宽带卫星通信实验教学平台的设计

杨德伟， 程田丰， 王 华

(北京理工大学 通信技术研究所，北京 100081)



宽带卫星通信实验教学平台的设计

杨德伟， 程田丰， 王 华

(北京理工大学 通信技术研究所，北京 100081)

为满足宽带卫星通信的实验教学改革和科研创新需要，设计并搭建了宽带卫星通信实验教学平台。该平台由信源处理单元、宽带调制解调器、噪声发生器、多路数据复用/解复用器等模块组成，具备典型的卫星通信中频链路传输功能。通过该系统，学生可以自行选择视频/音频信号及以太网数据进行传输。通过参数配置，该系统可以实现多频段、多种编码调制方式的传输要求，在较低信噪比下仍有良好性能。该系统在中频部分采用噪声发生器产生高斯白噪声来模拟卫星信道由于功率损耗产生的信噪比变化，可以使学生更好地理解卫星通信的重要概念和关键参数。另外，通过设计和搭建宽带卫星传输系统，学生可以加深对新型卫星通信链路传输原理的掌握和信号处理算法的理解。

卫星通信链路； 实验教学平台； 模块设计； 调制解调

0 引 言

卫星通信[1-4]是一种采用卫星实现全球无缝覆盖的通信方式。卫星通信在现代战争、抗震救灾以及其他民用领域都发挥着极其重要的作用。

宽带、高速、实时是卫星通信的重要发展方向。随着集成电子技术、计算机技术和多媒体技术的迅猛发展，卫星通信业务已经由单一的电话、电视、窄带数据发展为包括话音、图像、文本、视频和数据的多媒体业务，具有带宽大、差异化的服务等级和质量需求的特点。地面宽带网络技术虽然发展迅速，但只能覆盖人口密集、经济发达的城市地区，而不能给农村、人口稀少和经济落后的地区提供宽带服务。相对于其他通信方式，卫星可实现全球组播和广播通信，是解决有线网络覆盖不足的有效手段；卫星通信不受地面自然灾害的影响，在地面有线网络出现故障时可以作为有效的通路保证通信的连续性[5]；卫星地面站安装简单，可在全球的任何位置实现宽带多媒体无线通信。

随着宽带卫星调制解调技术[6-9]应用的深入，我国对于宽带卫星数字传输技术人才的需求日益增大。但仅依靠课堂上书面讲授的教学模式，宽带卫星通信技术的人才培养水平受到了严重制约。一方面宽带卫星通信技术的理论与工程实践紧密结合，该技术的难点在于工程实践；另一方面，宽带卫星通信技术中的算法和具体系统结合，不同应用背景的宽带卫星通信技术中系统设计和实现算法都不相同，而这些都难以通过课堂教学的方式讲授给学生。

为了解决上述问题，北京理工大学通信技术研究所经过多年的研究与实践，在国家“211工程”、“985工程”相关项目以及“多元信息系统国防重点学科实验室”建设的支持下，构建了宽带卫星通信实验教学平台。该平台基于先进的卫星视频广播标准[10]，可以为学生提供接触、设计和构建宽带卫星数字传输系统的机会，体现了“理论与实践相结合”的实验教学理念；该平台对数字通信理论教学、实验教学和科学研究有着良好的推动作用，能提高教学质量，有助于宽带卫星通信领域的人才培养。

1 宽带卫星传输实验教学平台设计

1.1 平台总体设计

为了满足性能要求，宽带卫星传输系统中信号发送端和接收端各个单元独立设计，并且各个单元采用性能良好的专用设备组成。模块化单元的设计有利于传输系统的重构和采用最新的编码和调制解调技术。宽带卫星传输实验教学平台组成如图1所示。该平台主要包括：信源音/视频编解码器、多路数据复用/解复用器、信道编解码器、调制解调器、上下变频器、信道噪声发生器和实时频谱分析仪等硬件设备。

1.2 主要模块

(1) 音/视频编解码器。编码器将输入的音频、视

图1 宽带卫星传输实验教学平台组成示意图

频信号进行压缩编码，形成标准的E1码流(2.048 Mb/s)，通过可调E1×N(N=1，2，3，4)通信接口传输给下一级设备(多路数据复用器或直接连接调制器)，其中视频采用MPEG-Ⅱ压缩标准，音频采用MPEG Layer Ⅱ编码方式。解码器根据前级E1×N输出接口，自动进行码率调整，完成信源解码。

(2) 多路数据复用/解复用器。复用器用于实现最多16个E1基群支路数字信号到E3(34.768 Mb/s)三次群之间的复用。通过复用/解复用器可以实现把多路E1输入转换为1路E3输出或者1路E3输入转换为多路E1输出。

(3) 调制器。调制器基于欧洲卫星视频广播标准，采用支持QPSK、8PSK、16QAM等调制方式，中频70 MHz/140 MHz；最高符号速率可达68 Ms/s，根升余弦成形滤波器滚降系数为0.35或0.20。信道编码内码采用多码率的卷积码[11]，交织长度为12；外码采用Reed-Solomon编码(204，188，T=8)[12-13]。

