基于L频段模拟平台的卫星通信实验教学设计

陈 龙， 高丽娟， 李 炯， 代健美

（航天工程大学航天信息学院，北京 101416）

0 引 言

当前卫星通信发展迅猛，已成为国防通信、海事通信等领域的重要手段，广泛应用于电视广播、移动通信、应急通信等场景［1］。基于卫星通信技术构建的卫星互联网，可提供全球范围的互联网无缝连接，具有重大战略意义，被世界各国作为争相研究和发展的重点基础设施工程［2-3］。因此，开设卫星通信课程从而培养能够从事卫星通信科学研究、技术开发、工程设计、系统应用等工作的创新型科技人才，具有重要意义。

卫星通信课程作为重要的专业必修课程，具有知识点多、理论性强、原理复杂、概念抽象等特点，学习掌握难度较大［4］，开展实践教学是成为保障教学效果的重要手段。通过实践教学，学生能够巩固对基础理论知识的掌握，并将理论知识应用到实际工程，实现理论与实践的闭环，增强创新思维水平和实践技能［5］。

围绕提高人才培养质量，各高校积极建设卫星通信实践课程和实践条件。文献［6］中通过中频链路在多种体制下传输语音、视频等业务数据，并模拟卫星信道信噪比变化。吕国成等［7］基于Hollis 信道模拟器、可编程调制／解调器搭建了一套宽带实时卫星信道模拟平台。张峰干等［8］提出卫星通信计算机仿真、观摩真实卫星通信设备以及利用卫星广播电视接收系统开展设备操作等教学方法。文献［9-10］中采用二次变频方式设计了C波段同步卫星通信技术实验平台，各单元模块独立且参数可调，可以利用测量参数开发并验证各单元模块。文献［11］中通过建设通信工程专业卫星通信校外实践基地，探索工程实践教育模式。文献［12］利用Unity 3D建模、真实计算引擎等技术搭建了卫星通信组网虚拟仿真实验平台，实现了卫星通信系统的三维重现和仿真运行。

本文依托实物卫星地球站和通信卫星转发器搭建卫星模拟平台，依据课程知识点设计卫星通信实验课程教学体系和教学内容，并给出了拓展实践设计。

1 卫星通信模拟平台

1.1 平台总体设计

如图1 所示，卫星通信模拟平台主要由地球站模拟设备、通信卫星模拟设备、信道模拟器三部分以及配套仪器仪表组成。其中通信卫星模拟设备、地球站模拟设备、信道模拟器采用硬件实物的方式实现，分别模拟卫星通信终端功能和业务、通信卫星的信号处理过程以及星地链路电磁波传播特性。各设备间通过射频线缆相互连接，基于L 频段中频链路完成信号互通，实现卫星通信系统从信源采集、信号发射、信道传输、卫星转发到信号接收、信息还原整个过程的实物模拟，并使用频谱分析仪、示波器和矢量信号分析仪等仪器仪表测量频谱、信号波形、调制星座图等信息。

图1 卫星通信模拟平台组成及交互关系

1.2 平台主要组成与功能

（1）地球站模拟设备。地球站模拟设备主要用于模拟卫星通信地球站的功能，通过组网实现网际互连协议（Internet Protocol，IP）数据、视频和话音等业务传输，由调制解调单元、交换机、语音网关、音视频编解码器等设备共同构成。其中，调制解调单元作为模拟地球站的信道终端，可以工作于时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）体制，支持二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）、正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）等调制方式，以及卷积码、低密度奇偶校验码（Low Density Parity Check Code，LDPC）码等信道编码方式，具有中低速综合业务组网传输能力，支持网状、星状组网应用，可以实现同步／异步数据、IP 业务的卫星组网通信。调制解调单元由中央处理器、现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）及其他相关外围电路构成，功能包括访问控制、综合业务接入、终端监控以及IP数据处理等。语音网关和音视频编解码器可以直接连接电话机、摄像机和显示器等设备，产生真正的话音和音视频业务数据流。

