衛星通信的基本原理范文

導語：如何才能寫好一篇衛星通信的基本原理，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

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關鍵詞：衛星通信 實驗教學 衛星廣播電視

中圖分類號：G42 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）07（c）-0152-02

Abstract：According to the problem that the experimental equipment cost limit the development of the satellite communication experiments course，the characteristics of two kinds of teaching object：undergraduate and graduate students are analyzed，and content of the satellite communication experiment course and the experiment conditions construction are explored and discussed.Undergraduate experiment teaching adopts the design of low cost experimental equipment，and emphasizes the perceptual knowledge；while the graduate experimental course extrudes the learning autonomy，and guides students to find problems，to stimulate students’interest in learning.The exploration has achieved good results in practical teaching.

Key Words：Satellite communication；Experimental teaching；Satellite broadcast TV

截至2015年底，中國在軌運行的衛星數量已超過140顆，僅次于美國，位居世界第二。然而，伴隨著衛星數量的突破，我國的衛星產業發展卻相對滯后，尤其是地面應用系統的發展還不夠。除投入不足外，人才缺乏也是一個重要原因。衛星通信課程作為高校電子通信類專業的主干課程在激發學生對衛星通信領域的學習興趣、培養衛星通信領域的人才等方面有著不可替代的作用。

1 實驗課程開設背景

由于衛星通信設備昂貴、通信衛星資源緊缺，傳統的本科《衛星通信》課程主要以理論教學為主，以實驗演示和參觀觀摩為輔，實踐教學的比例非常少。衛星通信的頻率很高，常規的仿真平臺很難實現全系統仿真，因此，有條件的院校開設的仿真實驗僅限于衛星通信的中頻部分[1]，讓學生觀察信號在中頻部分的處理與傳輸過程，深化學生對通信基本理論的認識，但這些改善無法讓學生體會到真正的衛星通信過程，也很難激發學生對衛星通信領域的學習熱情和興趣。另外，隨著衛星通信技術的迅速發展，《衛星通信》課程的教學內容需要不斷更新，與工程實際結合也更加密切，實驗教學的重要性越來越突顯。與理論教學相比，由于學時有限、實踐環節組織困難，實驗教學已成為衛星通信教學改革與發展的瓶頸。

2 實驗教學內容設計

為提高衛星通信課程的教學質量，激發學生的學習熱情，對衛星通信課程實驗教學的內容和方法進行了探索，在教學實踐中取得了一定效果。

具體而言，該校在通信工程專業的本科生教學中開設了《衛星通信》課程，在研究生教學中開設了《現代通信新技術》（其中包含了衛星通信的相關內容），針對不同的培養對象，教學的內容、方式方法有很大差異。

2.1 本科實驗教學

本科教學中學生數量眾多，傳統的《衛星通信》實驗課程受限于實驗設備的成本，只能讓學生進行衛星通信的演示和觀摩，無法讓學生切身體會衛星通信的過程。隨著技術的發展，作為一種最廉價的衛星通信方式之一――衛星廣播電視已進入千家萬戶，它主要由天線（及其支架）、衛星電視接收機、電視機以及電源等設備組成。該系統屬于衛星通信中的單向接收地球站，而衛星通信中的反向發射鏈路與接收鏈路相似，因此，該系統完全可以作為學生體驗衛星通信過程的實驗設備。然而，雖然電視機在該系統中僅作為通信的終端設備，與衛星通信實驗課程的教學目的關聯性不強，但電視機的成本卻占據該套實驗系統的70%以上；另外，衛星廣播電視實驗的開設通常需要在室外開闊地域進行，此時系統的室外供電也將成為課程開設必須考慮的因素；上述兩個原因導致衛星電視接收系統在《衛星通信》實驗課程的開設過程中無法得到推廣。

為解決該問題，通過市場調研，將衛星電視接收機和電視機的功能改由尋星儀來實現。尋星儀是融合了衛星電視接收機、電視機以及頻譜儀簡易功能的一體化設備，采用鋰電池供電，不需要市電，便于室外實驗的開設。整套系統成本低于1 000元，其簡易的頻譜儀功能還可以開設衛星信標的接收實驗。

尋星儀的操作界面與常規的衛星電視接收機完全相同，可以設置衛星名稱、高頻頭本振、接收頻率、符號率、極化方式等參數；連接衛星電視接收天線后，當天線對準目標衛星時即可接收到該衛星上的信號（即接收的信號強度和信號質量高于衛星接收機門限）；若目標衛星上有公開的電視節目，還可以直接使用該終端收看衛星廣播電視。在該系統上開設的實驗課程可以讓學生熟練掌握衛星通信中天線對星的基本流程與操作技巧，明確天線三維指向的參考基準與天線精確對準衛星的判斷標準，使學生對衛星通信的整個過程進行全面、整體認知，鍛煉和培養學生的實踐動手能力。

本科生的實驗教學重點在于突出學生的感性認識，通過衛星實驗，使學生能夠掌握衛星通信的基本原理，明白衛星通信中對星的標準是什么，并掌握對星的常見技巧。對于學有余力的學生，啟發他們更深入了解衛星通信發展的新技術、新方向。

