机动式卫星通信实训系统的研究和实现

项顺祥，黄麟舒，李 荃

（海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033）

引言

卫星通信作为一种能够实现全球范围内全天候通信的重要通信技术，是一种新兴的网络技术［1-2］，渐渐成为普及高山、海岛、沙漠等偏远地区通信网络的重要手段，也是改善农村、经济不发达地区卫星通信基础设施条件，促进互联网均衡发展的主要方式。构建卫星通信网络实时传输音视频是目前通信建设的发展趋势之一［3］。

为使学生提高对于卫星通信原理的理解，掌握机动式卫星通信实际系统的组成和连接，能够应用知识独立搭建连接卫星通信模块，分析通信信号并对载波实现监视、识别、判性，在卫星通信专业教学中，构建一种卫星通信实训系统具有实际应用价值。

然而，一方面，卫星通信原理的理论性较强，卫星通信信号流程长，信号参数繁多，链路干扰因素多，难以管控，且卫星通信网络构造多样，根据不同需求可以组建不同形式的网络，而且协议也不相同［4-5］。另一方面，卫星通信理论和工程实践结合紧密，很多技术难点在于工程实践，需要有实操教学项目。因此，仅依靠课堂书本讲授，难以保证学生的实际学习效果。而且卫星通信设备建设费用高昂，数据资源费用也不菲，实验室建设开展艰难。因此卫星通信人才培养受到严重制约［6-9］。

为解决上述问题，在高校实验室构建一种小型化、可操作的卫星通信实训系统［10-12］，一方面，为学生提供一个便于理论联系实际的实践平台，使学生可直接观摩、接触，进而能够开展设置和调试等实际操作；另一方面，面对实训系统上的卫星通信链路特征，学生可通过感性认识，进而进行对卫星通信系统全链路的量化分析，以熟悉、掌握系统特点和信号变化特征［13-15］。因此，该系统有助于卫星通信的理论教学、实验教学和科学研究活动的展开，将在知识、能力和素质三个方面落实教学目标，有助于提高教学质量。

一、卫星通信实训系统的设计与搭建

（一）系统总体设计

卫星通信实训系统由一个位于实验室的中心地球站（主站）和位于室外的两个机动式地球站，以及卫星通信频谱监视软件、卫星通信指挥控制软件组成（见图1）。该平台主要包括：一个主站地球站和两个机动地球站。机动站的设备主要包括：信源音视频编解码器、信道编解码器、调制解调器、上下变频器等硬件设备，主站除以上外还包括实时频谱分析模块等硬件设备。

图1 实验系统体系结构

为满足性能要求，卫星通信实训系统中的主站采用已有设备，即实验室原有的中大型固定地球站，具有直径为4.5米的室外天线；机动站为独立单元设计，各个单元由性能良好的专用设备组成。模块化单元的设计有利于系统的重构和采用最新的编码和调制解调技术。

为了实时清楚地显示传输图像，在主站采用液晶拼接屏显示对方传输的视频图像。在机动站则采用平板电脑进行视频显示。

（二）主要模块单元设计

1.音视频编解码器。音视频编解码器，将输入的音频、视频信号进行压缩编码，视频可形成128kb/s～2.048Mb/s（标准的E1码流）速率范围中的码率，音频可选择8kb/s～320kb/s的码率，通过可调E1×N（N=1,2,3,4）通信接口传输给调制解调器。其中视频采用先进的H.265/AVC视频编码算法，音频采用MPEG-4 AAC音频编码算法。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。

结合卫星通信视频处理技术，可在低码率下实现高质量视频和音频编解码与传输，多种接口可与系统通过卫星信道、有线电缆、无线图像传输系统实现互连互通。

2.C/L波段调制解调器。调制解调器的设计目标是可适应定制化使用需求，既能与现有使用单位的实际设备相兼容，又能实现国产化。

调制解调器基于欧洲卫星视频广播标准，采用支持QPSK调制方式，工作频率采用L波段或C波段，中频为70MHz/140MHz。

为满足低成本终端的需求，系统为Ku频段低噪声变换器和Ku频段上变频器提供L和C波段接口，调制解调器包括同步的V.35和IP模块提供10/100M Base-T以太网接口。其构架采用固件方式并基于现场可编程门阵列（FPGA），具有操作简便、性能优良和可靠性高等特点。

