機動式衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)

項順祥，黃麟舒，李 荃

（海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033）

引言

衛(wèi)星通信作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)全球范圍內(nèi)全天候通信的重要通信技術，是一種新興的網(wǎng)絡技術［1-2］，漸漸成為普及高山、海島、沙漠等偏遠地區(qū)通信網(wǎng)絡的重要手段，也是改善農(nóng)村、經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)衛(wèi)星通信基礎設施條件，促進互聯(lián)網(wǎng)均衡發(fā)展的主要方式。構建衛(wèi)星通信網(wǎng)絡實時傳輸音視頻是目前通信建設的發(fā)展趨勢之一［3］。

為使學生提高對于衛(wèi)星通信原理的理解，掌握機動式衛(wèi)星通信實際系統(tǒng)的組成和連接，能夠應用知識獨立搭建連接衛(wèi)星通信模塊，分析通信信號并對載波實現(xiàn)監(jiān)視、識別、判性，在衛(wèi)星通信專業(yè)教學中，構建一種衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)具有實際應用價值。

然而，一方面，衛(wèi)星通信原理的理論性較強，衛(wèi)星通信信號流程長，信號參數(shù)繁多，鏈路干擾因素多，難以管控，且衛(wèi)星通信網(wǎng)絡構造多樣，根據(jù)不同需求可以組建不同形式的網(wǎng)絡，而且協(xié)議也不相同［4-5］。另一方面，衛(wèi)星通信理論和工程實踐結(jié)合緊密，很多技術難點在于工程實踐，需要有實操教學項目。因此，僅依靠課堂書本講授，難以保證學生的實際學習效果。而且衛(wèi)星通信設備建設費用高昂，數(shù)據(jù)資源費用也不菲，實驗室建設開展艱難。因此衛(wèi)星通信人才培養(yǎng)受到嚴重制約［6-9］。

為解決上述問題，在高校實驗室構建一種小型化、可操作的衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)［10-12］，一方面，為學生提供一個便于理論聯(lián)系實際的實踐平臺，使學生可直接觀摩、接觸，進而能夠開展設置和調(diào)試等實際操作；另一方面，面對實訓系統(tǒng)上的衛(wèi)星通信鏈路特征，學生可通過感性認識，進而進行對衛(wèi)星通信系統(tǒng)全鏈路的量化分析，以熟悉、掌握系統(tǒng)特點和信號變化特征［13-15］。因此，該系統(tǒng)有助于衛(wèi)星通信的理論教學、實驗教學和科學研究活動的展開，將在知識、能力和素質(zhì)三個方面落實教學目標，有助于提高教學質(zhì)量。

一、衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)的設計與搭建

（一）系統(tǒng)總體設計

衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)由一個位于實驗室的中心地球站（主站）和位于室外的兩個機動式地球站，以及衛(wèi)星通信頻譜監(jiān)視軟件、衛(wèi)星通信指揮控制軟件組成（見圖1）。該平臺主要包括：一個主站地球站和兩個機動地球站。機動站的設備主要包括：信源音視頻編解碼器、信道編解碼器、調(diào)制解調(diào)器、上下變頻器等硬件設備，主站除以上外還包括實時頻譜分析模塊等硬件設備。

圖1 實驗系統(tǒng)體系結(jié)構

為滿足性能要求，衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)中的主站采用已有設備，即實驗室原有的中大型固定地球站，具有直徑為4.5米的室外天線；機動站為獨立單元設計，各個單元由性能良好的專用設備組成。模塊化單元的設計有利于系統(tǒng)的重構和采用最新的編碼和調(diào)制解調(diào)技術。

為了實時清楚地顯示傳輸圖像，在主站采用液晶拼接屏顯示對方傳輸?shù)囊曨l圖像。在機動站則采用平板電腦進行視頻顯示。

（二）主要模塊單元設計

1.音視頻編解碼器。音視頻編解碼器，將輸入的音頻、視頻信號進行壓縮編碼，視頻可形成128kb/s～2.048Mb/s（標準的E1碼流）速率范圍中的碼率，音頻可選擇8kb/s～320kb/s的碼率，通過可調(diào)E1×N（N=1,2,3,4）通信接口傳輸給調(diào)制解調(diào)器。其中視頻采用先進的H.265/AVC視頻編碼算法，音頻采用MPEG-4 AAC音頻編碼算法。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。

