微波与卫星通信实验教学平台建设及教学方法探索

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）

0 引 言

卫星通信系统作为空天地海一体化信息网络的重大基础设施，以其覆盖范围广、通信质量好、运行维护费用低等特点在航空航天通信、现代战争、抗震救灾、航海和个人边远地区通信等领域发挥着不可替代的作用［1-4］。卫星通信的深入发展要求培养创新型人才。但是，在现有卫星通信课程教学过程中存在如下问题［5-9］：①卫星通信技术本身与工程实践结合紧密，学生难以在灌输式的理论课堂中理解微波与卫星通信的基本原理与关键技术、地球站和转发器的组成与工作过程，并且不同应用背景下的通信系统设计和实现算法也不能在理论课堂中讲授给学生；②受限于卫星通信设备的高成本，即便部分高校开设实验课程，通常也仅限于仿真实验或演示和观摩实验，这类课程难以增加学生的学习投入度，也无法与工程实际结合来培养学生的实践动手能力和创新能力。面向我国对信息电子相关专业工程型创新人才培养的迫切需求，围绕“实践为基，创新为重，工程为要”的质量工程建设和教学改革目标［10］，如何设计和改进微波与卫星通信实验课程平台对培养从事微波与卫星通信方向的科学研究、工程设计、开发、设备制造等工程型人才具有重要意义。

参照国际标准C或L波段通信卫星，采用二次变频方式构建C波段同步卫星通信实验平台。该平台使用全开放式的微带电路设计理念，不仅能让学生更加深刻地理解微带有源无源电路的设计方法，而且能够让学生直观地接触实验平台中的各模块，有助于提升学生的动手能力、思考能力、创新能力，体现了理论与实践相结合的教学理念，能够提升理论教学、实践教学和创新设计比赛等方面的教学效果。

1 实验教学平台设计

1.1 实验平台组成

为了培养卫星通信领域的创新型人才，建设了微波与卫星通信实验平台，总体组成如图1所示。该平台采用二次变频方式，由地球站发射系统、地球站接收系统和模拟同步通信卫星转发器系统组成，具备C波段卫星通信实时链路传输的功能。该平台主要包括音视频中频调制解调器、中频滤波器和放大器（增益可控）、微波低噪放大器和功率放大器、微波上下变频器、微波/微带带通滤波器、微波锁相及压控振荡器、微波可变衰减器（模拟与数字）、微波传输线、耦合器、收发天线、实时频谱分析仪等硬件设备，其中中频调制器、中频滤波器和放大器组成的系统可以完成微波部件及微波电路系统测试实验。在此基础上，结合混频器、收发天线、模拟卫星转发器能完成卫星通信传输部分和天线测量实验。

图1 实验平台设计功能框图

为了掌握微波与卫星通信系统的基本原理与信号传输流程，实验教学平台中各硬件单元独立设计，模块化的设计方法有助于学生开展中频、高中频和射频等接口的测量，使学生掌握射频前端模块的关键参数和作用，深刻理解卫星通信系统中信号的传输流程，利用测量的参数开发并验证各单元模块。另外，该平台采用的开放式微带电路设计方法便于学生理解微波电路在系统中的应用状态和功能，若与各种终端和其他教学试验箱连接，有助于提升学生二次开发的创新设计能力。

1.2 主要模块

（1）中频调制解调器。中频调制器输入摄像头实时采集的音频、视频信号，分别采用调频（Frequency Modulation，FM）和调幅（Amplitude Modulation，AM）两种模拟调制方式获得70 MHz中频调制信号（功率15～10 dBm）。开放式的调制器模块有利于调节调制度、音频调制和输出电平等参数。分别测量空载波、单载波、双载波时的已调信号频谱和时域波形，比较其中心频率、峰值功率等参数，学生能更深刻地理解中频调制器的原理。双载波时的调制示意图如图2所示。接收端的接口类型、解调方式等参数与调制器一致。若同时恢复出高质量音频和视频信号，需利用乘法器、低通滤波器和二极管包络检波组成的同步检波方式。

图2 双载波调制原理图

（2）锁相环与微波上下变频器。图1所示的实验教学平台采用二次变频方式获得C波段卫星信号，其中本地振荡频率分别由960 MHz和5.12 GHz锁相环产生。混频器将输入信号与本地振荡频率相乘，产生新的频率成分。该实验平台采用双平衡无源混频器来获得具有良好动态范围、高线性度和低噪声系数等特性的混频信号。

（3）带通滤波器。滤波器是一种用来滤除噪声、分离或组合不同频率微波信号的二端口网络。该网络由具有频率选择作用的电路或运算处理系统组成。所建实验平台包括中频滤波器、高中频滤波器和带通滤波器，前者实现对70 MHz中频信号的滤波，后者完成混频信号上边带的选频。

