卫星通信实验平台设计与教学体系构建

廖 希，余 翔，廖莎莎，李 强，明 艳

卫星通信实验平台设计与教学体系构建

廖 希，余 翔，廖莎莎，李 强，明 艳

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065）

设计了一套基于二次变频方式的C波段卫星通信实验平台。通过基于该平台建设的教学体系，使学生能够更加直观、深刻地理解卫星信号传输过程与信号处理理论，提升实践和创新能力，提高了卫星通信实验教学质量。

卫星通信；实验教学平台；教学体系；射频天线

基于天基信息共享的天地一体化信息网络能够为我国智慧城市、应急救灾、航空航天、国家安全等多个领域的发展提供保障，其中卫星通信系统是天地一体化信息网络部署的重大基础设施。卫星通信能够提供数据、视频、话音等业务，并不断向高速、宽带和移动性等方向发展，以满足用户日益增长的需 求[1-4]。为了培养从事卫星通信方向科学研究、工程设计、开发、设备制造等创新型工程技术人才，需要开设卫星通信课程。对于信息与通信类本科生，开设的是卫星通信启蒙课程，其教学目标是使学生直观理解、深入掌握现代卫星通信的基本原理和主要技术，熟悉卫星地球站、空间站的组成与工作过程，培养学生分析和解决卫星通信实际问题的能力。卫星通信课程建设包括理论课程和课内实践课程，通过实验建设实现课堂理论教育与实践教学的闭环，使学生能够将课堂学到的理论知识应用到实际工程中去。

围绕“实践为基，创新为重，工程为要”的质量工程建设和教学目标，各高校电子信息类专业积极建设卫星通信实践课程。张峰干等[5]提出基于坎巴拉太空计划沙盘风格航空航天模拟游戏软件和SystemView软件的卫星通信仿真，组织学生观摩卫星通信的地球站、天线等设备，开发了一套无线移动通信+卫星动中通系统。文献[6]设计并搭建了宽带卫星通信实验教学平台，学生可以自行选择视频/话音信号以及以太网数据进行传输，来理解卫星通信的基本原理，通过设计专业性、开放性和创新性实验，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方面的能力。为满足宽带卫星通信实验教学及科研项目需求，北京大学卫星通信中心构建了一套基于Hollis的宽带实时卫星信道模拟平台[7]。该平台由可编程调制器、信道模拟器、可编程解调器等构成，能够模拟L波段的卫星信道传输特性。但由于卫星通信领域涉及的专业多、传输体制复杂、传输技术验证难，且相关仪器设备昂贵，使得相关实验课程开设举步维艰。

本文将分析传统卫星通信实验教学现象引发的教学问题；依托现有设备，采用二次变频方式构建C波段同步卫星通信技术实验平台；结合实验平台的功能模块，构建实验教学体系；以射频天线和无线信道给出实施过程和学生实验结果。

1 传统实验现象与教学问题分析

实践实验课程在高校培养工程创新性人才中具有重要意义，但是调研发现，高校开设的卫星通信实验课程中，设置的软件类和硬件类实验存在以下2大类问题，如图1所示。

图1 传统卫星通信实验课程的教学问题分析

1.1 灌输式教学方法与新工科创新性要求间的矛盾

产生这一问题的原因分析如下：

（1）系统性知识储备不足。分析信息与通信类本科生的培养方案发现，面授对象的培养拓扑中往往缺乏模拟电子电路、射频通信电路、电波传播与天线等先修课程，学生前期知识储备薄弱，在实验中无法解决操作过程中涉及的关键问题，难以理解实验现象并得出正确的结论。

（2）教学内容创新性、扩展性不强。随着卫星通信产业的快速发展，产生了大量创新性科研成果。为了培养从事卫星通信方向的科学研究、工程设计和开发等方面的创新型人才，应将科研项目成果转化为理论与实验课堂教学内容，通过对最新研究突破及其项目实施案例等的讲授，培养符合“新工科”要求的工程技术人才。