結(jié)合衛(wèi)星通信視頻處理技術，可在低碼率下實現(xiàn)高質(zhì)量視頻和音頻編解碼與傳輸，多種接口可與系統(tǒng)通過衛(wèi)星信道、有線電纜、無線圖像傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)互連互通。

2.C/L波段調(diào)制解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器的設計目標是可適應定制化使用需求，既能與現(xiàn)有使用單位的實際設備相兼容，又能實現(xiàn)國產(chǎn)化。

調(diào)制解調(diào)器基于歐洲衛(wèi)星視頻廣播標準，采用支持QPSK調(diào)制方式，工作頻率采用L波段或C波段，中頻為70MHz/140MHz。

為滿足低成本終端的需求，系統(tǒng)為Ku頻段低噪聲變換器和Ku頻段上變頻器提供L和C波段接口，調(diào)制解調(diào)器包括同步的V.35和IP模塊提供10/100M Base-T以太網(wǎng)接口。其構架采用固件方式并基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），具有操作簡便、性能優(yōu)良和可靠性高等特點。

3.1.0米全自動機動式衛(wèi)星天線。設備由等效口徑為1.0米的修正型偏置格里高利雙反射面天線、信標接收機、精密傳動機械結(jié)構和天線控制等組成，采用模塊化、通用化設計技術，根據(jù)操作手冊可完成天線的安裝及使用。

4.液晶拼接屏（3×3式）。主要用于對衛(wèi)星視頻的顯示，以及圖形化顯示衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器載波使用情況、各個載波的工作參數(shù)。由液晶拼接屏、融合通信服務器、視頻切換矩陣等組成，通過對衛(wèi)星通信各類參數(shù)的采集和顯示，進行衛(wèi)星通信態(tài)勢的顯示。

5.頻譜分析模塊。采用了某頻譜分析模塊，引接主站中頻信號，使用頻譜采集設備對信號進行數(shù)字化、FFT變換后，送到監(jiān)控計算機。監(jiān)控計算機運行頻譜顯示軟件，可對衛(wèi)星通信500MHz、轉(zhuǎn)發(fā)器36MHz、通信載波2MHz的信號進行監(jiān)視。可識別信號的中心頻率、帶寬、信噪比等性能指標。具有頻譜保存功能。

（三）衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)的搭建

衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)主要提供三種子系統(tǒng)的搭建。

1.主站的搭建和參數(shù)設置。主站的組成框圖如圖2所示。室外單元包括4.5米卡塞格倫天線、天線座架、天線饋源上的低噪聲放大器（LNB）和上變頻器（BUC）。由波導、同軸線等低損耗傳輸線傳送至室內(nèi)，經(jīng)過分合路器接收信號，再經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡交換機、音視頻解碼器送至顯示器或話筒。發(fā)送信號則相反，從攝像頭輸出的信號經(jīng)音視頻編碼器、網(wǎng)絡交換機、調(diào)制調(diào)解器，經(jīng)過分合路器由電纜等傳送至室外單元的上變頻器，變頻后由天線發(fā)射。監(jiān)視分系統(tǒng)可由分合路器接入主站。

圖2 主站組成框圖

主站的參數(shù)設置，主要包括信標頻率、載波頻率、調(diào)制方式、發(fā)射功率等。

2.室外機動站的搭建和參數(shù)設置。機動站的組成框圖如圖3所示。主要由天線本身和信道機等組成。天線為1.0米直徑的拼裝拋物面天線，與主站結(jié)構類似，天線饋源仍然連接兩個支路，一發(fā)一收。接收支路由低噪聲放大器將所需信號放大，由波導、同軸線等低損耗傳輸線傳送至室內(nèi)，經(jīng)過分合路器，由調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)絡交換機、音視頻解碼器處理恢復視頻或音頻信號，再送至顯示器或話筒；發(fā)送支路則為逆過程。