（2）通信卫星模拟设备。通信卫星模拟设备能够模拟典型通信卫星有效载荷的信号处理过程，包括下变频器、上变频器和转发器核心部件。其中，上下变频器完成L频段信号与低中频（70 MHz）信号之间的变频处理，转发器核心部件同时具备直通和处理两类转发器功能。处理转发器包括调制解调模块、基带处理模块、通信电源模块，能够完成调制／解调、编码／译码、组帧／解帧和加扰／解扰等功能，支持TDMA 和FDMA两种多址方式，调制方式支持BPSK 和QPSK，信道编码方式支持LDPC和卷积码。

（3）信道模拟器。信道模拟器基于星地链路电磁波传播模型，仿真宽带无线信道特征，基于噪声功率、传输时延、信号衰落等参数模拟信号在传输过程中的变化。支持L频段的信号输入和输出，支持4 通道双工信道模拟，能够模拟常量、瑞利、莱斯、纯多普勒模型以及高斯分布的信道衰落，并能够产生功率、频率、带宽可调的干扰信号叠加到正常信号上。

2 课程实验教学设计

2.1 实验教学体系构建

根据卫星通信课程教学大纲，从课程教学内容体系出发，设计构建实验项目和内容，如表1 所示。实验项目紧贴课堂讲授知识点，特别围绕其中重难点问题展开，覆盖卫星通信系统组成、卫星通信链路、通信体制、通信卫星、干扰与抗干扰等课程主要内容，实现课堂理论讲授与原理实验的有机结合和紧密衔接。

表1 实验教学项目和内容

实验内容以信号测量与分析为主要抓手，通过建立L频段卫星通信链路并设置设备参数，对比不同链路特性、不同通信体制、不同干扰模式对通信效果的影响。实验教学内容设计遵循由浅入深、由简单到复杂的原则，逐步在理想信道、真实信道、干扰信道条件下搭建实验环境。实验1、2 中，使用射频电缆线直接连接地球站模拟设备和通信卫星模拟设备，避免噪声及其他干扰对上下行链路信号的影响，实现理想信道环境下卫星信号的传输；实验3 ～8 中，基于对真实星地链路的计算和估计，设置合适的信道模拟器参数，模拟真实星地通信链路特征，从而进行相应的传输、测量及分析实验；实验9、10 中，进一步通过信道模拟器引入异常噪声干扰，将干扰信号叠加到正常信号上，从而构造强干扰信道条件，便于分析不同信噪比条件下的传输性能。

2.2 实验典型教学流程

利用卫星通信模拟平台对卫星通信过程进行信号级仿真，通过设定卫星转发器、地面站和通信信道参数，分析不同配置下通信效果，使学员理解不同卫星通信技术和体制的特点。

典型教学流程如图2 所示。主要包括以下步骤：

图2 卫星通信原理实验典型教学流程

（1）课堂上，老师按照教学计划讲解课堂实验内容，引导学生熟悉实验原理并掌握实验步骤。

（2）学生根据老师安排，配置地球站模拟设备、通信卫星模拟设备和信道模拟器参数。

（3）学生使用频谱分析仪、矢量信号分析仪、示波器等仪器仪表分别对链路中的信号和解调处理后的信号进行测量，观察频谱图和调制星座图等测量结果，得到信噪比、误码率等参数。

（4）学生记录相关测量结果，并对数据进行分析。

（5）老师组织课堂讨论和总结。

2.3 教学效果分析

通过上述实验教学，学员能够提高实践能力，加深对理论知识的理解。预期教学效果具体包括以下方面。

（1）掌握卫星通信信号测试分析方法。了解测量仪器的使用原则，熟悉仪器操作方法，掌握卫星通信信号测试技术，学会分析测量数据及误差来源，会测试卫星通信设备性能。通过观察理想信道、真实信道、干扰信道条件下信号频谱、信号功率、噪声功率等加深对卫星信号特征的理解，形成对信号特征、异常信号的识别能力，进一步具备一定的故障定位能力。

