微波與衛星通信實驗教學平臺建設及教學方法探索

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）

0 引 言

衛星通信系統作為空天地海一體化信息網絡的重大基礎設施，以其覆蓋范圍廣、通信質量好、運行維護費用低等特點在航空航天通信、現代戰爭、抗震救災、航海和個人邊遠地區通信等領域發揮著不可替代的作用［1-4］。衛星通信的深入發展要求培養創新型人才。但是，在現有衛星通信課程教學過程中存在如下問題［5-9］：①衛星通信技術本身與工程實踐結合緊密，學生難以在灌輸式的理論課堂中理解微波與衛星通信的基本原理與關鍵技術、地球站和轉發器的組成與工作過程，并且不同應用背景下的通信系統設計和實現算法也不能在理論課堂中講授給學生；②受限于衛星通信設備的高成本，即便部分高校開設實驗課程，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生的學習投入度，也無法與工程實際結合來培養學生的實踐動手能力和創新能力。面向我國對信息電子相關專業工程型創新人才培養的迫切需求，圍繞“實踐為基，創新為重，工程為要”的質量工程建設和教學改革目標［10］，如何設計和改進微波與衛星通信實驗課程平臺對培養從事微波與衛星通信方向的科學研究、工程設計、開發、設備制造等工程型人才具有重要意義。

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

1 實驗教學平臺設計

1.1 實驗平臺組成

為了培養衛星通信領域的創新型人才，建設了微波與衛星通信實驗平臺，總體組成如圖1所示。該平臺采用二次變頻方式，由地球站發射系統、地球站接收系統和模擬同步通信衛星轉發器系統組成，具備C波段衛星通信實時鏈路傳輸的功能。該平臺主要包括音視頻中頻調制解調器、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（模擬與數字）、微波傳輸線、耦合器、收發天線、實時頻譜分析儀等硬件設備，其中中頻調制器、中頻濾波器和放大器組成的系統可以完成微波部件及微波電路系統測試實驗。在此基礎上，結合混頻器、收發天線、模擬衛星轉發器能完成衛星通信傳輸部分和天線測量實驗。

圖1 實驗平臺設計功能框圖

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

1.2 主要模塊

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

圖2 雙載波調制原理圖

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

（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絡。該網絡由具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統組成。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，用來測量調制信號的頻譜、有源無源電路的關鍵參數，分析各模塊對傳輸信號的影響。

1.3 實驗平臺搭建

微波與衛星通信實驗教學平臺可以提供如下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天線，直接連接地面站系統與模擬衛星轉發器系統，實現理想信道環境下對系統性能的分析。

（2）真實信道條件下傳輸場景。天線是實現通信的重要部件，在發射端將產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］。發射系統和接收系統與模擬衛星轉發器之間分別采用6 GHz和4.8 GHz天線連接，如圖3所示。通過接收端測量發現，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。通過實驗能培養學生將測試結果與衛星通信鏈路工程中的理論結果進行對比，分析誤差來源。

圖3 微波與衛星通信實驗教學平臺

1.4 通信工程本科專業教學內容設計

該實驗教學目標是培養本科生掌握微波PCB電路部分的工作原理與設計思想、衛星通信傳輸系統設計與信號傳輸等方面的能力。

在信號傳輸方面，學生需要掌握各微帶電路模塊的工作原理，結合測量的關鍵參數（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為中頻已調信號的頻譜，其中視頻AM調制的本振載波為70 MHz，音頻FM調制的本振載波為63.5 MHz。雙載波同時調制時，載波信號的頻率和幅度均隨調制信號變化而變化。另外，學生可以自主設計其他類型的微波部分和組件系統，利用平臺中的射頻開關接口驗證其功能。

圖4 視頻已調信號頻譜

圖5 音頻已調信號頻譜

圖6 音視頻雙載波已調信號頻譜

1.5 實驗內容與課程內容結合

為配合理論教學，建設微波與衛星實驗教學平臺，為學生提供開放式的實驗環境，使學生在真實實驗設備與系統、實驗室環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，學生能更加深刻地理解衛星通信系統的結構、工作原理、傳輸過程，為今后從事衛星通信系統設計與開發工作奠定理論基礎，積累實踐經驗。因此，設計的實驗平臺即是一個微波中頻部分的處理系統，又是射頻信號的處理與傳播系統，因而，該平臺可以完成4部分的實驗，包括微波電路、微波技術應用、微波/衛星通信傳輸、微波天線測試部分。與課程內容相結合的實驗內容體現如下：

（1）70 MHz中頻模塊與信號傳輸分析。該模塊包括信號產生、調制、濾波器與變換，在電路結構上與微波系統類似。

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

（3）微帶電路結構與信號傳輸分析。該模塊設計射頻天線、模擬衛星轉發器測量及信號傳輸完整性分析。根據測量開展鏈路預算，考查學生對C波段射頻鏈路的理解。在獲得音視頻高質量傳輸過程中，要求學生分析誤差來源，學會調節電路結構的關鍵參數，培養解決問題的能力。

2 實驗教學平臺的特色

平臺集成再現了微波信號的產生、變換、濾波、放大、控制、電波傳輸、收發等過程，并采用了開放式的微波電路結構、標準射頻接口和撥動開關方式，可進行靈活的部件和分系統測試，其特色主要有：