2.2 研究生實驗教學

與本科生相比，研究生具有更大的學習自主性，理論講授不僅要細而專，還要廣而泛。在本科現有衛星通信內容的基礎上，重點講授與衛星通信相關的天線技術、陣列信號處理技術以及通信技術等的發展現狀，為研究生下一步的課題選擇提供參考。

作為小班教學，研究生的衛星通信實驗課可以采用完全自主的形式――將固定衛星地球站、便攜式地球站、衛星動中通地球站以及寬帶無線通信系統、無人機視頻采集等設備交給學生進行自主組合，按照系統搭建由簡單到復雜，地球站由固定到移動，通信業務由話音到視頻的漸進過程，讓學生體會衛星通信在實際生活中的各種應用場景以及還存在亟需解決的問題，激發學生投身衛星通信領域技術研究的興趣。

3 結語

衛星通信實驗課程的開設可以強化學生對衛星通信基本原理的理解和掌握，激發學生對衛星通信領域的學習興趣。該文針對本科生和研究生兩種教學對象，對衛星通信實驗課程的開設內容以及實驗條件建設進行了探討與摸索，在實際的教學過程中取得了良好效果。然而，適合于不同對象、不同接受能力的實驗內容和教學方法的改革是永無止境的，如何取得更好教學效果還需要與廣大高校的衛星通信課程教師共同探討。

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關鍵詞：信噪比；跳頻通信；仿真；誤碼率；抗干擾

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）07-1568-04

1 概述

根據整個以太網網絡早就預設的程序，自由操控該網絡內所有臺站在一秒鐘鐘內在同一時間改變頻率多次，這么一個過程就叫做跳頻。同步信令從之前設定的基站周期性發出，從而達到指令所有的從站根據基站的頻率作跳躍式改變[1]。

跳頻短波通信相對衛星通信在安全性上更為可靠、精準。這個主要是由其所受的機構不能所決定。衛星通信一般都是由國家的相應機構所轄制，所以在一定程度上有局限性。而跳頻短波通信是完全自主的，相對自主的多，也較之可靠。現今，普通數字式跳頻十分普遍。例如邊帶跳頻、智能跳頻等都是在近年出現比較先進的跳頻模式。跳頻通信系統是一種典型擴展頻譜通信系統，它在軍事通信、移動通信、計算機無線數據傳輸和無線局域網等領域有著十分廣泛的應用，已成為當前短波保密通信的一個重要的發展方向[2]。該文介紹了跳頻通信系統的基本工作過程，從跳頻系統的結構組成，工作原理，跳頻通信系統的解跳、解調等方面闡述了跳頻通信基本原理，并對跳頻通信系統的抗干擾技術進行了仿真研究和理論分析。

2 跳頻系統的建模與仿真

2.1 跳頻系統基本原理

傳統的頻率跳變擴頻系統叫做：多頻、碼選、頻移鍵控。其基本思想是在頻率域中，不斷地改變發射頻率進行收發雙方預先約定好的通信。

根據圖1得知：信號首先同載波一道經過調制器，然后進入頻率合成器進行混頻，在混頻過程中，信號被放大，這時已變成已調信號，已調信號經頻率合成器中的功率放大器放大后，最后經天線發射出去[3]。在收端，通常采用超外差式接收機，也就是說信號經過頻率合成器比進入前要高一個中頻，該信號經過頻率合成器后輸出一個穩定的中頻信號，然后經過帶通濾波器后，就只保留了需要的頻帶，最后再經解調器把信息恢復出來。

2.2 跳頻系統的理論基礎

跳頻通信系統建立的基礎是信息論中的香農公式，即：[C=Blog2（1+s/n）]，其中C 為系統的信道容量（bits/s），從公式中我們可以看到，在保證信道帶寬C不變的前提下，帶寬B和信噪比S/N是可以互換的[5]。所以從理論上而言，我們也就可以采用提高信號帶寬方法來維持或者提高系統通信的性能[4]。 跳頻通信正是在基于這么一個原理上而發展起來的一門新技術，目前在現代短距離數字通信（如衛星定位系統（GPS）、3G移動通信系統、無線局域網802.11a/b/g和藍牙）等中用的甚是廣泛[5]。跳頻通信最大的不同就是在其接受端增加了擴頻解調的過程。在接收機端，發送的跳頻同本地恢復載波以同樣的頻率發生變化。就能得到解跳頻信號，之后再解調跳頻信號即可恢復數據[6]。跳頻系統一般采用非相干解調頻移鍵控FSK調制方式，由于在跳頻通信系統接收機中跟蹤載波相位很困難，所以一般采用非相干解調頻移鍵控方式調制。

2.3跳頻通信系統的建模

2.3.1 跳頻通信系統模型建立的基本流程

1） 數學模型：根據圖1跳頻通信系統收發端基本原理，盡量將系統簡化，確定系統整體功能，以便于將各個部分功能模塊化，找出其關聯，作出框架流程圖[8][9]。

2） 仿真系統：根據Simulink/Matlab通信模型庫所提供的各個功能模塊，把所需要的模塊拷貝調用到Untitled窗口，按照圖1所作出的框架流程圖進行連接，組建要仿真的通信系統模型。