（2）加深卫星通信原理认知。通过搭建L频段卫星通信链路，进一步熟悉卫星通信系统的组成、信道特征和链路预算方法。通过测量不同多址方式、调制方式、信道编码方式以及转发器工作模式的性能和信号特征，加深对各种通信体制特点的认识。

（3）掌握卫星通信系统设计方法。由于实验教学平台依托硬件设备，有许多参数需要自行设计，这不仅需要学生对各种硬件功能和接口有较深的理解，也需要学生熟悉卫星通信链路设计中的各种参数。实验中将真实的卫星通信信道囊括到整个系统设计，学生能够根据通信质量要求调整调制方式、信道编码方式和发射功率等系统参数，验证不同站型、不同信道条件下的链路传输能力。

（4）学会卫星通信设备组网操作。由于实验平台依托真实卫星通信设备构建，在卫星通信链路搭建时，需要完成卫星通信组网相关操作，具体包括卫星通信网络频谱资源分配、号码地址管理、地球站参数配置、入网开通、运行状态检测、设备保养维护检查等操作。学生在课程实验中，可以掌握卫星通信设备典型操作方法，为后续走上工作岗位打下基础。

3 软件无线电的拓展实验设计

为了进一步提高教学的高阶性、创新性和挑战度，引入软件无线电技术，设置基于通用软件无线电外设（Universal Software Radio Peripherals，USRP）和实验室虚拟仪器工作平台（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，LabVIEW）的拓展实验。

USRP是软件无线电领域广泛使用的硬件平台，能够产生软件重配置的射频通信信号，具有良好的可扩展性和操作便捷性。LabVIEW 图形化软件开发集成环境是目前非常流行的虚拟仪器创建工具。将LabVIEW图形化构建的实验模块以及虚拟化的实验系统落实到具体的USRP 硬件平台上，不同的通信功能模块都可以通过USRP 实验平台得到实现，完成真实的通信过程。在教学和科研领域，使用USRP 和LabVIEW相结合的系统平台来仿真和开发通信链路及系统得到广泛应用，受到国内外很多高校的认可［13-15］。

鉴于LabVIEW具有敏捷开发能力，可以将卫星地球站通过LabVIEW 图形化编程实现，并实时运行于USRP的硬件平台，模拟一个卫星地球站的信号处理过程并产生L 频段中频信号。如图3 所示，将USRP与信道模拟器和通信卫星模拟设备相连接，即可实现整个卫星通信系统的模拟。

图3 基于LabVIEW和USRP的卫星通信模拟

拓展实验采取老师布置题目，学生自选题目或自主拟题的模式展开，打破了传统课上实验教学内容和时长限制。学生可以自行选择感兴趣的实验，设计实验方案，开发编写实验软件模块，测试验证并分析得到实验结果。教师通过线上交流答疑、发布学习资料来提供必要的帮助技术和技术指导，并在平台测试时保障安全。同时，通过构建卫星通信系统并进行相应的信号处理工作，也为学生申请专利和发表高水平学术论文提供支撑。图4 给出了学生LabVIEW 典型编程实例的图形化界面。

图4 LabVIEW典型编程实例的图形化界面

通过拓展实验，不仅让学生自行编写不同通信软件模块，也让学生观察和调试通信模块的硬件运行。学生需要综合运用通信专业知识，完成卫星通信系统关键参数设计和信号处理，从而加深对通信系统各模块的作用和功能的理解。拓展实验可以充分发掘学生的主观能动性，激发学生研究新的实验方法，提高学生学习兴趣，引导学生积极投身通信专业工程和科研实践。

4 结 语

基于信道模拟器、地球站模拟设备、通信卫星模拟设备构建L频段卫星通信模拟平台，实现卫星通信系统的实物模拟。在此基础上，构建匹配课程内容的卫星通信实验课程教学体系，并基于USRP 和LabVIEW开展拓展实验。通过实验教学，学生能够巩固理论知识，掌握卫星通信系统设计分析方法，熟悉卫星通信设备操作，提高通信工程综合实践和创新能力。