圖3 機動站組成框圖

機動站的參數(shù)設置，主要包括天線的方位角、仰角設置，以及信標頻率、載波頻率、調(diào)制方式等。

3.監(jiān)視分系統(tǒng)的搭建和應用。監(jiān)視分系統(tǒng)的組成由頻譜分析設備和監(jiān)控計算機組成。

監(jiān)視分系統(tǒng)信號流程主要是：主站變頻器接收到的信號經(jīng)過處理，輸出中頻信號，送至頻譜分析設備進行實時處理，輸入監(jiān)控計算機，在專門軟件中對載波進行識別、判斷、監(jiān)視和分析。并可根據(jù)需要進一步開展通信信號處理、通信對抗等方面的深入研究。

在建設前，要對場地進行實地勘測，結(jié)合實際情況進行衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)的場地建設方案設計。建設實現(xiàn)后的實訓系統(tǒng)機動站設備實物如圖4所示。圖4中左圖為機動站的音視頻編解碼器和調(diào)制解調(diào)器交換機等通信單元；右圖為機動式地球站的天線和饋源。

圖4 實訓系統(tǒng)機動站設備實物

（四）衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)的功能設計

系統(tǒng)依托的固定地球站，可實現(xiàn)同時對兩個機動站的信息接入。能提供話音、數(shù)據(jù)和視頻等綜合通信業(yè)務。根據(jù)培養(yǎng)方案和教學目標，該實訓系統(tǒng)目的在于培養(yǎng)學生熟悉衛(wèi)星通信信號處理流程與衛(wèi)星通信鏈路計算，會分析衛(wèi)星通信系統(tǒng)全鏈路，掌握整個信號流程和系統(tǒng)特點。

1.在知識培養(yǎng)方面，可培養(yǎng)學生熟悉話音、數(shù)據(jù)、視頻等信號變換特征，使其了解衛(wèi)星信號的形式和內(nèi)涵、規(guī)律和特征，能夠?qū)φ{(diào)制解調(diào)器、音視頻編解碼器的關鍵參數(shù)進行正確測試和設置，了解衛(wèi)星通信系統(tǒng)的組成與模塊之間的硬件連接關系。

2.在能力培養(yǎng)方面，可培養(yǎng)學生衛(wèi)星信號分析和處理的實際能力。使學生了解衛(wèi)星通信鏈路，會測試不同信道條件下的鏈路特性。通過分別開展衛(wèi)星通信機動站場地勘察選址、主站衛(wèi)星天線對星、主站參數(shù)設置，以及業(yè)務開通、機動站天線組裝及對星、機動站參數(shù)設置與業(yè)務開通等方面的實際訓練，使學生能夠正確進行參數(shù)設置等操作，具備系統(tǒng)搭建和開通能力，最終實現(xiàn)學生工程實踐能力的提高。

3.在素質(zhì)培養(yǎng)方面，培養(yǎng)學生開通業(yè)務和綜合組網(wǎng)的能力，使學生能夠制定衛(wèi)星頻譜監(jiān)視、衛(wèi)星通信干擾方案等。另外，根據(jù)需要，可對學生進行衛(wèi)星通信中心站的頻譜監(jiān)視及干擾識別等方面的實際訓練，以提高其面對復雜實際問題時的心理素質(zhì)，提升實際綜合運用能力。

二、衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)的教學內(nèi)容

該實訓系統(tǒng)服務于本科生、研究生的實驗教學，可以提供以下三個層面的實驗教學內(nèi)容。

（一）演示性實驗

該類實驗主要采用演示和示范的方式針對本科或?qū)？茖W生而設計。通過系統(tǒng)的天線、音視頻編解碼器、調(diào)制解調(diào)器等單元模塊的展示和說明，幫助學生了解衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基帶和射頻等模塊的功用，以及相互之間的連接關系，在實物演示下加深學生對系統(tǒng)的感性認識和理解。

實驗項目可開設射頻通信實驗系統(tǒng)的搭建與調(diào)試，實現(xiàn)視頻信息的傳輸，由教師演示給學生。微波功能模塊連接設計可由學生自行完成，由教師進行階段性檢查指導。

（二）專業(yè)性基礎實驗

該類實驗主要針對通信工程的本科生而設計，采用參數(shù)設置、硬件搭建等方式。在教師指導下由學生搭建機動站分系統(tǒng)，對于天線跟蹤、高功率放大設備、低噪聲放大設備、衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)設備及音視頻編解碼等設備進行地形勘察、選址、終端參數(shù)設置等工作，可使學生掌握實際設備的操作使用和日常維護方法，提高學生衛(wèi)星通信工程實踐能力。同時，還可開展設備連接關系訓練，加深受訓人員對衛(wèi)星通信系統(tǒng)信息流程的掌握。該類實驗需由2～3名學生合作完成，可培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神。

