基于L頻段模擬平臺的衛星通信實驗教學設計

陳 龍， 高麗娟， 李 炯， 代健美

（航天工程大學航天信息學院，北京 101416）

0 引 言

當前衛星通信發展迅猛，已成為國防通信、海事通信等領域的重要手段，廣泛應用于電視廣播、移動通信、應急通信等場景［1］。基于衛星通信技術構建的衛星互聯網，可提供全球范圍的互聯網無縫連接，具有重大戰略意義，被世界各國作為爭相研究和發展的重點基礎設施工程［2-3］。因此，開設衛星通信課程從而培養能夠從事衛星通信科學研究、技術開發、工程設計、系統應用等工作的創新型科技人才，具有重要意義。

衛星通信課程作為重要的專業必修課程，具有知識點多、理論性強、原理復雜、概念抽象等特點，學習掌握難度較大［4］，開展實踐教學是成為保障教學效果的重要手段。通過實踐教學，學生能夠鞏固對基礎理論知識的掌握，并將理論知識應用到實際工程，實現理論與實踐的閉環，增強創新思維水平和實踐技能［5］。

圍繞提高人才培養質量，各高校積極建設衛星通信實踐課程和實踐條件。文獻［6］中通過中頻鏈路在多種體制下傳輸語音、視頻等業務數據，并模擬衛星信道信噪比變化。呂國成等［7］基于Hollis 信道模擬器、可編程調制／解調器搭建了一套寬帶實時衛星信道模擬平臺。張峰干等［8］提出衛星通信計算機仿真、觀摩真實衛星通信設備以及利用衛星廣播電視接收系統開展設備操作等教學方法。文獻［9-10］中采用二次變頻方式設計了C波段同步衛星通信技術實驗平臺，各單元模塊獨立且參數可調，可以利用測量參數開發并驗證各單元模塊。文獻［11］中通過建設通信工程專業衛星通信校外實踐基地，探索工程實踐教育模式。文獻［12］利用Unity 3D建模、真實計算引擎等技術搭建了衛星通信組網虛擬仿真實驗平臺，實現了衛星通信系統的三維重現和仿真運行。

本文依托實物衛星地球站和通信衛星轉發器搭建衛星模擬平臺，依據課程知識點設計衛星通信實驗課程教學體系和教學內容，并給出了拓展實踐設計。

1 衛星通信模擬平臺

1.1 平臺總體設計

如圖1 所示，衛星通信模擬平臺主要由地球站模擬設備、通信衛星模擬設備、信道模擬器三部分以及配套儀器儀表組成。其中通信衛星模擬設備、地球站模擬設備、信道模擬器采用硬件實物的方式實現，分別模擬衛星通信終端功能和業務、通信衛星的信號處理過程以及星地鏈路電磁波傳播特性。各設備間通過射頻線纜相互連接，基于L 頻段中頻鏈路完成信號互通，實現衛星通信系統從信源采集、信號發射、信道傳輸、衛星轉發到信號接收、信息還原整個過程的實物模擬，并使用頻譜分析儀、示波器和矢量信號分析儀等儀器儀表測量頻譜、信號波形、調制星座圖等信息。

圖1 衛星通信模擬平臺組成及交互關系

1.2 平臺主要組成與功能

（1）地球站模擬設備。地球站模擬設備主要用于模擬衛星通信地球站的功能，通過組網實現網際互連協議（Internet Protocol，IP）數據、視頻和話音等業務傳輸，由調制解調單元、交換機、語音網關、音視頻編解碼器等設備共同構成。其中，調制解調單元作為模擬地球站的信道終端，可以工作于時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）體制，支持二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）等調制方式，以及卷積碼、低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）碼等信道編碼方式，具有中低速綜合業務組網傳輸能力，支持網狀、星狀組網應用，可以實現同步／異步數據、IP 業務的衛星組網通信。調制解調單元由中央處理器、現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）及其他相關外圍電路構成，功能包括訪問控制、綜合業務接入、終端監控以及IP數據處理等。語音網關和音視頻編解碼器可以直接連接電話機、攝像機和顯示器等設備，產生真正的話音和音視頻業務數據流。