（1）完整性。以實踐操作為宗旨，按照微波與衛星通信設備的工業標準思路來設計，能組成一個完整衛星通信收發系統，也能實現單元電路的測試實驗。

（2）透明化。全開放微帶電路技術，徹底解決了封閉式電路給實驗教學帶來的弊端，讓學生直觀地看到每部分單元電路，了解微帶電路的實際結構和特點，這種設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可進行單元電路或小系統的測試和監測，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生設計的終端設備。

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

3 存在問題與教學方法思考

3.1 存在問題

盡管部分高校已經開設衛星通信實驗課程，但是受限于昂貴的實驗設備，尤其是西部偏遠地區高校，課程中大多為仿真或演示觀摩類實驗，難以讓學生直觀地掌握衛星通信系統的結構和信號傳輸過程。盡管我校電子與信息工程專業、通信工程專業和廣播電視工程專業已經開設了硬件電路的測量實驗，但是仍存在如下問題：

（1）前期基礎知識不足。目前，學院導向中未體現該課程在培養微波衛星通信人才方面的重要性，僅僅為無線通信技術與應用模塊中的一門選修課程，這不僅導致學生沒有射頻通信電路、無線通信電波傳播、通信天線技術、電子系統設計等前期課程的基礎，而且較低的學分使得學生對該門課程興趣較低，很可能出現無法開課的問題。

（2）教師梯度不合理。近年來，學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歷，而且缺乏工程實踐能力，對學生的指導會存在力不從心的問題，難以達到教學的效果。

（3）學時數不足。相比理論教學，實踐教學的學時數有限，導致學生重理論、輕實踐，因而即便采用開放結構的設計方法，學生也不能對整個衛星通信系統有較全面系統的理解；另外，當今大學生本身缺乏積極探索知識的能動性，以完成課程內容、獲得學分為目標，即便設置課前預習、課內檢測、課后思考以及實驗內容規劃等環節，也不足以調動學生的積極性，學時設置的不合理不利于培養學生分析、解決問題的自主創新能力。

（4）實驗平臺與場地缺乏。從高校的教學方式與重視程度來看，傳統實驗教學受到場地、經費和設備等條件限制，制約了實驗環節的教學質量，已經不能滿足信息時代的教學需求［10］。我校受限于昂貴的實驗設備，目前開設微波與衛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，若選修課程的人數太多，即便采用小班制也無法滿足2或3人1組，對于團隊協作意識較弱與能動性較差的學生，難以組織實踐環節。

3.2 教學方法改進

（1）系統性實踐類課程的設計。從系統級的角度有效地統籌設計實驗內容是通信或電子信息類專業一個難以解決的問題。但是，通信與信息類專業涉及的微波與射頻系統設計、模擬集成電路設計、電波傳播與輻射測量與仿真、通信天線技術等課程與衛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、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”一體化的實踐教學平臺體系［10-13］，進而培養學生對通信系統的整體認識。

（2）開放實驗室，創造良好的自主創新環境。開放性實驗室建設對促進教育改革、培養創新型人才、推進素質教育具有十分重要的意義。我校建設的實驗平臺具有二次開發的功能，不僅能與微波通信和移動通信設備組網，還能通過標準接口與工業終端設備相連接。前期開發的16學時課內實驗中，學生往往難以在課堂中完成實驗內容，更不會利用課余時間自主創新性地設計出衛星通信系統相關的微帶電路。為了培養衛星通信領域的創新型人才，教學中將采用“學生參與、教師指導、成立衛星通信實驗課題組”的開放式教學模式，以分段引導式實施課題［14-15］。具體實施方法為：①實驗老師根據不同層次的學術提出具有創新性、層次性、趣味性等特點的實踐課題，構建開放性實驗課題庫；②學生組建團隊，自主討論并選擇最佳課題，老師以學生為主，指導學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，提出關鍵問題的解決方法；④ 搭建軟件與硬件系統，對課題進行實現、測試和驗證；⑤ 分析實驗數據，總結并撰寫文檔，開展現場演示答辯，對小組課題進行考評。上述方法的實施能夠培養學生提出問題、分析問題、解決問題、團隊協作等能力，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，增加課前實驗內容規劃、課堂測試、開放課題設計、現場演示、答辯等環節［16-17］。相比以往的考核機制，課前規劃能考查學生掌握的基礎知識、分析實驗內容、制定實驗步驟、提出解決方法等方面的能力；開放課題設計能考查學生設計實驗內容和目標、制定實驗方案、分析實驗數據、總結實驗結果等方面的能力。考評機制改革能培養學生在團隊合作模式下的自主學習與解決實際問題的能力，但還需要在課程中實施，分析實際的教學效果。

4 結 語

微波與衛星通信實驗平臺采用同步衛星工作方式，按工業產品通用的二次變頻設計，并且配套通信衛星模擬轉發器實現圖像和話音的實時傳輸。平臺的地面終端設備采用開放式設計思路，留有標準射頻接口，具備在線頻譜測試、故障設置、排除檢修、模塊二次開發等功能，使學生能接觸式地開展各類實驗，既深化學生對衛星通信理論的理解，又培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力。利用該平臺擬設立的開放性實驗室為學生提供課程實踐、創新設計、科學研究等環境，助力通信與電子信息工程、微波技術與天線等專業創新性人才的培養。