實驗項目可開設頻譜分析儀使用及通信信號分析。使用頻譜分析儀測量常見的無線電信號，如單頻、掃頻、白噪聲；使用頻譜分析儀對實訓系統(tǒng)的各個模塊輸出信號的頻譜特性進行測試，總結(jié)其參數(shù)。對系統(tǒng)進行調(diào)試，使其在最佳狀態(tài)工作。固定站衛(wèi)星天線對星。熟悉并掌握信標接收機操作方法、天線控制器操作方法，進行固定站衛(wèi)星通信天線的對星操作。便攜站天線組裝和對星。使用衛(wèi)星通信便攜站，進行拋物面天線的組裝、饋線連接、加電、由羅盤確定方位角和極化角及俯仰角、選址，使衛(wèi)星信標信號最大。

（三）自主創(chuàng)新性實驗

該類實驗面向有創(chuàng)新思維的本科生和研究生開展課題研究。系統(tǒng)引接主站中頻信號，使用頻譜采集設備對信號進行數(shù)字化、FFT變換后，將中頻信號送到監(jiān)控計算機。學生在計算機上運行頻譜顯示軟件，可分析信號的中心頻率、帶寬、信噪比等性能指標，還可進一步進行載波監(jiān)視、識別、判性、干擾分析等處理。另外，可使用頻譜分析儀觀察并分析掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號頻譜，合理設置參考電平、分辨率帶寬、視頻帶寬等參數(shù)，分析經(jīng)某衛(wèi)星下行變頻后某頻段信號的頻譜特性。

實驗項目可開設頻譜儀分析衛(wèi)星信號頻譜特性、干擾信號的識別和分析等。該實訓系統(tǒng)可為學生進行課題研究、發(fā)表高水平論文、申報專利提供數(shù)據(jù)支持，有助于培養(yǎng)學生自主設計、科學測試的創(chuàng)新思維。

三、衛(wèi)星通信實訓系統(tǒng)的教學應用

（一）操作實踐性強，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神

為適應新工科教學的要求，該實訓系統(tǒng)依托模塊化硬件設備，需要自行熟練組裝。有多組參數(shù)需要操作者來設計，不僅要求學生對各種硬件功能和接口了然于心，而且需要學生根據(jù)條件對衛(wèi)星通信鏈路的各種參數(shù)和指標進行合理設置。另外，還需要2～3名學生協(xié)同合作，才能完成所有實訓內(nèi)容，有助于培養(yǎng)學生團隊協(xié)作和互助互學的能力。

（二）豐富實訓教學內(nèi)容，理論聯(lián)系實際

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的理論性強、知識面寬，需要豐富實訓教學內(nèi)容，并且需要基于實際的衛(wèi)星通信鏈路操練受訓人員，該實訓系統(tǒng)有利于實現(xiàn)這一目標。通過分析信號的中心頻率、帶寬、信噪比等，可使學生直接掌握實際性能指標的數(shù)量級。通過載波監(jiān)視、識別、干擾分析等處理，使學生掌握衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器載波使用情況、各個載波的工作參數(shù)，還可以保存頻譜以供進一步研究。

結(jié)語

基于理論聯(lián)系實際的教學理念，設計了機動式衛(wèi)星通信教學實訓系統(tǒng)。該系統(tǒng)直觀完備、實用經(jīng)濟，各機動模塊單元獨立設計，可安裝和拆卸，便于實現(xiàn)機動式衛(wèi)星通信鏈路。該設計既有助于學生對衛(wèi)星通信系統(tǒng)尤其是衛(wèi)星通信信號流程建立感性認識，提高學生的信號分析處理、參數(shù)設置、臺站開通等基礎實操能力，又能進一步使學生熟悉載波監(jiān)視和識別，提高干擾信號的分析判別和處理能力，進而提高學生的工程實踐能力。教學實際表明，該教學手段直觀完備，學生學習目標明確，個人實操能力得到增強，在能力和素質(zhì)層面提高了實訓的教學效果。