3） 參數設置：設置系統參數（如系統運行時間。采樣速率等）、功能模塊參數（如正弦信號的頻率、幅度、初相；低通濾波器的截止頻率、通帶增益、阻帶衰減等）。

4） 觀察仿真波形、數據：在整個系統模型中，設置一些關鍵點以便于了解整個功能模塊的性能、以及對結果的分析。

5） 新模塊的生成：對于在Simulnk/Matlab通信模型庫中沒有的功能模塊，需要根據掌握的技術生成所需新的子模塊，以便隨時調用[5]。

2.3.2跳頻通信系統仿真模型的建立

我們采用Simulink/Matlab建立的仿真模型如圖3所示，可以實時地觀測到系統在跳頻前后信號的頻譜變化，以實現現代通信的模擬仿真，為系統的設計和研究提供了強有力的研究平臺[10]。

以跳頻通信為基礎的仿真模型中，信號處理的基本過程是：

1） 信號源生成準備待傳送的有用信號。

2） 由偽隨機碼序列控制2FSK部分，與有用信號進行相乘運算。偽隨機碼元控制2SFK部分的載波的頻率，在設計中使得載波的相位為零，進而可以實現信號的跳頻通信。

3） 將經過跳頻調制的信號，經過信道傳輸，疊加上加性高斯噪聲。

4） 接收信號，在接收端的相關器中進行相關處理，相關處理時要求發送端的隨機碼字與采用的偽隨機碼保持嚴格的同步，其中偽隨機生成模塊產生相應的偽隨機碼。

5） 相關器的輸出結果利用計數器進行統計，然后完成比較，判決過程，恢復出原始信號。

6） 將恢復出的有用信號與其發送端的原始信號同時送入誤碼儀進行比較，計算出誤碼率。

3 跳頻通信系統仿真結果分析

3.1 仿真結果分析

4 結論

通過構建跳頻系統和仿真，以及對誤碼率的分析。從而得出現代通信理論的理論依據正是基于跳頻通信良好優點：

1） 綜合考慮帶寬和信噪比以尋求最佳參數，最大化的利用其抗干擾性能發揮；

2） 跳頻通信的保密和無失真特征。

3） 跳頻通信利用多種圖案或時鐘，從而在一個帶寬內實現頻率資源共享，提高頻率利用率。

參考文獻：

[1] 王玉德，王金新.基于MATLAB的跳頻擴頻通信系統的仿真研究[J].通信技術，2010（6）.

[2] 王俊年，吳勁峰.基于Matlab/Simulnk通信原理可視化動態仿真實驗[J].甘肅農業大學學2003（6）.

[3] 李玲，陳強.淺談MATLAB仿真在《通信原理》課程教學中的應用[J].四川教育學院學報，2006（12）.

[4] 李向莉.基于SIMULINK的通信原理可視化動態仿真[J].大眾科技，2008（4）.

[5] 林森，劉玉珍，楊會玉.Simulink在通信原理課程教學中的應用探討[J].大眾科技， 2009（9）.

[6] 眭楊清，陳家福.跳頻通信技術研究與仿真[J].微處理機，2012（6）.

[7] 王向鴻，趙海濤，關曉東.跳頻擴頻系統的Matlab模擬仿真實現[J].現代電子技術，2010（10）.

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關鍵詞:多波束切換;衛星通信;物聯網

引言

船載物聯網技術是一種應用于船舶內部的物聯網技術，其作用在于實時監控船舶的位置、航行狀態、航向以及各種設備和器械的工作狀態等。能夠為船舶駕駛員以及岸基控制中心提供豐富的監控信息和決策依據，是當前廣泛應用且不可或缺的重要助航設備之一［1－3］。然而，對于當前的大多數航運企業來說，迫切需要一種技術實時地了解多艘船舶物聯網傳輸的數據，從而獲取船舶的實時動態。這些船舶往往分布在較廣的海域內，當前采用的物聯網通信和數據傳輸協議，無法進行如此長距離的交互，因此，船載物聯網的信息僅能局限于單個船舶內部使用，而難以進行聯網或交互。多波束切換衛星是當前一種新興的衛星通信技術，一顆多波束衛星能夠采用多個波束和多個頻段進行通信，一方面相比于傳統衛星，能夠覆蓋更大的通信范圍;另一方面能夠提供更大的通信帶寬和更好的通信質量。當前船載物聯網主要采用802.11協議進行數據傳輸，傳輸范圍和帶寬均較為不足。為解決這一問題，本文提出一種結合多波束衛星與船載物聯網的方案［4－5］，利用衛星信道作為物聯網數據傳輸的方式，滿足船載物聯網大范圍、長距離、高帶寬的傳輸需求。通過實踐驗證，本文提出的方法具有一定的可行性，為我國的船載物聯網發展提供了一定的借鑒作用，具有一定的實用價值。

