寬帶衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺的設(shè)計

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)星通信實驗教學(xué)平臺的設(shè)計

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)

為滿足寬帶衛(wèi)星通信的實驗教學(xué)改革和科研創(chuàng)新需要，設(shè)計并搭建了寬帶衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺。該平臺由信源處理單元、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。通過該系統(tǒng)，學(xué)生可以自行選擇視頻/音頻信號及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行傳輸。通過參數(shù)配置，該系統(tǒng)可以實現(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，通過設(shè)計和搭建寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)，學(xué)生可以加深對新型衛(wèi)星通信鏈路傳輸原理的掌握和信號處理算法的理解。

衛(wèi)星通信鏈路； 實驗教學(xué)平臺； 模塊設(shè)計； 調(diào)制解調(diào)

0 引 言

衛(wèi)星通信[1-4]是一種采用衛(wèi)星實現(xiàn)全球無縫覆蓋的通信方式。衛(wèi)星通信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭、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、實時是衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向。隨著集成電子技術(shù)、計算機技術(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、電視、窄帶數(shù)據(jù)發(fā)展為包括話音、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)等級和質(zhì)量需求的特點。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)濟發(fā)達的城市地區(qū)，而不能給農(nóng)村、人口稀少和經(jīng)濟落后的地區(qū)提供寬帶服務(wù)。相對于其他通信方式，衛(wèi)星可實現(xiàn)全球組播和廣播通信，是解決有線網(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，在地面有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時可以作為有效的通路保證通信的連續(xù)性[5]；衛(wèi)星地面站安裝簡單，可在全球的任何位置實現(xiàn)寬帶多媒體無線通信。

隨著寬帶衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)技術(shù)[6-9]應(yīng)用的深入，我國對于寬帶衛(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)的理論與工程實踐緊密結(jié)合，該技術(shù)的難點在于工程實踐；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)計和實現(xiàn)算法都不相同，而這些都難以通過課堂教學(xué)的方式講授給學(xué)生。

為了解決上述問題，北京理工大學(xué)通信技術(shù)研究所經(jīng)過多年的研究與實踐，在國家“211工程”、“985工程”相關(guān)項目以及“多元信息系統(tǒng)國防重點學(xué)科實驗室”建設(shè)的支持下，構(gòu)建了寬帶衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺。該平臺基于先進的衛(wèi)星視頻廣播標(biāo)準(zhǔn)[10]，可以為學(xué)生提供接觸、設(shè)計和構(gòu)建寬帶衛(wèi)星數(shù)字傳輸系統(tǒng)的機會，體現(xiàn)了“理論與實踐相結(jié)合”的實驗教學(xué)理念；該平臺對數(shù)字通信理論教學(xué)、實驗教學(xué)和科學(xué)研究有著良好的推動作用，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)星傳輸實驗教學(xué)平臺設(shè)計

1.1 平臺總體設(shè)計

為了滿足性能要求，寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中信號發(fā)送端和接收端各個單元獨立設(shè)計，并且各個單元采用性能良好的專用設(shè)備組成。模塊化單元的設(shè)計有利于傳輸系統(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)星傳輸實驗教學(xué)平臺組成如圖1所示。該平臺主要包括：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)生器和實時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)星傳輸實驗教學(xué)平臺組成示意圖

頻信號進行壓縮編碼，形成標(biāo)準(zhǔn)的E1碼流(2.048 Mb/s)，通過可調(diào)E1×N(N=1，2，3，4)通信接口傳輸給下一級設(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E1×N輸出接口，自動進行碼率調(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)用器用于實現(xiàn)最多16個E1基群支路數(shù)字信號到E3(34.768 Mb/s)三次群之間的復(fù)用。通過復(fù)用/解復(fù)用器可以實現(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；最高符號速率可達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，可用來對調(diào)制后的中頻信號加高斯白噪聲，模擬實際的信道條件。

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

1.3 實驗教學(xué)平臺的搭建

寬帶衛(wèi)星傳輸實驗教學(xué)平臺可提供兩種實驗條件。

(1) 理想信道條件下傳輸場景。即在數(shù)據(jù)傳輸過程中，調(diào)制后的中頻信號直接通過電纜和解調(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景。即在數(shù)據(jù)傳輸過程中，調(diào)制后的中頻信號通過噪聲發(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)星通信實驗教學(xué)平臺實際環(huán)境如圖2所示。

