衛星通信實驗平臺設計與教學體系構建

廖 希，余 翔，廖莎莎，李 強，明 艷

衛星通信實驗平臺設計與教學體系構建

廖 希，余 翔，廖莎莎，李 強，明 艷

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065）

設計了一套基于二次變頻方式的C波段衛星通信實驗平臺。通過基于該平臺建設的教學體系，使學生能夠更加直觀、深刻地理解衛星信號傳輸過程與信號處理理論，提升實踐和創新能力，提高了衛星通信實驗教學質量。

衛星通信；實驗教學平臺；教學體系；射頻天線

基于天基信息共享的天地一體化信息網絡能夠為我國智慧城市、應急救災、航空航天、國家安全等多個領域的發展提供保障，其中衛星通信系統是天地一體化信息網絡部署的重大基礎設施。衛星通信能夠提供數據、視頻、話音等業務，并不斷向高速、寬帶和移動性等方向發展，以滿足用戶日益增長的需 求[1-4]。為了培養從事衛星通信方向科學研究、工程設計、開發、設備制造等創新型工程技術人才，需要開設衛星通信課程。對于信息與通信類本科生，開設的是衛星通信啟蒙課程，其教學目標是使學生直觀理解、深入掌握現代衛星通信的基本原理和主要技術，熟悉衛星地球站、空間站的組成與工作過程，培養學生分析和解決衛星通信實際問題的能力。衛星通信課程建設包括理論課程和課內實踐課程，通過實驗建設實現課堂理論教育與實踐教學的閉環，使學生能夠將課堂學到的理論知識應用到實際工程中去。

圍繞“實踐為基，創新為重，工程為要”的質量工程建設和教學目標，各高校電子信息類專業積極建設衛星通信實踐課程。張峰干等[5]提出基于坎巴拉太空計劃沙盤風格航空航天模擬游戲軟件和SystemView軟件的衛星通信仿真，組織學生觀摩衛星通信的地球站、天線等設備，開發了一套無線移動通信+衛星動中通系統。文獻[6]設計并搭建了寬帶衛星通信實驗教學平臺，學生可以自行選擇視頻/話音信號以及以太網數據進行傳輸，來理解衛星通信的基本原理，通過設計專業性、開放性和創新性實驗，培養學生在寬帶衛星傳輸系統設計、平臺搭建和基帶信號處理等方面的能力。為滿足寬帶衛星通信實驗教學及科研項目需求，北京大學衛星通信中心構建了一套基于Hollis的寬帶實時衛星信道模擬平臺[7]。該平臺由可編程調制器、信道模擬器、可編程解調器等構成，能夠模擬L波段的衛星信道傳輸特性。但由于衛星通信領域涉及的專業多、傳輸體制復雜、傳輸技術驗證難，且相關儀器設備昂貴，使得相關實驗課程開設舉步維艱。

本文將分析傳統衛星通信實驗教學現象引發的教學問題；依托現有設備，采用二次變頻方式構建C波段同步衛星通信技術實驗平臺；結合實驗平臺的功能模塊，構建實驗教學體系；以射頻天線和無線信道給出實施過程和學生實驗結果。

1 傳統實驗現象與教學問題分析

實踐實驗課程在高校培養工程創新性人才中具有重要意義，但是調研發現，高校開設的衛星通信實驗課程中，設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 傳統衛星通信實驗課程的教學問題分析

1.1 灌輸式教學方法與新工科創新性要求間的矛盾

產生這一問題的原因分析如下：

（1）系統性知識儲備不足。分析信息與通信類本科生的培養方案發現，面授對象的培養拓撲中往往缺乏模擬電子電路、射頻通信電路、電波傳播與天線等先修課程，學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鍵問題，難以理解實驗現象并得出正確的結論。

（2）教學內容創新性、擴展性不強。隨著衛星通信產業的快速發展，產生了大量創新性科研成果。為了培養從事衛星通信方向的科學研究、工程設計和開發等方面的創新型人才，應將科研項目成果轉化為理論與實驗課堂教學內容，通過對最新研究突破及其項目實施案例等的講授，培養符合“新工科”要求的工程技術人才。