（2）通信衛星模擬設備。通信衛星模擬設備能夠模擬典型通信衛星有效載荷的信號處理過程，包括下變頻器、上變頻器和轉發器核心部件。其中，上下變頻器完成L頻段信號與低中頻（70 MHz）信號之間的變頻處理，轉發器核心部件同時具備直通和處理兩類轉發器功能。處理轉發器包括調制解調模塊、基帶處理模塊、通信電源模塊，能夠完成調制／解調、編碼／譯碼、組幀／解幀和加擾／解擾等功能，支持TDMA 和FDMA兩種多址方式，調制方式支持BPSK 和QPSK，信道編碼方式支持LDPC和卷積碼。

（3）信道模擬器。信道模擬器基于星地鏈路電磁波傳播模型，仿真寬帶無線信道特征，基于噪聲功率、傳輸時延、信號衰落等參數模擬信號在傳輸過程中的變化。支持L頻段的信號輸入和輸出，支持4 通道雙工信道模擬，能夠模擬常量、瑞利、萊斯、純多普勒模型以及高斯分布的信道衰落，并能夠產生功率、頻率、帶寬可調的干擾信號疊加到正常信號上。

2 課程實驗教學設計

2.1 實驗教學體系構建

根據衛星通信課程教學大綱，從課程教學內容體系出發，設計構建實驗項目和內容，如表1 所示。實驗項目緊貼課堂講授知識點，特別圍繞其中重難點問題展開，覆蓋衛星通信系統組成、衛星通信鏈路、通信體制、通信衛星、干擾與抗干擾等課程主要內容，實現課堂理論講授與原理實驗的有機結合和緊密銜接。

表1 實驗教學項目和內容

實驗內容以信號測量與分析為主要抓手，通過建立L頻段衛星通信鏈路并設置設備參數，對比不同鏈路特性、不同通信體制、不同干擾模式對通信效果的影響。實驗教學內容設計遵循由淺入深、由簡單到復雜的原則，逐步在理想信道、真實信道、干擾信道條件下搭建實驗環境。實驗1、2 中，使用射頻電纜線直接連接地球站模擬設備和通信衛星模擬設備，避免噪聲及其他干擾對上下行鏈路信號的影響，實現理想信道環境下衛星信號的傳輸；實驗3 ～8 中，基于對真實星地鏈路的計算和估計，設置合適的信道模擬器參數，模擬真實星地通信鏈路特征，從而進行相應的傳輸、測量及分析實驗；實驗9、10 中，進一步通過信道模擬器引入異常噪聲干擾，將干擾信號疊加到正常信號上，從而構造強干擾信道條件，便于分析不同信噪比條件下的傳輸性能。

2.2 實驗典型教學流程

利用衛星通信模擬平臺對衛星通信過程進行信號級仿真，通過設定衛星轉發器、地面站和通信信道參數，分析不同配置下通信效果，使學員理解不同衛星通信技術和體制的特點。

典型教學流程如圖2 所示。主要包括以下步驟：

圖2 衛星通信原理實驗典型教學流程

（1）課堂上，老師按照教學計劃講解課堂實驗內容，引導學生熟悉實驗原理并掌握實驗步驟。

（2）學生根據老師安排，配置地球站模擬設備、通信衛星模擬設備和信道模擬器參數。

（3）學生使用頻譜分析儀、矢量信號分析儀、示波器等儀器儀表分別對鏈路中的信號和解調處理后的信號進行測量，觀察頻譜圖和調制星座圖等測量結果，得到信噪比、誤碼率等參數。

（4）學生記錄相關測量結果，并對數據進行分析。

（5）老師組織課堂討論和總結。

2.3 教學效果分析

通過上述實驗教學，學員能夠提高實踐能力，加深對理論知識的理解。預期教學效果具體包括以下方面。

（1）掌握衛星通信信號測試分析方法。了解測量儀器的使用原則，熟悉儀器操作方法，掌握衛星通信信號測試技術，學會分析測量數據及誤差來源，會測試衛星通信設備性能。通過觀察理想信道、真實信道、干擾信道條件下信號頻譜、信號功率、噪聲功率等加深對衛星信號特征的理解，形成對信號特征、異常信號的識別能力，進一步具備一定的故障定位能力。