圖2 寬帶衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺

1.4 實驗教學(xué)內(nèi)容

該實驗教學(xué)平臺主要培養(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三個方面的能力。

在系統(tǒng)設(shè)計方面，學(xué)生需要根據(jù)衛(wèi)星通信傳輸帶寬要求設(shè)計系統(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)對信源的實時視頻/音頻信號進行傳輸后，對接收的信號進行分析，設(shè)計高效的基帶解調(diào)算法，從而得到恢復(fù)出來的信號。

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)過程中定時[14]誤差增大；理想信道傳輸時，QPSK基帶信號星座點集中，當(dāng)有噪聲影響時，星座點發(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)星通信實驗教學(xué)平臺

2.1 開放式實驗教學(xué)模式，創(chuàng)造良好研究環(huán)境

該實驗教學(xué)平臺實行開放式管理，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的限制，學(xué)生可以自行選擇感興趣的實驗題目、設(shè)計實驗方案以及調(diào)試實驗設(shè)備來完成實驗內(nèi)容。平臺以學(xué)生為核心，充分發(fā)掘?qū)W生的特長，吸引學(xué)生積極地參加到通信工程專業(yè)的科研中來。在實驗教學(xué)過程中，教師負(fù)責(zé)保障實驗操作的安全及提供相關(guān)的幫助和技術(shù)指導(dǎo)。

由于實驗教學(xué)平臺依托硬件設(shè)備，有很多參數(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)生對衛(wèi)星通信鏈路設(shè)計中的各種參數(shù)有深入的了解，因此可以幾名學(xué)生共同協(xié)作來設(shè)計、測量參數(shù)，有助于培養(yǎng)學(xué)生團結(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，增加實驗教學(xué)內(nèi)容

衛(wèi)星通信信號處理專業(yè)的課程理論性強，需要基于實際的衛(wèi)星通信鏈路加深學(xué)生對理論知識的理解，寬帶衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺可以實現(xiàn)這個目標(biāo)。通過進行實驗和軟件仿真，學(xué)生可以參與衛(wèi)星通信傳輸系統(tǒng)的設(shè)計、搭建、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計和基帶信號處理[15-16]等過程的工作。學(xué)生在實驗過程中遇到通信原理的理論問題，可以回到專業(yè)書籍中尋找答案。學(xué)生通過不斷的實驗、學(xué)習(xí)，理論教學(xué)的質(zhì)量得到實質(zhì)性的提升，實現(xiàn)良性循環(huán)。

該實驗教學(xué)平臺服務(wù)于學(xué)生的實驗教學(xué)，可以提供下面三類實驗教學(xué)內(nèi)容：

(1) 專業(yè)性實驗。該類實驗主要針對通信工程專業(yè)學(xué)生設(shè)計。通過該平臺深入理解通信系統(tǒng)各模塊的作用和功能，完成專業(yè)課程的實驗教學(xué)任務(wù)。

(2) 興趣性實驗。該類實驗主要面向信息類專業(yè)的學(xué)生設(shè)計。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣特長，構(gòu)建寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)并進行相應(yīng)的信號處理工作，實驗由學(xué)生自行開展。

(3) 創(chuàng)新性實驗。該類實驗面向有創(chuàng)新思維的學(xué)生開展課題研究。該實驗平臺采用板卡化設(shè)計，通過增加或減少板卡來完成寬帶衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的實驗并得到相關(guān)的測試數(shù)據(jù)，為學(xué)生申請發(fā)明專利和發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文提供數(shù)據(jù)支撐。

3 結(jié) 語

寬帶衛(wèi)星通信實驗教學(xué)平臺基于板卡化設(shè)計和開放型實驗教學(xué)模式，使學(xué)生能主動開展各類實驗，既加深了學(xué)生對衛(wèi)星通信理論的理解，又增強了學(xué)生對寬帶衛(wèi)星通信傳輸過程中信號處理的感性認(rèn)識，同時培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決技術(shù)問題的能力。該平臺為學(xué)生申請發(fā)明專利和發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文創(chuàng)造了良好的實驗條件，它必將成為卓越的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)平臺，并為建設(shè)高水平研究型大學(xué)貢獻力量。

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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

國家自然科學(xué)基金(61072049)；北京理工大學(xué)實驗教學(xué)骨干教師培養(yǎng)項目

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