1.2 教学投入与教学效果间的矛盾

产生这一问题的原因分析如下：

（1）教学梯度不合理。传统的卫星通信理论和实验课程大多采用教师责任制的管理方式，一位教师负责一个或多个教学班。但是，卫星通信课程不仅具有理论性和工程性强的特点，而且授课学生的学习能力参差不齐。在教师责任制管理方式下，如果要求针对学生的学习能力分别设置演示型、基础型、综合型和创新设计型实验内容，则教师将难以胜任。因此需要改变这种管理方式，让更多实验室专业人员及研究实验型、科研型教师加入到实践教学中来，组建梯度合理的师资队伍，并且通过激励措施完善师资队伍管理机制。

（2）设备与场地缺乏。卫星通信实验室设备购置、更换和维护成本较高，国内高校，尤其是西部地方高校，没有足够的资金建设大量实验平台及租赁用于实验教学的场地。而为节约经费所开设的仿真类、演示类、观摩类实验无法让学生进行接触式操作，小组式操作类实验又难以进行课堂管理，教学过程不易控制，进而导致教学效果不理想。

（3）投入度与能动性较弱。由于各地教学水平、教学资源等方面存在差异，当今大学生的学习能力、投入度、积极性等也参差不齐。加之卫星通信理论性、综合性较强，影响学生的学习兴趣。投入少、能动性较弱的学生在小组式实验操作中，往往协作能力不足，前期规划质量不高，动手能力较差，对实验结果分析不准确，无法达到教学目标与要求。

2 C波段卫星通信实验平台

以互联网为代表的新一代信息通信技术日新月异，数字移动通信、卫星通信、超宽带通信等技术迅猛发展。根据“新工科”人才培养要求，传统工科专业要逐步升级，人才培养模式要逐步改进，专业课程的教学实验改革也势在必行。因此，如何设计卫星通信实验平台、构建教学体系、改进教学方法，对提升学生的创新能力和实践能力至关重要[8]。为此，我校在2016年培养方案修订中，面向广播电视工程专业的媒体传输与应用开发、电子信息工程专业的通信技术、通信工程专业的无线通信技术与应用等方向建设了基于C波段卫星通信实验平台的卫星通信随课实验。

2.1 总体功能平台

基于二次变频方式和开放式思路的C波段卫星通信实验平台框图如图2所示，总体功能模块包括发射端、地面站、空间站和接收端。根据业务需求，发射端实时采集视频、话音或数据流。

2.2 地面站

地面站包括卫星信道中频调制解调器、中频处理单元、高中频处理单元、射频处理单元和天馈收发单元。其电路结构及信号传输流程如图3所示。

图2 C波段卫星通信实验平台框图

视频、数据或话音信号输入到调制器，变换成70 MHz中频信号，依次经过中频处理单元中的中频滤波器1、中频放大器和中频滤波器2变换后输入到第一级混频器。将70 MHz中频信号和L波段本振频率960 MHz相加，高中频滤波器取出1.03 GHz信号后，经过放大和滤波控制后输入到第二级混频器，与4.865~5.365 GHz本振频率相混频，由射频滤波器1取出上边带，并滤波、放大后成为5.925~6.425 GHz发射信号。接收地面站与发射地面站采用相同的两次变频方案恢复出视频、话音或数据信号。

图3 地面站电路结构与信号传输流程示意图

2.3 空间站

空间站模拟卫星转发器接收卫星信号后通过转发器放大后转发，如图4所示。从地面站发射来的5.925~6.425 GHz信号由6 GHz接收天线接收并输入滤波器和低噪声放大器，经过滤波并放大后输入给混频器，与2.225 GHz本振频率相混取下边带得到3.7~4.2 GHz信号，再经滤波和放大后输入到4 GHz天线向地面站发射。

图4 空间站模拟卫星转发器示意图

3 卫星通信实验教学体系构建

参照国际标准C波段通信卫星，采用二次变频方式搭建的C波段同步卫星通信实验平台实物图见图5。该平台包括上行发射地面站系统、卫星转发器系统、下行接收地面站系统及终端显示频谱仪分析系统等，能够提供卫星通信系统中有源无源电路测试和信号系统性分析。

基于图5所示的实验平台，可以建设的教学实验项目如表1所示，包括发射系统、收发天线和模拟卫星通信转发器、卫星链路等内容。

通过实验学生能够熟悉卫星通信的基本技术，理解C波段卫星信号传输过程，掌握微波电路系统中有源无源电路的设计思路和方法、关键参数及其测试方法等；能够实地测量并分析放大器、滤波器、混频器和衰减器等单元电路的关键电性能指标；可将自己设计的电路部件外接到系统中进行验证。