（2）加深衛星通信原理認知。通過搭建L頻段衛星通信鏈路，進一步熟悉衛星通信系統的組成、信道特征和鏈路預算方法。通過測量不同多址方式、調制方式、信道編碼方式以及轉發器工作模式的性能和信號特征，加深對各種通信體制特點的認識。

（3）掌握衛星通信系統設計方法。由于實驗教學平臺依托硬件設備，有許多參數需要自行設計，這不僅需要學生對各種硬件功能和接口有較深的理解，也需要學生熟悉衛星通信鏈路設計中的各種參數。實驗中將真實的衛星通信信道囊括到整個系統設計，學生能夠根據通信質量要求調整調制方式、信道編碼方式和發射功率等系統參數，驗證不同站型、不同信道條件下的鏈路傳輸能力。

（4）學會衛星通信設備組網操作。由于實驗平臺依托真實衛星通信設備構建，在衛星通信鏈路搭建時，需要完成衛星通信組網相關操作，具體包括衛星通信網絡頻譜資源分配、號碼地址管理、地球站參數配置、入網開通、運行狀態檢測、設備保養維護檢查等操作。學生在課程實驗中，可以掌握衛星通信設備典型操作方法，為后續走上工作崗位打下基礎。

3 軟件無線電的拓展實驗設計

為了進一步提高教學的高階性、創新性和挑戰度，引入軟件無線電技術，設置基于通用軟件無線電外設（Universal Software Radio Peripherals，USRP）和實驗室虛擬儀器工作平臺（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，LabVIEW）的拓展實驗。

USRP是軟件無線電領域廣泛使用的硬件平臺，能夠產生軟件重配置的射頻通信信號，具有良好的可擴展性和操作便捷性。LabVIEW 圖形化軟件開發集成環境是目前非常流行的虛擬儀器創建工具。將LabVIEW圖形化構建的實驗模塊以及虛擬化的實驗系統落實到具體的USRP 硬件平臺上，不同的通信功能模塊都可以通過USRP 實驗平臺得到實現，完成真實的通信過程。在教學和科研領域，使用USRP 和LabVIEW相結合的系統平臺來仿真和開發通信鏈路及系統得到廣泛應用，受到國內外很多高校的認可［13-15］。

鑒于LabVIEW具有敏捷開發能力，可以將衛星地球站通過LabVIEW 圖形化編程實現，并實時運行于USRP的硬件平臺，模擬一個衛星地球站的信號處理過程并產生L 頻段中頻信號。如圖3 所示，將USRP與信道模擬器和通信衛星模擬設備相連接，即可實現整個衛星通信系統的模擬。

圖3 基于LabVIEW和USRP的衛星通信模擬

拓展實驗采取老師布置題目，學生自選題目或自主擬題的模式展開，打破了傳統課上實驗教學內容和時長限制。學生可以自行選擇感興趣的實驗，設計實驗方案，開發編寫實驗軟件模塊，測試驗證并分析得到實驗結果。教師通過線上交流答疑、發布學習資料來提供必要的幫助技術和技術指導，并在平臺測試時保障安全。同時，通過構建衛星通信系統并進行相應的信號處理工作，也為學生申請專利和發表高水平學術論文提供支撐。圖4 給出了學生LabVIEW 典型編程實例的圖形化界面。

圖4 LabVIEW典型編程實例的圖形化界面

通過拓展實驗，不僅讓學生自行編寫不同通信軟件模塊，也讓學生觀察和調試通信模塊的硬件運行。學生需要綜合運用通信專業知識，完成衛星通信系統關鍵參數設計和信號處理，從而加深對通信系統各模塊的作用和功能的理解。拓展實驗可以充分發掘學生的主觀能動性，激發學生研究新的實驗方法，提高學生學習興趣，引導學生積極投身通信專業工程和科研實踐。

4 結 語

基于信道模擬器、地球站模擬設備、通信衛星模擬設備構建L頻段衛星通信模擬平臺，實現衛星通信系統的實物模擬。在此基礎上，構建匹配課程內容的衛星通信實驗課程教學體系，并基于USRP 和LabVIEW開展拓展實驗。通過實驗教學，學生能夠鞏固理論知識，掌握衛星通信系統設計分析方法，熟悉衛星通信設備操作，提高通信工程綜合實踐和創新能力。