3.1.0米全自动机动式卫星天线。设备由等效口径为1.0米的修正型偏置格里高利双反射面天线、信标接收机、精密传动机械结构和天线控制等组成，采用模块化、通用化设计技术，根据操作手册可完成天线的安装及使用。

4.液晶拼接屏（3×3式）。主要用于对卫星视频的显示，以及图形化显示卫星转发器载波使用情况、各个载波的工作参数。由液晶拼接屏、融合通信服务器、视频切换矩阵等组成，通过对卫星通信各类参数的采集和显示，进行卫星通信态势的显示。

5.频谱分析模块。采用了某频谱分析模块，引接主站中频信号，使用频谱采集设备对信号进行数字化、FFT变换后，送到监控计算机。监控计算机运行频谱显示软件，可对卫星通信500MHz、转发器36MHz、通信载波2MHz的信号进行监视。可识别信号的中心频率、带宽、信噪比等性能指标。具有频谱保存功能。

（三）卫星通信实训系统的搭建

卫星通信实训系统主要提供三种子系统的搭建。

1.主站的搭建和参数设置。主站的组成框图如图2所示。室外单元包括4.5米卡塞格伦天线、天线座架、天线馈源上的低噪声放大器（LNB）和上变频器（BUC）。由波导、同轴线等低损耗传输线传送至室内，经过分合路器接收信号，再经过调制解调器、网络交换机、音视频解码器送至显示器或话筒。发送信号则相反，从摄像头输出的信号经音视频编码器、网络交换机、调制调解器，经过分合路器由电缆等传送至室外单元的上变频器，变频后由天线发射。监视分系统可由分合路器接入主站。

图2 主站组成框图

主站的参数设置，主要包括信标频率、载波频率、调制方式、发射功率等。

2.室外机动站的搭建和参数设置。机动站的组成框图如图3所示。主要由天线本身和信道机等组成。天线为1.0米直径的拼装抛物面天线，与主站结构类似，天线馈源仍然连接两个支路，一发一收。接收支路由低噪声放大器将所需信号放大，由波导、同轴线等低损耗传输线传送至室内，经过分合路器，由调制解调器、网络交换机、音视频解码器处理恢复视频或音频信号，再送至显示器或话筒；发送支路则为逆过程。

图3 机动站组成框图

机动站的参数设置，主要包括天线的方位角、仰角设置，以及信标频率、载波频率、调制方式等。

3.监视分系统的搭建和应用。监视分系统的组成由频谱分析设备和监控计算机组成。

监视分系统信号流程主要是：主站变频器接收到的信号经过处理，输出中频信号，送至频谱分析设备进行实时处理，输入监控计算机，在专门软件中对载波进行识别、判断、监视和分析。并可根据需要进一步开展通信信号处理、通信对抗等方面的深入研究。

在建设前，要对场地进行实地勘测，结合实际情况进行卫星通信实训系统的场地建设方案设计。建设实现后的实训系统机动站设备实物如图4所示。图4中左图为机动站的音视频编解码器和调制解调器交换机等通信单元；右图为机动式地球站的天线和馈源。

图4 实训系统机动站设备实物

（四）卫星通信实训系统的功能设计

系统依托的固定地球站，可实现同时对两个机动站的信息接入。能提供话音、数据和视频等综合通信业务。根据培养方案和教学目标，该实训系统目的在于培养学生熟悉卫星通信信号处理流程与卫星通信链路计算，会分析卫星通信系统全链路，掌握整个信号流程和系统特点。

1.在知识培养方面，可培养学生熟悉话音、数据、视频等信号变换特征，使其了解卫星信号的形式和内涵、规律和特征，能够对调制解调器、音视频编解码器的关键参数进行正确测试和设置，了解卫星通信系统的组成与模块之间的硬件连接关系。

2.在能力培养方面，可培养学生卫星信号分析和处理的实际能力。使学生了解卫星通信链路，会测试不同信道条件下的链路特性。通过分别开展卫星通信机动站场地勘察选址、主站卫星天线对星、主站参数设置，以及业务开通、机动站天线组装及对星、机动站参数设置与业务开通等方面的实际训练，使学生能够正确进行参数设置等操作，具备系统搭建和开通能力，最终实现学生工程实践能力的提高。

3.在素质培养方面，培养学生开通业务和综合组网的能力，使学生能够制定卫星频谱监视、卫星通信干扰方案等。另外，根据需要，可对学生进行卫星通信中心站的频谱监视及干扰识别等方面的实际训练，以提高其面对复杂实际问题时的心理素质，提升实际综合运用能力。