（4）实时频谱分析仪。实验系统将采用RSA 5065-TG实时分析仪，工作频率为9 kHz～6.5 GHz，用来测量调制信号的频谱、有源无源电路的关键参数，分析各模块对传输信号的影响。

1.3 实验平台搭建

微波与卫星通信实验教学平台可以提供如下2种实验条件：

（1）理想信道条件下传输场景。为了避免实验环境中噪声、干扰对天线辐射电磁波的影响，能使用电缆线代替收发天线，直接连接地面站系统与模拟卫星转发器系统，实现理想信道环境下对系统性能的分析。

（2）真实信道条件下传输场景。天线是实现通信的重要部件，在发射端将产生的电磁波辐射出去，在接收端对接收信号进行信号处理［11-12］。发射系统和接收系统与模拟卫星转发器之间分别采用6 GHz和4.8 GHz天线连接，如图3所示。通过接收端测量发现，真实信道条件下的信号功率远低于理想信道传播场景下的信号功率，其原因包括天线的性能与耦合、各种噪声与干扰、多套实验平台近距离同时工作时的相互影响及自由空间传播损耗等。通过实验能培养学生将测试结果与卫星通信链路工程中的理论结果进行对比，分析误差来源。

图3 微波与卫星通信实验教学平台

1.4 通信工程本科专业教学内容设计

该实验教学目标是培养本科生掌握微波PCB电路部分的工作原理与设计思想、卫星通信传输系统设计与信号传输等方面的能力。

在信号传输方面，学生需要掌握各微带电路模块的工作原理，结合测量的关键参数（如中心频率、峰值功率、3 dB带宽）对比分析传播信号的频谱，掌握电路模块的功能。图4～6为中频已调信号的频谱，其中视频AM调制的本振载波为70 MHz，音频FM调制的本振载波为63.5 MHz。双载波同时调制时，载波信号的频率和幅度均随调制信号变化而变化。另外，学生可以自主设计其他类型的微波部分和组件系统，利用平台中的射频开关接口验证其功能。

图4 视频已调信号频谱

图5 音频已调信号频谱

图6 音视频双载波已调信号频谱

1.5 实验内容与课程内容结合

为配合理论教学，建设微波与卫星实验教学平台，为学生提供开放式的实验环境，使学生在真实实验设备与系统、实验室环境下完成有源无源电路与信号的测量与分析，掌握微波核心电路部件的功能及其对传输信号的影响。通过实验，学生能更加深刻地理解卫星通信系统的结构、工作原理、传输过程，为今后从事卫星通信系统设计与开发工作奠定理论基础，积累实践经验。因此，设计的实验平台即是一个微波中频部分的处理系统，又是射频信号的处理与传播系统，因而，该平台可以完成4部分的实验，包括微波电路、微波技术应用、微波/卫星通信传输、微波天线测试部分。与课程内容相结合的实验内容体现如下：

（1）70 MHz中频模块与信号传输分析。该模块包括信号产生、调制、滤波器与变换，在电路结构上与微波系统类似。

（2）高中频单元电路与信号分析。该模块包括锁相环产生本振频率与混频器，与L波段卫星信号传输类似。

（3）微带电路结构与信号传输分析。该模块设计射频天线、模拟卫星转发器测量及信号传输完整性分析。根据测量开展链路预算，考查学生对C波段射频链路的理解。在获得音视频高质量传输过程中，要求学生分析误差来源，学会调节电路结构的关键参数，培养解决问题的能力。

2 实验教学平台的特色

平台集成再现了微波信号的产生、变换、滤波、放大、控制、电波传输、收发等过程，并采用了开放式的微波电路结构、标准射频接口和拨动开关方式，可进行灵活的部件和分系统测试，其特色主要有：

（1）完整性。以实践操作为宗旨，按照微波与卫星通信设备的工业标准思路来设计，能组成一个完整卫星通信收发系统，也能实现单元电路的测试实验。

（2）透明化。全开放微带电路技术，彻底解决了封闭式电路给实验教学带来的弊端，让学生直观地看到每部分单元电路，了解微带电路的实际结构和特点，这种设计理念是该平台的显著特色。

（3）模块化。主要电路之间留有独立的射频接口，配上功率分配器和开关可进行单元电路或小系统的测试和监测，即可用微波频谱仪测试各点信号的传输状况，还能方便更换终端，可把视频终端改成学生设计的终端设备。

（4）自主性与可扩展性。能进行二次开发，通过电路中的射频接头和开关的设置，可把学生设计的电路部件通过标准电缆接头接入系统中，验证设计成果。

3 存在问题与教学方法思考

3.1 存在问题

尽管部分高校已经开设卫星通信实验课程，但是受限于昂贵的实验设备，尤其是西部偏远地区高校，课程中大多为仿真或演示观摩类实验，难以让学生直观地掌握卫星通信系统的结构和信号传输过程。尽管我校电子与信息工程专业、通信工程专业和广播电视工程专业已经开设了硬件电路的测量实验，但是仍存在如下问题：