图5 卫星通信实验平台实物图

表1 教学实验项目

4 卫星通信实验平台教学实践过程案例

4.1 教学资源建设

卫星通信实验课程综合性较强，具有一定的复杂性，为了达到实验目标与要求，除了购置卫星通信实验平台、测试设备和分析仪器外，还需要详细编写实验指导书、教学大纲、教学计划、教案和多媒体PPT等教学资源，以便帮助学生快速掌握实验项目的基础理论和主要脉络。

在实施过程中，针对学生的学习能力、积极性和投入度情况，采取“引导式互动交流教学机制”[9]，教师解析重点、难点和注意事项，并引导学生合作制定课前规划和实验步骤。同时根据学生反馈和教学资源进行不断完善。

4.2 实施过程及效果

在我校广播电视工程专业和通信工程专业本科三年级学生中，安排了新建设的16学时实验项目（见表1），参与学生累计达200余人。鉴于实验平台和场地限制，采取了分班分组合作方式。下面以射频天线和无线信道实验为例说明实施过程与效果。

4.2.1 射频天线实验

表2 5.8 GHz射频天线测量数据

表2显示5.9 GHz频点为中心频率，负载阻抗与特性阻抗接近，反射能量最小。当偏离中心频率变大，回波损耗将变小，反射系数增大，电压驻波比增大。结果还表明，6.11 GHz频率超过了天线的工作范围。

4.2.2 无线信道实验

上下行链路中的电磁波在传输过程中具有直射、透射、散射等特点[12]。为了让学生理解卫星信号受传播信道的影响，基于实验平台设计了如下实验：

（1）无噪声理想信道传输实验。使用电缆线代替发射地面站天线和模拟卫星转发器天线，能够避免实验环境中噪声及其他干扰对上下行链路传播信号的影响，实现理想信道环境下卫星信号的传输。

（2）真实信道传输实验。发射地面站与模拟卫星转发器间采用5.8 GHz射频天线收发卫星信号。卫星信道中传输的电磁波，将受到噪声干扰、平台间干扰、自由空间传播损耗、天线耦合等因素影响。通过真实信道环境下的实验，有助于学生理解卫星通信信道传播特点和信道基础理论。

分别进行上述2项实验，测量模拟卫星转发器的输出信号，测得4.19 GHz频率处的一组数据如表3所示。结果表明，真实信道下传输信号峰值功率和载波功率均低于理想信道。

表3 学生无线信道实验数据

4.2.3 实验收获

参与实验项目的学生在以下方面取得较大收获：

（1）学会用电桥设备和频谱仪的高级测量功能测试射频天线的电性能指标，进一步加深了对射频天线的认识；

（2）掌握了通信卫星转发器的结构、信号传输流程。在不具备直接测试传播信道条件情况下，掌握两种场景下的测量方法，即通过观察理想情况和真实情况下转发器输出信号的频谱、信号功率、噪声功率等，加深了对卫星信道传播特点的理解；

（3）了解了测量仪器的使用原则，学会了分析测量数据及误差来源，进一步加深了对理论知识的理解，提升了对卫星通信的学习兴趣。

5 结语

卫星通信实验教学平台地面站采用二次变频方式，配套模拟卫星转发器实现图像、数据和话音的实时传输。学生能够利用开放式射频接口自主开展所构建的各类实验项目，既加深学生对卫星通信组成与信号传输过程的理解，又培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，能够满足通信与电子信息工程对卫星通信实验教学的要求，以及“新工科”对创新型人才培养的要求。

[1] 甘仲民，张更新.卫星通信技术的新发展[J].通信学报，2006, 27(8): 2–9.

[2] 王丽娜，王兵.卫星通信系统[M]. 2版. 北京：国防工业出版社，2014.

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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

国家自然科学基金项目（61801062）；重庆市高等教育教学改革重大项目（151010）；重庆邮电大学博士启动基金项目（E010A2016110A）；重庆市高等教育教学改革重点项目（182002）

廖希（1988—），女，四川绵阳，博士，讲师，主要研究方向为微波与卫星通信。E-mail: liaoxi@cqupt.edu.cn