1.2 教學投入與教學效果間的矛盾

產生這一問題的原因分析如下：

（1）教學梯度不合理。傳統的衛星通信理論和實驗課程大多采用教師責任制的管理方式，一位教師負責一個或多個教學班。但是，衛星通信課程不僅具有理論性和工程性強的特點，而且授課學生的學習能力參差不齊。在教師責任制管理方式下，如果要求針對學生的學習能力分別設置演示型、基礎型、綜合型和創新設計型實驗內容，則教師將難以勝任。因此需要改變這種管理方式，讓更多實驗室專業人員及研究實驗型、科研型教師加入到實踐教學中來，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）設備與場地缺乏。衛星通信實驗室設備購置、更換和維護成本較高，國內高校，尤其是西部地方高校，沒有足夠的資金建設大量實驗平臺及租賃用于實驗教學的場地。而為節約經費所開設的仿真類、演示類、觀摩類實驗無法讓學生進行接觸式操作，小組式操作類實驗又難以進行課堂管理，教學過程不易控制，進而導致教學效果不理想。

（3）投入度與能動性較弱。由于各地教學水平、教學資源等方面存在差異，當今大學生的學習能力、投入度、積極性等也參差不齊。加之衛星通信理論性、綜合性較強，影響學生的學習興趣。投入少、能動性較弱的學生在小組式實驗操作中，往往協作能力不足，前期規劃質量不高，動手能力較差，對實驗結果分析不準確，無法達到教學目標與要求。

2 C波段衛星通信實驗平臺

以互聯網為代表的新一代信息通信技術日新月異，數字移動通信、衛星通信、超寬帶通信等技術迅猛發展。根據“新工科”人才培養要求，傳統工科專業要逐步升級，人才培養模式要逐步改進，專業課程的教學實驗改革也勢在必行。因此，如何設計衛星通信實驗平臺、構建教學體系、改進教學方法，對提升學生的創新能力和實踐能力至關重要[8]。為此，我校在2016年培養方案修訂中，面向廣播電視工程專業的媒體傳輸與應用開發、電子信息工程專業的通信技術、通信工程專業的無線通信技術與應用等方向建設了基于C波段衛星通信實驗平臺的衛星通信隨課實驗。

2.1 總體功能平臺

基于二次變頻方式和開放式思路的C波段衛星通信實驗平臺框圖如圖2所示，總體功能模塊包括發射端、地面站、空間站和接收端。根據業務需求，發射端實時采集視頻、話音或數據流。

2.2 地面站

地面站包括衛星信道中頻調制解調器、中頻處理單元、高中頻處理單元、射頻處理單元和天饋收發單元。其電路結構及信號傳輸流程如圖3所示。

圖2 C波段衛星通信實驗平臺框圖

視頻、數據或話音信號輸入到調制器，變換成70 MHz中頻信號，依次經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發射信號。接收地面站與發射地面站采用相同的兩次變頻方案恢復出視頻、話音或數據信號。

圖3 地面站電路結構與信號傳輸流程示意圖

2.3 空間站

空間站模擬衛星轉發器接收衛星信號后通過轉發器放大后轉發，如圖4所示。從地面站發射來的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，再經濾波和放大后輸入到4 GHz天線向地面站發射。

圖4 空間站模擬衛星轉發器示意圖

3 衛星通信實驗教學體系構建

參照國際標準C波段通信衛星，采用二次變頻方式搭建的C波段同步衛星通信實驗平臺實物圖見圖5。該平臺包括上行發射地面站系統、衛星轉發器系統、下行接收地面站系統及終端顯示頻譜儀分析系統等，能夠提供衛星通信系統中有源無源電路測試和信號系統性分析。

