入信號與本地振蕩頻率相乘，產(chǎn)生新的頻率成分。該實驗平臺采用雙平衡無源混頻器來獲得具有良好動態(tài)范圍、高線性度和低噪聲系數(shù)等特性的混頻信號。

（3）帶通濾波器。濾波器是一種用來濾除噪聲、分離或組合不同頻率微波信號的二端口網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)由具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng)組成。所建實驗平臺包括中頻濾波器、高中頻濾波器和帶通濾波器，前者實現(xiàn)對70 MHz中頻信號的濾波，后者完成混頻信號上邊帶的選頻。

（4）實時頻譜分析儀。實驗系統(tǒng)將采用RSA 5065-TG實時分析儀，工作頻率為9 kHz～6.5 GHz，用來測量調(diào)制信號的頻譜、有源無源電路的關(guān)鍵參數(shù)，分析各模塊對傳輸信號的影響。

1.3 實驗平臺搭建

微波與衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺可以提供如下2種實驗條件：

（1）理想信道條件下傳輸場景。為了避免實驗環(huán)境中噪聲、干擾對天線輻射電磁波的影響，能使用電纜線代替收發(fā)天線，直接連接地面站系統(tǒng)與模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器系統(tǒng)，實現(xiàn)理想信道環(huán)境下對系統(tǒng)性能的分析。

（2）真實信道條件下傳輸場景。天線是實現(xiàn)通信的重要部件，在發(fā)射端將產(chǎn)生的電磁波輻射出去，在接收端對接收信號進行信號處理［11-12］。發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)與模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器之間分別采用6 GHz和4.8 GHz天線連接，如圖3所示。通過接收端測量發(fā)現(xiàn)，真實信道條件下的信號功率遠低于理想信道傳播場景下的信號功率，其原因包括天線的性能與耦合、各種噪聲與干擾、多套實驗平臺近距離同時工作時的相互影響及自由空間傳播損耗等。通過實驗?zāi)芘囵B(yǎng)學(xué)生將測試結(jié)果與衛(wèi)星通信鏈路工程中的理論結(jié)果進行對比，分析誤差來源。

圖3 微波與衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺

1.4 通信工程本科專業(yè)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

該實驗教學(xué)目標是培養(yǎng)本科生掌握微波PCB電路部分的工作原理與設(shè)計思想、衛(wèi)星通信傳輸系統(tǒng)設(shè)計與信號傳輸?shù)确矫娴哪芰Α?/p>

在信號傳輸方面，學(xué)生需要掌握各微帶電路模塊的工作原理，結(jié)合測量的關(guān)鍵參數(shù)（如中心頻率、峰值功率、3 dB帶寬）對比分析傳播信號的頻譜，掌握電路模塊的功能。圖4～6為中頻已調(diào)信號的頻譜，其中視頻AM調(diào)制的本振載波為70 MHz，音頻FM調(diào)制的本振載波為63.5 MHz。雙載波同時調(diào)制時，載波信號的頻率和幅度均隨調(diào)制信號變化而變化。另外，學(xué)生可以自主設(shè)計其他類型的微波部分和組件系統(tǒng)，利用平臺中的射頻開關(guān)接口驗證其功能。

圖4 視頻已調(diào)信號頻譜

圖5 音頻已調(diào)信號頻譜

圖6 音視頻雙載波已調(diào)信號頻譜

1.5 實驗內(nèi)容與課程內(nèi)容結(jié)合

為配合理論教學(xué)，建設(shè)微波與衛(wèi)星實驗教學(xué)平臺，為學(xué)生提供開放式的實驗環(huán)境，使學(xué)生在真實實驗設(shè)備與系統(tǒng)、實驗室環(huán)境下完成有源無源電路與信號的測量與分析，掌握微波核心電路部件的功能及其對傳輸信號的影響。通過實驗，學(xué)生能更加深刻地理解衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理、傳輸過程，為今后從事衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)工作奠定理論基礎(chǔ)，積累實踐經(jīng)驗。因此，設(shè)計的實驗平臺即是一個微波中頻部分的處理系統(tǒng)，又是射頻信號的處理與傳播系統(tǒng)，因而，該平臺可以完成4部分的實驗，包括微波電路、微波技術(shù)應(yīng)用、微波/衛(wèi)星通信傳輸、微波天線測試部分。與課程內(nèi)容相結(jié)合的實驗內(nèi)容體現(xiàn)如下：

（1）70 MHz中頻模塊與信號傳輸分析。該模塊包括信號產(chǎn)生、調(diào)制、濾波器與變換，在電路結(jié)構(gòu)上與微波系統(tǒng)類似。