二、卫星通信实训系统的教学内容

该实训系统服务于本科生、研究生的实验教学，可以提供以下三个层面的实验教学内容。

（一）演示性实验

该类实验主要采用演示和示范的方式针对本科或专科学生而设计。通过系统的天线、音视频编解码器、调制解调器等单元模块的展示和说明，帮助学生了解卫星通信系统的基带和射频等模块的功用，以及相互之间的连接关系，在实物演示下加深学生对系统的感性认识和理解。

实验项目可开设射频通信实验系统的搭建与调试，实现视频信息的传输，由教师演示给学生。微波功能模块连接设计可由学生自行完成，由教师进行阶段性检查指导。

（二）专业性基础实验

该类实验主要针对通信工程的本科生而设计，采用参数设置、硬件搭建等方式。在教师指导下由学生搭建机动站分系统，对于天线跟踪、高功率放大设备、低噪声放大设备、卫星调制解调设备及音视频编解码等设备进行地形勘察、选址、终端参数设置等工作，可使学生掌握实际设备的操作使用和日常维护方法，提高学生卫星通信工程实践能力。同时，还可开展设备连接关系训练，加深受训人员对卫星通信系统信息流程的掌握。该类实验需由2～3名学生合作完成，可培养学生的团队协作精神。

实验项目可开设频谱分析仪使用及通信信号分析。使用频谱分析仪测量常见的无线电信号，如单频、扫频、白噪声；使用频谱分析仪对实训系统的各个模块输出信号的频谱特性进行测试，总结其参数。对系统进行调试，使其在最佳状态工作。固定站卫星天线对星。熟悉并掌握信标接收机操作方法、天线控制器操作方法，进行固定站卫星通信天线的对星操作。便携站天线组装和对星。使用卫星通信便携站，进行抛物面天线的组装、馈线连接、加电、由罗盘确定方位角和极化角及俯仰角、选址，使卫星信标信号最大。

（三）自主创新性实验

该类实验面向有创新思维的本科生和研究生开展课题研究。系统引接主站中频信号，使用频谱采集设备对信号进行数字化、FFT变换后，将中频信号送到监控计算机。学生在计算机上运行频谱显示软件，可分析信号的中心频率、带宽、信噪比等性能指标，还可进一步进行载波监视、识别、判性、干扰分析等处理。另外，可使用频谱分析仪观察并分析扫频信号发生器产生的信号频谱，合理设置参考电平、分辨率带宽、视频带宽等参数，分析经某卫星下行变频后某频段信号的频谱特性。

实验项目可开设频谱仪分析卫星信号频谱特性、干扰信号的识别和分析等。该实训系统可为学生进行课题研究、发表高水平论文、申报专利提供数据支持，有助于培养学生自主设计、科学测试的创新思维。

三、卫星通信实训系统的教学应用

（一）操作实践性强，培养团队协作精神

为适应新工科教学的要求，该实训系统依托模块化硬件设备，需要自行熟练组装。有多组参数需要操作者来设计，不仅要求学生对各种硬件功能和接口了然于心，而且需要学生根据条件对卫星通信链路的各种参数和指标进行合理设置。另外，还需要2～3名学生协同合作，才能完成所有实训内容，有助于培养学生团队协作和互助互学的能力。

（二）丰富实训教学内容，理论联系实际

卫星通信系统的理论性强、知识面宽，需要丰富实训教学内容，并且需要基于实际的卫星通信链路操练受训人员，该实训系统有利于实现这一目标。通过分析信号的中心频率、带宽、信噪比等，可使学生直接掌握实际性能指标的数量级。通过载波监视、识别、干扰分析等处理，使学生掌握卫星转发器载波使用情况、各个载波的工作参数，还可以保存频谱以供进一步研究。

结语

基于理论联系实际的教学理念，设计了机动式卫星通信教学实训系统。该系统直观完备、实用经济，各机动模块单元独立设计，可安装和拆卸，便于实现机动式卫星通信链路。该设计既有助于学生对卫星通信系统尤其是卫星通信信号流程建立感性认识，提高学生的信号分析处理、参数设置、台站开通等基础实操能力，又能进一步使学生熟悉载波监视和识别，提高干扰信号的分析判别和处理能力，进而提高学生的工程实践能力。教学实际表明，该教学手段直观完备，学生学习目标明确，个人实操能力得到增强，在能力和素质层面提高了实训的教学效果。