(4) 解调器。解调器的接口类型、解调方式以及解码方式等参数与调制器一致。

(5) 噪声发生器。采用Noise Com生产的PNG7110，工作频率范围1～1.5 GHz，可用来对调制后的中频信号加高斯白噪声，模拟实际的信道条件。

(6) 频谱仪。采用Tektronix公司出产的 RSA6114A 实时频谱分析仪，射频范围为9 kHz～14 GHz，用来测试调制信号的眼图、频谱、星座图以及EVM等关键参数，分析系统性能。

1.3 实验教学平台的搭建

宽带卫星传输实验教学平台可提供两种实验条件。

(1) 理想信道条件下传输场景。即在数据传输过程中，调制后的中频信号直接通过电缆和解调器等设备连接，便于分析理想的系统性能。

(2) 高斯白噪声条件下的传输场景。即在数据传输过程中，调制后的中频信号通过噪声发生器模拟的高斯白噪声信道，然后和解调器等设备相连，分析不同信噪比情形下的传输系统性能。宽带卫星通信实验教学平台实际环境如图2所示。

图2 宽带卫星通信实验教学平台

1.4 实验教学内容

该实验教学平台主要培养学生在宽带卫星传输系统设计、平台搭建和基带信号处理等三个方面的能力。

在系统设计方面，学生需要根据卫星通信传输带宽要求设计系统的调制方式、数据帧结构等；根据解调器的误码率，设计卫星通信的信道编码方式和发射功率。根据自己设计的关键系统参数，利用已有的模块，组建卫星传输系统，并测试不同信道条件下的特性。使用自己搭建的卫星发送/接收系统对信源的实时视频/音频信号进行传输后，对接收的信号进行分析，设计高效的基带解调算法，从而得到恢复出来的信号。

图3～5给出了在理想信道和高斯白噪声信道(Es/N0=12 dB)条件下，调制器输出的中频信号的频谱、眼图、星座图，其中调制方式为QPSK、根升余弦成型滤波器滚降系数为0.35，音/视频输出为E1接口。随着噪声的增加，接收端基带眼图出现恶化，导致解调过程中定时[14]误差增大；理想信道传输时，QPSK基带信号星座点集中，当有噪声影响时，星座点发散，误差矢量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)值变大，误码率增大。

(a)理想(b)加噪后

图3 接收端频谱

图4 接收端基带眼图

图5 接收端基带星座图

2 宽带卫星通信实验教学平台

2.1 开放式实验教学模式，创造良好研究环境

该实验教学平台实行开放式管理，打破了传统实验教学的限制，学生可以自行选择感兴趣的实验题目、设计实验方案以及调试实验设备来完成实验内容。平台以学生为核心，充分发掘学生的特长，吸引学生积极地参加到通信工程专业的科研中来。在实验教学过程中，教师负责保障实验操作的安全及提供相关的帮助和技术指导。

由于实验教学平台依托硬件设备，有很多参数需要自行设计，这不仅需要学生对各种硬件功能和接口有较深的理解，也需要学生对卫星通信链路设计中的各种参数有深入的了解，因此可以几名学生共同协作来设计、测量参数，有助于培养学生团结协作和互相学习的能力。

2.2 提升理论教学质量，增加实验教学内容

卫星通信信号处理专业的课程理论性强，需要基于实际的卫星通信链路加深学生对理论知识的理解，宽带卫星通信实验教学平台可以实现这个目标。通过进行实验和软件仿真，学生可以参与卫星通信传输系统的设计、搭建、关键参数设计和基带信号处理[15-16]等过程的工作。学生在实验过程中遇到通信原理的理论问题，可以回到专业书籍中寻找答案。学生通过不断的实验、学习，理论教学的质量得到实质性的提升，实现良性循环。

该实验教学平台服务于学生的实验教学，可以提供下面三类实验教学内容：

(1) 专业性实验。该类实验主要针对通信工程专业学生设计。通过该平台深入理解通信系统各模块的作用和功能，完成专业课程的实验教学任务。

(2) 兴趣性实验。该类实验主要面向信息类专业的学生设计。学生可以根据自己的兴趣特长，构建宽带卫星传输系统并进行相应的信号处理工作，实验由学生自行开展。

(3) 创新性实验。该类实验面向有创新思维的学生开展课题研究。该实验平台采用板卡化设计，通过增加或减少板卡来完成宽带卫星传输系统的实验并得到相关的测试数据，为学生申请发明专利和发表高水平学术论文提供数据支撑。

3 结 语

宽带卫星通信实验教学平台基于板卡化设计和开放型实验教学模式，使学生能主动开展各类实验，既加深了学生对卫星通信理论的理解，又增强了学生对宽带卫星通信传输过程中信号处理的感性认识，同时培养了学生发现和解决技术问题的能力。该平台为学生申请发明专利和发表高水平学术论文创造了良好的实验条件，它必将成为卓越的创新型人才培养平台，并为建设高水平研究型大学贡献力量。

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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

国家自然科学基金(61072049)；北京理工大学实验教学骨干教师培养项目

杨德伟(1979-)，男，山西忻州人，讲师，现主要从事卫星调制解调技术的研究。E-mail:davidyang@bit.edu.cn

TN 911.72

A

1006-7167(2015)05-0049-03