（2）高中頻單元電路與信號分析。該模塊包括鎖相環(huán)產(chǎn)生本振頻率與混頻器，與L波段衛(wèi)星信號傳輸類似。

（3）微帶電路結(jié)構(gòu)與信號傳輸分析。該模塊設(shè)計射頻天線、模擬衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器測量及信號傳輸完整性分析。根據(jù)測量開展鏈路預(yù)算，考查學(xué)生對C波段射頻鏈路的理解。在獲得音視頻高質(zhì)量傳輸過程中，要求學(xué)生分析誤差來源，學(xué)會調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，培養(yǎng)解決問題的能力。

2 實驗教學(xué)平臺的特色

平臺集成再現(xiàn)了微波信號的產(chǎn)生、變換、濾波、放大、控制、電波傳輸、收發(fā)等過程，并采用了開放式的微波電路結(jié)構(gòu)、標準射頻接口和撥動開關(guān)方式，可進行靈活的部件和分系統(tǒng)測試，其特色主要有：

（1）完整性。以實踐操作為宗旨，按照微波與衛(wèi)星通信設(shè)備的工業(yè)標準思路來設(shè)計，能組成一個完整衛(wèi)星通信收發(fā)系統(tǒng)，也能實現(xiàn)單元電路的測試實驗。

（2）透明化。全開放微帶電路技術(shù)，徹底解決了封閉式電路給實驗教學(xué)帶來的弊端，讓學(xué)生直觀地看到每部分單元電路，了解微帶電路的實際結(jié)構(gòu)和特點，這種設(shè)計理念是該平臺的顯著特色。

（3）模塊化。主要電路之間留有獨立的射頻接口，配上功率分配器和開關(guān)可進行單元電路或小系統(tǒng)的測試和監(jiān)測，即可用微波頻譜儀測試各點信號的傳輸狀況，還能方便更換終端，可把視頻終端改成學(xué)生設(shè)計的終端設(shè)備。

（4）自主性與可擴展性。能進行二次開發(fā)，通過電路中的射頻接頭和開關(guān)的設(shè)置，可把學(xué)生設(shè)計的電路部件通過標準電纜接頭接入系統(tǒng)中，驗證設(shè)計成果。

3 存在問題與教學(xué)方法思考

3.1 存在問題

盡管部分高校已經(jīng)開設(shè)衛(wèi)星通信實驗課程，但是受限于昂貴的實驗設(shè)備，尤其是西部偏遠地區(qū)高校，課程中大多為仿真或演示觀摩類實驗，難以讓學(xué)生直觀地掌握衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信號傳輸過程。盡管我校電子與信息工程專業(yè)、通信工程專業(yè)和廣播電視工程專業(yè)已經(jīng)開設(shè)了硬件電路的測量實驗，但是仍存在如下問題：

（1）前期基礎(chǔ)知識不足。目前，學(xué)院導(dǎo)向中未體現(xiàn)該課程在培養(yǎng)微波衛(wèi)星通信人才方面的重要性，僅僅為無線通信技術(shù)與應(yīng)用模塊中的一門選修課程，這不僅導(dǎo)致學(xué)生沒有射頻通信電路、無線通信電波傳播、通信天線技術(shù)、電子系統(tǒng)設(shè)計等前期課程的基礎(chǔ)，而且較低的學(xué)分使得學(xué)生對該門課程興趣較低，很可能出現(xiàn)無法開課的問題。

（2）教師梯度不合理。近年來，學(xué)院中承擔新開理論課及實驗課程的教師大多為新入職教師，他們不僅沒有授課經(jīng)歷，而且缺乏工程實踐能力，對學(xué)生的指導(dǎo)會存在力不從心的問題，難以達到教學(xué)的效果。

（3）學(xué)時數(shù)不足。相比理論教學(xué)，實踐教學(xué)的學(xué)時數(shù)有限，導(dǎo)致學(xué)生重理論、輕實踐，因而即便采用開放結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，學(xué)生也不能對整個衛(wèi)星通信系統(tǒng)有較全面系統(tǒng)的理解；另外，當今大學(xué)生本身缺乏積極探索知識的能動性，以完成課程內(nèi)容、獲得學(xué)分為目標，即便設(shè)置課前預(yù)習(xí)、課內(nèi)檢測、課后思考以及實驗內(nèi)容規(guī)劃等環(huán)節(jié)，也不足以調(diào)動學(xué)生的積極性，學(xué)時設(shè)置的不合理不利于培養(yǎng)學(xué)生分析、解決問題的自主創(chuàng)新能力。

（4）實驗平臺與場地缺乏。從高校的教學(xué)方式與重視程度來看，傳統(tǒng)實驗教學(xué)受到場地、經(jīng)費和設(shè)備等條件限制，制約了實驗環(huán)節(jié)的教學(xué)質(zhì)量，已經(jīng)不能滿足信息時代的教學(xué)需求［10］。我校受限于昂貴的實驗設(shè)備，目前開設(shè)微波與衛(wèi)星通信的高校也只購置了4套平臺，采用分組的模式開展實驗教學(xué)，若選修課程的人數(shù)太多，即便采用小班制也無法滿足2或3人1組，對于團隊協(xié)作意識較弱與能動性較差的學(xué)生，難以組織實踐環(huán)節(jié)。