1船載物聯網技術

船載物聯網是一種應用于船舶環境的物聯網技術，其主要功能是實時監測船舶的位置、航行狀態、航向、航速;船舶內部的各種儀器、設備運轉情況;電子與計算機系統的工作情況與安全態勢;以及船舶周邊海域或目標的狀態等。通過利用多種無線或有線傳感器節點，采集多種數據供船載控制中心或岸基控制中心，有效掌握當前的船舶航行狀態，并進行合理的指導和決策。其主要包含以下3個組成部分:1)船載傳感器節點。由于海洋應用環境較為嚴苛，需要船載傳感器節點具有耐腐蝕性、高可靠性、耐潮濕高溫等環境的能力等，對傳感器節點的能耗等沒有較高要求，因此，相比于傳統的地面應用環境，采用的傳感器類型和型號具有較大的不同。同時，傳感器節點的傳輸方式，通常采用有線和無線傳輸相混合的方式，一方面能夠有效利用船舶內部的傳輸線纜，另一方面能夠充分考慮傳感器網絡部署的靈活性。2)數據分析與控制中心。該中心是整個船載物聯網的核心，其主要有3個主要功能，首先，其負責監控各個傳感器節點的工作狀態，及時發現各種異常和故障，并自動報告或處理;其次，其負責對傳感器網絡接收到的消息進行分析和處理，并利用功能更加強大和豐富的工具進行可視化、數據分類、數據挖掘等附加功能;最后，其負責對收集到的數據進行存儲，以供其他應用的處理。3)通信網絡。通信網絡分為2個部分:一是物聯網內部網絡，主要負責傳感器節點與控制中心的消息傳輸，由于船載物聯網的節點與控制節點一般在一艘船舶以內，因此，其采用的通信網絡較為簡單;二是物聯網與外部控制中心的互聯網絡，通常采用WiMax或衛星信道傳輸，其中前者的通信帶寬較大但覆蓋范圍較小，后者覆蓋范圍較大但難以提供足夠的帶寬，因此，至今仍然缺少一種有效地通信方式。

2多波束衛星通信技術

多波束衛星是一種裝備了多波束天線的衛星系統，單顆衛星能夠采用X、Ku或Ka等頻段天線，形成多個波束，不同頻段的信號能夠組成蜂窩小區，從而在較大的范圍內實現衛星信號的覆蓋。同時，該類衛星還能夠以多種頻帶的信號覆蓋同一蜂窩小區，并根據信號質量、帶寬需求等自動切換用戶使用的波束，從而提供更大的帶寬或更高的服務質量，多波束自動切換衛星的工作示意圖如圖1所示。圖1多波具有多波束自動切換功能的衛星通信系統，相比于傳統的衛星通信機制，具有通信帶寬更大、服務質量更好等優勢，同時采用時分復用和正交時分復用技術，能夠有效提高能夠容納的用戶數量，同時可以有效簡化星載通信設備的復雜度，并能夠與Internet協議實現互通，從而實現全IP通信。當前采用的多波束衛星，能夠提供高達100～200Mbps的下行鏈路帶寬，同時能夠提供超過100個波束，并能夠有效提高每個波束的性能，使得用戶在移動中使用的體驗獲得了較大提高。

3基于多波束衛星通信的船載物聯網

本文提出的多波束衛星通信船載物聯網，與傳統的船載物聯網相比，主要有2點不同:1)船載物聯網的信號接收裝置需要能夠處理多個不同衛星通信波束的信號，并正確解碼出需要的信息;2)船載物聯網的信號接收裝置要能夠與無線通信裝置有機結合，實現海面船載無線通信節點的互相通信，也就是利用衛星通信信道，組成不同船舶和控制中心的通信網絡，而每個通信節點為單個船載物聯網或控制中心。由圖2可知，采用多波束，其最大通信距離和最大通信區域均明顯大于單個固定波束的效果，具有較大的優勢。在這種體制下，岸基控制中心或其他船舶的控制中心，可以利用衛星信道實時獲取船載物聯網的數據，而不需要自身船舶控制中心的控制和管理，減少了通信開銷。本文設計的信號接收裝置基本結構如圖3所示。由圖3可知，通過不同的正交下變頻解出不同的衛星波束信號，然后通過分路器和時分多址分解，形成數據幀，然后根據路由表和程控交換的基本原理，進行無線通信網絡中的數據傳輸。當單個通信蜂窩中，存在多個可用的衛星波束時，通信可以采用多波束傳輸的方式，采用多個波束提供的信號，進行并行傳輸數據。同時，由于海上氣候變化較為劇烈，可能導致在某些海域或某個時段，某個衛星波束提供的信號質量較差，衰減較大，此時，根據自動波束切換算法，根據信號質量、傳輸數據需求、信號衰減程度等進行自動化的波束切換。該切換過程需要船載物聯網端和衛星端進行同步，首先確定通信需求和信令體制，然后采用3次握手協議實現衛星通信信道的建立;當需要進行波束切換時，則直接進行3次握手協議，在新的頻段上建立新的衛星通信信道，同時拆除原先舊的信道。通過以上介紹可知，本文提出的方案相比于傳統的船載物聯網方案，具有通信帶寬大、覆蓋范圍廣、通信可靠性強、傳輸方式靈活等優勢。通過在我國某遠洋航運企業中的實踐驗證，初步實現了特種運輸船舶的全球化實時監控。利用本文提出的方案，該企業能夠實現對所屬150余艘特種運輸船舶的監控，確保了貨物運輸、人員配備、船舶航行安全等多個方面信息的實時監控和顯示，大大提高了企業運作的自動化和信息化水平，有效減少了人員和成本的開銷，提高了遠洋運輸的安全性，提升了企業運作的效能，顯示出了良好的使用效果。