（1）前期基础知识不足。目前，学院导向中未体现该课程在培养微波卫星通信人才方面的重要性，仅仅为无线通信技术与应用模块中的一门选修课程，这不仅导致学生没有射频通信电路、无线通信电波传播、通信天线技术、电子系统设计等前期课程的基础，而且较低的学分使得学生对该门课程兴趣较低，很可能出现无法开课的问题。

（2）教师梯度不合理。近年来，学院中承担新开理论课及实验课程的教师大多为新入职教师，他们不仅没有授课经历，而且缺乏工程实践能力，对学生的指导会存在力不从心的问题，难以达到教学的效果。

（3）学时数不足。相比理论教学，实践教学的学时数有限，导致学生重理论、轻实践，因而即便采用开放结构的设计方法，学生也不能对整个卫星通信系统有较全面系统的理解；另外，当今大学生本身缺乏积极探索知识的能动性，以完成课程内容、获得学分为目标，即便设置课前预习、课内检测、课后思考以及实验内容规划等环节，也不足以调动学生的积极性，学时设置的不合理不利于培养学生分析、解决问题的自主创新能力。

（4）实验平台与场地缺乏。从高校的教学方式与重视程度来看，传统实验教学受到场地、经费和设备等条件限制，制约了实验环节的教学质量，已经不能满足信息时代的教学需求［10］。我校受限于昂贵的实验设备，目前开设微波与卫星通信的高校也只购置了4套平台，采用分组的模式开展实验教学，若选修课程的人数太多，即便采用小班制也无法满足2或3人1组，对于团队协作意识较弱与能动性较差的学生，难以组织实践环节。

3.2 教学方法改进

（1）系统性实践类课程的设计。从系统级的角度有效地统筹设计实验内容是通信或电子信息类专业一个难以解决的问题。但是，通信与信息类专业涉及的微波与射频系统设计、模拟集成电路设计、电波传播与辐射测量与仿真、通信天线技术等课程与卫星通信实验课有相同之处，可以探讨微波及射频电子电路及系统、电磁波传播与天线等课程的实验改革，形成“虚实互补、相互支撑”一体化的实践教学平台体系［10-13］，进而培养学生对通信系统的整体认识。

（2）开放实验室，创造良好的自主创新环境。开放性实验室建设对促进教育改革、培养创新型人才、推进素质教育具有十分重要的意义。我校建设的实验平台具有二次开发的功能，不仅能与微波通信和移动通信设备组网，还能通过标准接口与工业终端设备相连接。前期开发的16学时课内实验中，学生往往难以在课堂中完成实验内容，更不会利用课余时间自主创新性地设计出卫星通信系统相关的微带电路。为了培养卫星通信领域的创新型人才，教学中将采用“学生参与、教师指导、成立卫星通信实验课题组”的开放式教学模式，以分段引导式实施课题［14-15］。具体实施方法为：①实验老师根据不同层次的学术提出具有创新性、层次性、趣味性等特点的实践课题，构建开放性实验课题库；②学生组建团队，自主讨论并选择最佳课题，老师以学生为主，指导学生论证课题实施方案的可行性并制定总体目标；③ 实验项目分层明确实施方法，提出关键问题的解决方法；④ 搭建软件与硬件系统，对课题进行实现、测试和验证；⑤ 分析实验数据，总结并撰写文档，开展现场演示答辩，对小组课题进行考评。上述方法的实施能够培养学生提出问题、分析问题、解决问题、团队协作等能力，但方案不够完善，有待进一步检验与改善。

（3）合理的考核评价机制。以往实践课程考核机制中签到、现场操作、实验报告分别按10%、40%和50%记入总成绩，缺乏详细的过程考核方式。针对此问题，可以取消签到考核分数，增加课前实验内容规划、课堂测试、开放课题设计、现场演示、答辩等环节［16-17］。相比以往的考核机制，课前规划能考查学生掌握的基础知识、分析实验内容、制定实验步骤、提出解决方法等方面的能力；开放课题设计能考查学生设计实验内容和目标、制定实验方案、分析实验数据、总结实验结果等方面的能力。考评机制改革能培养学生在团队合作模式下的自主学习与解决实际问题的能力，但还需要在课程中实施，分析实际的教学效果。

4 结 语

微波与卫星通信实验平台采用同步卫星工作方式，按工业产品通用的二次变频设计，并且配套通信卫星模拟转发器实现图像和话音的实时传输。平台的地面终端设备采用开放式设计思路，留有标准射频接口，具备在线频谱测试、故障设置、排除检修、模块二次开发等功能，使学生能接触式地开展各类实验，既深化学生对卫星通信理论的理解，又培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。利用该平台拟设立的开放性实验室为学生提供课程实践、创新设计、科学研究等环境，助力通信与电子信息工程、微波技术与天线等专业创新性人才的培养。