3.2 教學(xué)方法改進

（1）系統(tǒng)性實踐類課程的設(shè)計。從系統(tǒng)級的角度有效地統(tǒng)籌設(shè)計實驗內(nèi)容是通信或電子信息類專業(yè)一個難以解決的問題。但是，通信與信息類專業(yè)涉及的微波與射頻系統(tǒng)設(shè)計、模擬集成電路設(shè)計、電波傳播與輻射測量與仿真、通信天線技術(shù)等課程與衛(wèi)星通信實驗課有相同之處，可以探討微波及射頻電子電路及系統(tǒng)、電磁波傳播與天線等課程的實驗改革，形成“虛實互補、相互支撐”一體化的實踐教學(xué)平臺體系［10-13］，進而培養(yǎng)學(xué)生對通信系統(tǒng)的整體認識。

（2）開放實驗室，創(chuàng)造良好的自主創(chuàng)新環(huán)境。開放性實驗室建設(shè)對促進教育改革、培養(yǎng)創(chuàng)新型人才、推進素質(zhì)教育具有十分重要的意義。我校建設(shè)的實驗平臺具有二次開發(fā)的功能，不僅能與微波通信和移動通信設(shè)備組網(wǎng)，還能通過標準接口與工業(yè)終端設(shè)備相連接。前期開發(fā)的16學(xué)時課內(nèi)實驗中，學(xué)生往往難以在課堂中完成實驗內(nèi)容，更不會利用課余時間自主創(chuàng)新性地設(shè)計出衛(wèi)星通信系統(tǒng)相關(guān)的微帶電路。為了培養(yǎng)衛(wèi)星通信領(lǐng)域的創(chuàng)新型人才，教學(xué)中將采用“學(xué)生參與、教師指導(dǎo)、成立衛(wèi)星通信實驗課題組”的開放式教學(xué)模式，以分段引導(dǎo)式實施課題［14-15］。具體實施方法為：①實驗老師根據(jù)不同層次的學(xué)術(shù)提出具有創(chuàng)新性、層次性、趣味性等特點的實踐課題，構(gòu)建開放性實驗課題庫；②學(xué)生組建團隊，自主討論并選擇最佳課題，老師以學(xué)生為主，指導(dǎo)學(xué)生論證課題實施方案的可行性并制定總體目標；③ 實驗項目分層明確實施方法，提出關(guān)鍵問題的解決方法；④ 搭建軟件與硬件系統(tǒng)，對課題進行實現(xiàn)、測試和驗證；⑤ 分析實驗數(shù)據(jù)，總結(jié)并撰寫文檔，開展現(xiàn)場演示答辯，對小組課題進行考評。上述方法的實施能夠培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題、團隊協(xié)作等能力，但方案不夠完善，有待進一步檢驗與改善。

（3）合理的考核評價機制。以往實踐課程考核機制中簽到、現(xiàn)場操作、實驗報告分別按10%、40%和50%記入總成績，缺乏詳細的過程考核方式。針對此問題，可以取消簽到考核分數(shù)，增加課前實驗內(nèi)容規(guī)劃、課堂測試、開放課題設(shè)計、現(xiàn)場演示、答辯等環(huán)節(jié)［16-17］。相比以往的考核機制，課前規(guī)劃能考查學(xué)生掌握的基礎(chǔ)知識、分析實驗內(nèi)容、制定實驗步驟、提出解決方法等方面的能力；開放課題設(shè)計能考查學(xué)生設(shè)計實驗內(nèi)容和目標、制定實驗方案、分析實驗數(shù)據(jù)、總結(jié)實驗結(jié)果等方面的能力?？荚u機制改革能培養(yǎng)學(xué)生在團隊合作模式下的自主學(xué)習(xí)與解決實際問題的能力，但還需要在課程中實施，分析實際的教學(xué)效果。

4 結(jié) 語

微波與衛(wèi)星通信實驗平臺采用同步衛(wèi)星工作方式，按工業(yè)產(chǎn)品通用的二次變頻設(shè)計，并且配套通信衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)圖像和話音的實時傳輸。平臺的地面終端設(shè)備采用開放式設(shè)計思路，留有標準射頻接口，具備在線頻譜測試、故障設(shè)置、排除檢修、模塊二次開發(fā)等功能，使學(xué)生能接觸式地開展各類實驗，既深化學(xué)生對衛(wèi)星通信理論的理解，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。利用該平臺擬設(shè)立的開放性實驗室為學(xué)生提供課程實踐、創(chuàng)新設(shè)計、科學(xué)研究等環(huán)境，助力通信與電子信息工程、微波技術(shù)與天線等專業(yè)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。