4結語

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關鍵詞：空間激光通信；星際鏈路；通信模式；

作者簡介：李靜，女，1983年出生，河南南陽，博士，講師，主要從事目標識別、無線通信方面的研究。

0引言

人類通信的歷史源遠流長，從古代的狼煙通信、驛站通信，到現代的電報電話通信、無線電通信、光纖通信等，不僅僅是通信手段發生了巨變，而且也空前地改變了人類的生活方式。今天，科技發展日新月異，空中、地面、水下都已經被開辟為廣闊的通信空間，采用高頻激光進行空間衛星通信已成為現代通信技術發展的新焦點。有專家測算，在理想的情況下，用激光作載體進行空間衛星通信，若話路帶寬為4千赫，則可容納100億條話路；若彩色電視帶寬為10千赫，則可同時傳送100萬套節目而互不干擾，屆時，人們的生活將更加豐富多彩。與此同時，航天、航空、航海等都對空間激光通信技術提出了迫切需求。

1空間激光通信技術系統組成、關鍵技術及原理

空間激光通信也稱為無線光通信，它是指利用激光束作為載波在空間直接進行語音、數據、圖像等信息傳輸的一種技術?？臻g激光通信系統所涵蓋的平臺有深空探測器、GEO衛星、LEO衛星空間站、臨近空間平臺、航空平臺、地面平臺、水面平臺等，不同平臺間可構成不同的空間激光通信鏈路。其突出特點是是搭載在運動平臺上，以激光器作為光源，并以小束散角發射，實現高速率、遠距離信息傳輸。例如，星際激光通信系統、星地激光通信系統、空空激光通信系統等。

空間通信技術的基本原理實質上就是，信息電信號通過調制加載在激光上，通信的兩端通過初定位和調整，再經過光束的捕獲、瞄準、跟蹤建立起光通信鏈路，然后再通過光在真空或大氣信道中傳輸信息。空間激光通信系統按照功能主要分為以下幾個部分：光源系統、發射和接收系統、信標系統、捕獲、瞄準和跟蹤系統四大塊。下面將分別對其進行討論。

(1)光源系統

在衛星激光通信中，通信光源具有十分重要的作用，他直接影響天線的增益、探測器件的選擇、天線直徑等參量。常用激光器為波長在800~850nm范圍的AlGaAs激光器，該波長范圍內的APD探測器件工作在峰值，量子效率高、增益高。采用倍頻Nd：YAG激光器或氬離子激光器得到的波長在514~532nm的激光器是星上激光光源的良好選擇。

(2)發射和接收系統

這是空間激光通信的關鍵系統之一，激光發射機實質上就是光源、調制器和光學天線的級聯，而接收機則可看成是接收天線和探測器、解調器的級聯。調制的作用是將需要發射的信號調制到光載波上；探測、解調是通過光電轉換器件將光信號轉換為電信號。探測部分還包括濾波、放大部分，該部分也是衛星光通信系統中必不可少的。

(3)信標系統

在空間激光通信系統中，通信信號光束發散角非常小，因此如果利用信號光束進行捕獲、瞄準將會是非常困難的過程。所以在其中要單獨設立一個激光信標系統。信標光束主要是給瞄準、捕獲過程提供一個較寬的光束，以便在掃描過程中易于探測到信標光束，然后進行后面的調整過程。

(4)捕獲、瞄準和跟蹤系統

捕獲、瞄準和跟蹤系統幾乎可以說是整個空間激光通信系統的心臟，也是空間激光通信技術的難點、重點。各個國家在對空間激光通信系統的研究中，都提出了一些捕獲、瞄準、跟蹤方案，并對相當一部分方案進行了實驗室模擬。這些方案在探測時的掃描方式以及探測、跟蹤傳感器的選擇等方面都有所不同，但實際采用的捕獲、瞄準、跟蹤方案是基本一致的。

2空間激光通信的優勢

空間激光通信是在外層空間進行的通信，由于具有損耗小、成本低、容量大、光定向性好等優點，在超大容量長距離數字通信系統中，尤其適用于星際鏈路間長距離、干線通信。它比地面光纜擁有更高寬帶的數據、視頻和語音轉播等多項通信能力。因此，現代衛星通信的重要方向就是自由空間中衛星激光通信。

自由空間激光通信是利用激光作為載體，在自由空間中進行信息和數據的傳輸。激光的頻率單純，能量高度集中，波束非常細密，波長介于微波與紅外線之間，因此，利用激光所特有的高強度、高單色性、高相干性和高方向性等諸多特性，進行星際間鏈路通信，就可具備容量更大、增益更高、速度更快、抗干擾性更強和保密性更好的一系列優點，從而使激光成為發展空間衛星通信的最理想載體。

3國內外空間激光通信歷史及現狀

美國是世界上開展空間激光通信研究最早的國家，于20世紀60年代中期就開始實施空間激光通信方面的研究計劃，歐洲和日本也先后于70年代末和80年代中期開始研究，到20世紀80年代末90年代初，日本、美國、歐洲空間總署先后制定了發展衛星間激光通信的研究計劃，對衛星與地面之間、地球軌道同步衛星與近地軌道衛星之間、地球軌道同步衛星之間的激光通信技術都進行了深入研究，初步的設計方案及模擬演示系統也達到了理想的效果。當時美國率先進行的海島與海島之間的激光通信，作用距離可達到240公里；在飛機與地面站的激光通信試驗中，當飛機位于1100米高度時，作用距離達到了20~30公里。1995年，美國與日本兩顆相距3.9萬公里的衛星實現了互聯，并完成了8分鐘的激光通信。到現在歐美日在空間激光通信技術領域已經取得了相當矚目的成績。

