機動式衛星通信實訓系統的研究和實現

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

衛星通信作為一種能夠實現全球范圍內全天候通信的重要通信技術，是一種新興的網絡技術［1-2］，漸漸成為普及高山、海島、沙漠等偏遠地區通信網絡的重要手段，也是改善農村、經濟不發達地區衛星通信基礎設施條件，促進互聯網均衡發展的主要方式。構建衛星通信網絡實時傳輸音視頻是目前通信建設的發展趨勢之一［3］。

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

然而，一方面，衛星通信原理的理論性較強，衛星通信信號流程長，信號參數繁多，鏈路干擾因素多，難以管控，且衛星通信網絡構造多樣，根據不同需求可以組建不同形式的網絡，而且協議也不相同［4-5］。另一方面，衛星通信理論和工程實踐結合緊密，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。而且衛星通信設備建設費用高昂，數據資源費用也不菲，實驗室建設開展艱難。因此衛星通信人才培養受到嚴重制約［6-9］。

為解決上述問題，在高校實驗室構建一種小型化、可操作的衛星通信實訓系統［10-12］，一方面，為學生提供一個便于理論聯系實際的實踐平臺，使學生可直接觀摩、接觸，進而能夠開展設置和調試等實際操作；另一方面，面對實訓系統上的衛星通信鏈路特征，學生可通過感性認識，進而進行對衛星通信系統全鏈路的量化分析，以熟悉、掌握系統特點和信號變化特征［13-15］。因此，該系統有助于衛星通信的理論教學、實驗教學和科學研究活動的展開，將在知識、能力和素質三個方面落實教學目標，有助于提高教學質量。

一、衛星通信實訓系統的設計與搭建

（一）系統總體設計

衛星通信實訓系統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，以及衛星通信頻譜監視軟件、衛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、調制解調器、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 實驗系統體系結構

為滿足性能要求，衛星通信實訓系統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的重構和采用最新的編碼和調制解調技術。

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的視頻圖像。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E1×N（N=1,2,3,4）通信接口傳輸給調制解調器。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。解碼器根據前級E1×N輸出接口，自動進行碼率調整，完成信源解碼。

結合衛星通信視頻處理技術，可在低碼率下實現高質量視頻和音頻編解碼與傳輸，多種接口可與系統通過衛星信道、有線電纜、無線圖像傳輸系統實現互連互通。

2.C/L波段調制解調器。調制解調器的設計目標是可適應定制化使用需求，既能與現有使用單位的實際設備相兼容，又能實現國產化。

調制解調器基于歐洲衛星視頻廣播標準，采用支持QPSK調制方式，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，調制解調器包括同步的V.35和IP模塊提供10/100M Base-T以太網接口。其構架采用固件方式并基于現場可編程門陣列（FPGA），具有操作簡便、性能優良和可靠性高等特點。

3.1.0米全自動機動式衛星天線。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、精密傳動機械結構和天線控制等組成，采用模塊化、通用化設計技術，根據操作手冊可完成天線的安裝及使用。

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

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字化、FFT變換后，送到監控計算機。監控計算機運行頻譜顯示軟件，可對衛星通信500MHz、轉發器36MHz、通信載波2MHz的信號進行監視?？勺R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）衛星通信實訓系統的搭建

衛星通信實訓系統主要提供三種子系統的搭建。

1.主站的搭建和參數設置。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，經過分合路器接收信號，再經過調制解調器、網絡交換機、音視頻解碼器送至顯示器或話筒。發送信號則相反，從攝像頭輸出的信號經音視頻編碼器、網絡交換機、調制調解器，經過分合路器由電纜等傳送至室外單元的上變頻器，變頻后由天線發射。監視分系統可由分合路器接入主站。

圖2 主站組成框圖

主站的參數設置，主要包括信標頻率、載波頻率、調制方式、發射功率等。

2.室外機動站的搭建和參數設置。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，與主站結構類似，天線饋源仍然連接兩個支路，一發一收。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，經過分合路器，由調制解調器、網絡交換機、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；發送支路則為逆過程。