基于圖5所示的實驗平臺，可以建設的教學實驗項目如表1所示，包括發射系統、收發天線和模擬衛星通信轉發器、衛星鏈路等內容。

通過實驗學生能夠熟悉衛星通信的基本技術，理解C波段衛星信號傳輸過程，掌握微波電路系統中有源無源電路的設計思路和方法、關鍵參數及其測試方法等；能夠實地測量并分析放大器、濾波器、混頻器和衰減器等單元電路的關鍵電性能指標；可將自己設計的電路部件外接到系統中進行驗證。

圖5 衛星通信實驗平臺實物圖

表1 教學實驗項目

4 衛星通信實驗平臺教學實踐過程案例

4.1 教學資源建設

衛星通信實驗課程綜合性較強，具有一定的復雜性，為了達到實驗目標與要求，除了購置衛星通信實驗平臺、測試設備和分析儀器外，還需要詳細編寫實驗指導書、教學大綱、教學計劃、教案和多媒體PPT等教學資源，以便幫助學生快速掌握實驗項目的基礎理論和主要脈絡。

在實施過程中，針對學生的學習能力、積極性和投入度情況，采取“引導式互動交流教學機制”[9]，教師解析重點、難點和注意事項，并引導學生合作制定課前規劃和實驗步驟。同時根據學生反饋和教學資源進行不斷完善。

4.2 實施過程及效果

在我校廣播電視工程專業和通信工程專業本科三年級學生中，安排了新建設的16學時實驗項目（見表1），參與學生累計達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射頻天線測量數據

表2顯示5.9 GHz頻點為中心頻率，負載阻抗與特性阻抗接近，反射能量最小。當偏離中心頻率變大，回波損耗將變小，反射系數增大，電壓駐波比增大。結果還表明，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]。為了讓學生理解衛星信號受傳播信道的影響，基于實驗平臺設計了如下實驗：

（1）無噪聲理想信道傳輸實驗。使用電纜線代替發射地面站天線和模擬衛星轉發器天線，能夠避免實驗環境中噪聲及其他干擾對上下行鏈路傳播信號的影響，實現理想信道環境下衛星信號的傳輸。

（2）真實信道傳輸實驗。發射地面站與模擬衛星轉發器間采用5.8 GHz射頻天線收發衛星信號。衛星信道中傳輸的電磁波，將受到噪聲干擾、平臺間干擾、自由空間傳播損耗、天線耦合等因素影響。通過真實信道環境下的實驗，有助于學生理解衛星通信信道傳播特點和信道基礎理論。

分別進行上述2項實驗，測量模擬衛星轉發器的輸出信號，測得4.19 GHz頻率處的一組數據如表3所示。結果表明，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 學生無線信道實驗數據

4.2.3 實驗收獲

參與實驗項目的學生在以下方面取得較大收獲：

（1）學會用電橋設備和頻譜儀的高級測量功能測試射頻天線的電性能指標，進一步加深了對射頻天線的認識；

（2）掌握了通信衛星轉發器的結構、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發器輸出信號的頻譜、信號功率、噪聲功率等，加深了對衛星信道傳播特點的理解；

（3）了解了測量儀器的使用原則，學會了分析測量數據及誤差來源，進一步加深了對理論知識的理解，提升了對衛星通信的學習興趣。

5 結語

衛星通信實驗教學平臺地面站采用二次變頻方式，配套模擬衛星轉發器實現圖像、數據和話音的實時傳輸。學生能夠利用開放式射頻接口自主開展所構建的各類實驗項目，既加深學生對衛星通信組成與信號傳輸過程的理解，又培養學生發現問題、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星通信實驗教學的要求，以及“新工科”對創新型人才培養的要求。

[1] 甘仲民，張更新.衛星通信技術的新發展[J].通信學報，2006, 27(8): 2–9.

[2] 王麗娜，王兵.衛星通信系統[M]. 2版. 北京：國防工業出版社，2014.

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[11] 葉志紅，李強，邵羽，等.天線實驗課存在問題與教學方法改進的研究[J].科教導刊（中旬刊），2018, 5(2): 110–111.

[12] 張立明，唐海濤，張仲明，等.無線通信信號衰減虛擬仿真實驗平臺[J].實驗科學與技術，2018, 16(6): 68–70, 78.

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

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

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