1985年，歐洲空間局研制了SILEX系統，在試驗的基礎驗證衛星間激光通信的所有技術。系統從SPOT-4上的低軌道終端向ARTEMIS上的同步軌道終端傳輸50Mb/s的數據。同時在ARTEMIS上還裝備有一個定位裝置，可使其系統上的望遠鏡(亦即光學天線)對準SPOT_4后其他任何低軌道高度大于1000km的LEO空間飛行器，并向GEO終端傳送2Mb/s的數據。

1989年，在德國政府支持下，空間固體激光通信試驗(SolidStateLaserCommunicationsinSpace，SOLACOS)開始實施，它是一個高碼率衛星間激光通信計劃。該項目建立了完整的計算機仿真系統，同時制造了一套用于測試的試驗模擬系統，其試驗模型于1997年完成。該終端采用固體激光器和相干接收，波長1064nm、發射功率1W的Nd：YAG激光器，通信速率可達650Mb/s。SOLACOS終端發射孔徑150ram，質量70kg?？梢杂脕磉M行星問激光通信和星地激光通信。

1994年，美國JPL實驗室研制成功OCD通信端機演示系統，數據率可達250Mb/s，通信波長采用800nm波段，用OOK調制方式。它具有結構簡單、質量輕(15kg)、體積小、功耗低等特點。

1995年，在NASA的資助下，美國Ball公司完成了LCDS系統(LaserCommunicationDemonstrationSystem)。該系統具備1Gb/s的LED—GEO、距離為40000km的GEO-LEO星際通信和GEO-航空平臺激光通信能力，系統重量84磅(約37.8kg)，功耗96W。

1996年，美國TT公司首次成功地進行了飛機對地面站間的激光通信試驗，飛機的飛行高度11km，飛機距地面站距離20km~30km，傳輸速率1Gb/s。

1998年，ESA成功研制了光學演示終端SROIL(ShortRangeOpticalIntersatelliteLink)。該終端的發射機以半導體激光器泵浦的1064nm波長Nd：YAG激光器作為光源，相干體制的接收機采用二進制相移鍵控調制方式和零差探測，通信系統的發射天線孔徑為350nm，通信碼率1.5Gb/s，誤碼率低于10-6，總質量為15kg，功率為40w。

1999年，TT公司還使用T39A飛機為搭載平臺進行了飛機一飛機間激光鏈路通信試驗，飛行高度約為40000英尺(約12192km)，通信距離50km~500km，速率1Gb/s，誤碼率10-6。

2000年，日本研制了用于國際空間站(ISS)對地的雙向超高速光通信端機LCDE(LaserCommunicationDemonstrationEquipment)，其上行碼率為1.2Gb/s，下行碼率為2.5Gb/s，使用1550nm波段作為通信光，功耗小于115W，質量小于90kg。

同年，JPL成功建立了一套高魯棒APT子系統，該子系統在OCD基礎上進行改進，通信速率2.5Gb/s，通信波長1550nm，發射功率200mW。

也是在這一年，在BMDO資助下，TT公司研制STVR-2衛星通信LCT光端機和地面光端機。將LCT作為TSX-5衛星有效載荷之一，2001年開展星地激光通信演示驗證。

2005年，日本的OICETS(LEO)與ESA的ARTEMIS衛星(GEO)成功實現數據傳輸。

2006年12月，法國國防部采辦局(DGA)與歐洲航空防務與空間公司(EADS)進行了機載激光鏈路技術演示器(LOLA)的演示試驗，第一次實現了地球同步衛星和飛機之間激光通信。先后開展了近50余次的空一星激光通信試驗。通信距離40000km、通信速率50Mb/s、飛機海拔高度9km。

2008年3月，德國TerraSAR-X衛星與美國NFIRE衛星問實現距離為5000km的星際相干激光通信，通信速率5.65Gb/s，通信波長為1064nm。使用口徑為125mm的望遠鏡，終端質量小于30kg，功耗低于130W。該終端采用二進制相移鍵控調制，檢測方式是零差相干檢測。

我國空間激光通信研究與歐、美、日相比起步較晚，已進行了關鍵技術、原理樣機和野外試驗等研究，并開始部分工程化研究。開展空間光通信研究的單位主要有哈爾濱工業大學、北京大學、電子科技大學、上海光機所、航天504所、長春理工大學等。目前已取得一定成果。

2010年8月研制出7.5G速率空間激光通信系統，并在在青海省青海湖成功進行了7.5G速率40km距離的自由空間激光通信試驗。

在國內，目前空間光通信技術的發展才處于初級階段，及時了解空間光通信的最新動向，以及領航者的研究布局，對我們發展空間光通信具有很強的借鑒和指導意義。

4空間激光通信的應用前景及發展趨勢

空間激光通信技術作為一種很優越的通信手段，應用前景十分廣闊。

首先它既可以作為實現全球個人通信的重要技術選擇，又可以解決寬帶網絡“最后一公里”的瓶頸。具有十分廣闊的市場和美好的應用前景。星間激光通信將成為建立全天候綜合信息網和區域天基綜合信息主干線的必要通信手段，也必將成為未來移動通信和全球多媒體通信的一個必不可少的環節。