圖3 機動站組成框圖

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

3.監視分系統的搭建和應用。監視分系統的組成由頻譜分析設備和監控計算機組成。

監視分系統信號流程主要是：主站變頻器接收到的信號經過處理，輸出中頻信號，送至頻譜分析設備進行實時處理，輸入監控計算機，在專門軟件中對載波進行識別、判斷、監視和分析。并可根據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，結合實際情況進行衛星通信實訓系統的場地建設方案設計。建設實現后的實訓系統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制解調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 實訓系統機動站設備實物

（四）衛星通信實訓系統的功能設計

系統依托的固定地球站，可實現同時對兩個機動站的信息接入。能提供話音、數據和視頻等綜合通信業務。根據培養方案和教學目標，該實訓系統目的在于培養學生熟悉衛星通信信號處理流程與衛星通信鏈路計算，會分析衛星通信系統全鏈路，掌握整個信號流程和系統特點。

1.在知識培養方面，可培養學生熟悉話音、數據、視頻等信號變換特征，使其了解衛星信號的形式和內涵、規律和特征，能夠對調制解調器、音視頻編解碼器的關鍵參數進行正確測試和設置，了解衛星通信系統的組成與模塊之間的硬件連接關系。

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

3.在素質培養方面，培養學生開通業務和綜合組網的能力，使學生能夠制定衛星頻譜監視、衛星通信干擾方案等。另外，根據需要，可對學生進行衛星通信中心站的頻譜監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，提升實際綜合運用能力。

二、衛星通信實訓系統的教學內容

該實訓系統服務于本科生、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?？茖W生而設計。通過系統的天線、音視頻編解碼器、調制解調器等單元模塊的展示和說明，幫助學生了解衛星通信系統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的感性認識和理解。

實驗項目可開設射頻通信實驗系統的搭建與調試，實現視頻信息的傳輸，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，對于天線跟蹤、高功率放大設備、低噪聲放大設備、衛星調制解調設備及音視頻編解碼等設備進行地形勘察、選址、終端參數設置等工作，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，加深受訓人員對衛星通信系統信息流程的掌握。該類實驗需由2～3名學生合作完成，可培養學生的團隊協作精神。

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的各個模塊輸出信號的頻譜特性進行測試，總結其參數。對系統進行調試，使其在最佳狀態工作。固定站衛星天線對星。熟悉并掌握信標接收機操作方法、天線控制器操作方法，進行固定站衛星通信天線的對星操作。便攜站天線組裝和對星。使用衛星通信便攜站，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，使衛星信標信號最大。

（三）自主創新性實驗

該類實驗面向有創新思維的本科生和研究生開展課題研究。系統引接主站中頻信號，使用頻譜采集設備對信號進行數字化、FFT變換后，將中頻信號送到監控計算機。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生器產生的信號頻譜，合理設置參考電平、分辨率帶寬、視頻帶寬等參數，分析經某衛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星信號頻譜特性、干擾信號的識別和分析等。該實訓系統可為學生進行課題研究、發表高水平論文、申報專利提供數據支持，有助于培養學生自主設計、科學測試的創新思維。

三、衛星通信實訓系統的教學應用

（一）操作實踐性強，培養團隊協作精神

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

（二）豐富實訓教學內容，理論聯系實際

衛星通信系統的理論性強、知識面寬，需要豐富實訓教學內容，并且需要基于實際的衛星通信鏈路操練受訓人員，該實訓系統有利于實現這一目標。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量級。通過載波監視、識別、干擾分析等處理，使學生掌握衛星轉發器載波使用情況、各個載波的工作參數，還可以保存頻譜以供進一步研究。

結語

基于理論聯系實際的教學理念，設計了機動式衛星通信教學實訓系統。該系統直觀完備、實用經濟，各機動模塊單元獨立設計，可安裝和拆卸，便于實現機動式衛星通信鏈路。該設計既有助于學生對衛星通信系統尤其是衛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，在能力和素質層面提高了實訓的教學效果。