近地面的FSO可以解決通信寬帶網絡的最后一公里的接入問題，從而實現光纖到桌面，完成語音、數據、圖像的高速傳輸，拉動聲訊服務業和互動影視傳播，實現“三網融合”，有利于電子政務、電子商務和遠程教育及遠程醫療的發展，并將產生巨大的經濟和社會效益。在一下幾個方面也將得到廣泛的應用：光纖通信網的完善和延伸，有效提高光通信網的覆蓋面；重要光纖通信鏈路的備份，多根不同路徑的光纖備份方式通常不可實現且耗資巨大，利用近地的空間激光通信(FSO)作為光纖備份既經濟又方便；不便鋪設光纖場合的寬帶通信，如大城市繁華地帶的公司內部的兩幢大樓之間，地形險惡的兩通信樞紐站之間的寬帶通信；保密通信，如銀行、工商及公司內部涉密信息的寬帶傳輸等；快速部署機動通信，如因戰爭或水災、山體滑坡等導致的兩個光纖節點之間的通信恢復；空間立體網絡組建；光纖、微波、FSO混合網絡的組建等。

軍事上，空間激光通信可廣泛應用于軍事野戰通信網、空間機群指揮、海上艦艇編隊間無線電靜默期間通信、戰時應急通信。具體地，可架在高山之間完成邊防哨所和森林觀察的通信；可以臨時架設解決必要的戰時指揮所之間的保密通信問題；可以實現與計算機的聯網或作為移動通信的轉接站；可架設在海岸、島嶼或艦船上實現短距離的移動大氣激光通信。

有著如此光明的前景，空間激光通信技術空間激光通信的發展趨勢將向網絡化、小型化、智能化方向發展，具體來說主要包括以下幾方面的轉變，由強度調制/直接探測向零差相干體制發展，由傳統光通信向空間量子通信變革，星載設備朝光子集成化升級，天基網絡一體化演變，開拓深空光通信等[6]。

未來衛星激光通信的應用范圍將進一步擴大，將建立GEO-GEO、GEO-LEO、LEO-LEO、LEO-地面等多種形式的激光通信鏈路，建立全球商用衛星激光通信網。小衛星星座的迅猛發展，使得人們對小衛星星座的星間光通信更加重視。利用小衛星間激光通信實現全球個人移動通信將是未來全球個人通信的發展趨勢。地面FSO系統將進一步提高全天候工作的能力和自動跟蹤精度。技術研究方面，有效的信道補償算法、快速精確的ATP技術、自適應變焦的光學天線技術、新的調制和編碼技術須取得進一步的突破?？臻g光通信聯網技術、空間光波分復用技術也將成為今后空間光通信研究的重要課題。

篇5

【關鍵詞】 衛星通信 技術跟蹤 特點分析 步進跟蹤 圓錐掃描跟蹤伴隨著越來越發展的空間技術，使得衛星能夠適用于多個領域，在初期衛星僅僅適用于通信范疇，然而目前已經擴展到了多個領域中去，由于其覆蓋面較為廣泛，受限小等多方面特點受到了各個領域的重視。傳統的固定衛星通信已然無法滿足現下各行各業的要求，于是就有了后來的“動中通”衛星移動通信系統。

一、程序跟蹤

1.1程序跟蹤原理

程序跟蹤技術原理圖如下圖1，其通過使用 GPS 或者是 CNSS測出載體所在的具體地理位置經度λ和緯度 φ ，然后再通過利用載體上的慣性導航系統將載體的具體姿態參數也就是下圖中k、θ、Φ的三個值進行測算出來，然后再根據衛星的經緯度，以及通過天線控制計算機單元進行解算。

1.2程序跟蹤的優缺點

優點：系統操作簡單且跟蹤速度快，比較適用于初始捕捉。如在跟蹤天線受到遮擋情況下，天線仍舊能夠指向衛星，且若消除遮擋，便能即刻建立通信鏈路。缺點：一旦發生了傳感器故障，單單這一點那么會發生整個系統的癱瘓。

二、步進跟蹤

2.1步進跟蹤基本原理

通過字面理解我們大致就能夠對步進跟蹤進行解釋，也就是按照固定的算法進行一步一步的控制天線移動，從而進行衛星對準，然后在到天線接收到的衛星信標強度能夠達到最大值的時候，才能夠進入到一個平衡期，再經過了一段時間之后，再進入跟蹤狀態，不停的往返工作，圖2是步進跟蹤的原理圖，步進跟蹤由搜索步以及調整步構成天線的運動。在具體的操作過程期間，該兩個過程可以分開進行也能夠同時進行。如果說天線的位置在衛星信標強度是A的方位，而且步進一步后天線接收到的衛星信標強度為B。若發生了A大于B的情況，那么步進的方向是向著衛星的方向運動，調整步就同搜索步是同一步。通過這些，我們可以知道，搜索步是否正確確定方向變得極其重要。如果說方向發生偏差，那么繼而天線會朝著衛星的方向發生變化，從而發生差錯。

步進跟蹤又稱之為極值跟蹤，由于其跟蹤的技術結構相對比較簡單，且系統成本不高，穩定性強，利于實現因此在現實中使用的頻率較高，所以本文重點要講的就是該種技術，步進跟蹤技術總是以這樣的頻率進行工作：休息--跟蹤的交替著。通過搜索步來將天線轉動的方向進行確定，調整步做的是在這個方向上面進行轉動天線的步驟。在這個動作之后，那么整個的步進跟蹤系統才會進行工作?；旧闲枰谶M行了很多次的搜索步之后進行搜索才可以將天線轉動的方向進行確定下來，這樣天線就能夠返回到原先的方位，再像搜索步所定位的方向進行轉動，這最后一步我們稱之為調整步。調整步同搜索步間的最大差別就在于，如果經過了調整步之后，那么天線將沒有辦法在返還到原先的方位上去，搜索步就不一樣了，可以透過計算機在較為恰當的積分時間內對接收電平的增加或者減少進行區分，若電平發生了增多的情況，那么天線可以沿著原來的方位進行技術轉動一個比較小的度數，若接收的電平發生了減小的情況，那么天線則會向反方向進行旋轉。俯仰的方向同方位方向可以重復著交替運作，從而來讓天線的波束與衛星進行逐步對準。

2.2步進跟蹤的優缺點

優點：作為步進跟蹤來說其具體的設備以及原理都較為簡單并且價格實惠，能夠對饋源網絡進行簡化。并且能夠采用較為普通的信標接受機以及數字接收機取代單脈沖跟蹤接收機，更適用于普通站。缺點：跟蹤精度相對不高，無法讓天線波束停留在對準衛星的方向上面，只是在這個方向的四周圍進行擺動。且跟蹤速度并不是很快。

三、圓錐掃描跟蹤

3.1圓錐掃描原理

圓錐掃面的原理大致就是通過使用天線收到的信號幅度作為角度進行測量，這個幅度值的變化規律取決于天線方向圖及天線掃描方式。圓錐掃描根據饋源喇叭繞對稱軸進行一個圓周運動，或者說副反射面進行旋轉從而產生的一個旋轉射束，圓錐掃描的原理要求衛星在這個圓錐之內，取一個垂直于等信號軸的平面，則天線最大輻射方向的頂點就形成了一個圓形軌跡。天線波束作圓錐掃描時，繞著天線等信號軸旋轉，因為等信號軸偏離天線最大輻射方向的角度相等，故旋轉過程中這個方向天線的增益始終不變。當衛星在等信號軸位置時，接收機輸出的是等幅信號。如果衛星偏離等信號軸方向，衛星有時靠近有時遠離天線最大輻射方向，這就導致了接收的信號幅度也產生了相應的一定的強弱變化。調制的相位同波束偏離的方向相關，因此通過調制信號的幅度以及相位就能夠將天線波束指向的誤差進行檢測出來。具體的跟蹤接收機將這個調制信號進行檢測出來，并且通過波束進行旋轉期間所發出的正交基準信號進行調制信號的方位檢測以及俯仰相敏的解調，從而將直流誤差信號控制天線向誤差的信號向著減小的方向進行轉動，直至檢測出來的調制信號為最小即可。

下圖3所示的是圓錐波束空間圖，該圖的立體感會比較強，從圖中我們可以看出，O’B作為天線的最大的輻射方向，同O’O這個偏離信號軸之間有一個 δ ，若波束按著定量的角速度ωf繞等信號軸O’O進行轉動期間，那么波束的最大輻射方向O’B就是如下圖所示的一個立體的圓錐形，作為圓錐掃描的基本原理指的就是在這個圓錐之內取一個垂直于等信號軸的一個平面，而天線的最大輻射方向的頂部就構成了這樣的一個圓形狀的軌跡，通過下面的空間圖我們能夠直觀的看到。天線的波束作著圓錐狀的掃描，由于等信號軸偏離天線的最大的輻射的方向的角度是相同的，因此，在進行旋轉該過程中間該方向天線的增益一直都是固定不變的。如果衛星在等信號軸位置期間，那么接收機所輸出的是等幅的信號，如果衛星偏離了這個等信號軸的方位，那么衛星則有時會靠近有時會遠離天線最大值數的方向，這就導致接收的信號幅度也會發生相應的變動，至此，所收到的信號是調幅的，它的調制后的頻率是天線的圓錐掃描頻率ωf，目標偏離等信號軸方向的大小決定了調制的具體深度，并且目標偏離等信號軸的具體方向決定了調制波的起始相位。

3.2 圓錐掃描跟蹤的優缺點

圓錐掃描同步進跟蹤有同樣的優勢就是造價較低，但是精確度不高，所以單從技術水平來說其專業度不夠。

四、單脈沖跟蹤

4.1單脈沖跟蹤原理

單脈沖跟蹤原理，在上述幾個跟蹤方式中，屬于較為先進的跟蹤方式，它能夠在一個脈沖的間隔期間就能夠將天線波束偏離衛星的具體方位進行確定下來，如果天線波束對準了衛星，那么天線就能夠收到“差波束”以及“和波束”的輸出信號，如果波束偏離衛星，那么單脈沖跟蹤體制能夠分成幅度單脈沖跟蹤體制和相位單脈沖跟蹤體制兩種。幅度單脈沖體制跟蹤天線由四個饋源以及一個拋物反射面所構成，四個饋源都發生偏離拋物面焦點而且對稱發生了排列現象，將會產生四個偏離拋物面對稱軸的獨立波束。再通過這個獨立波束發出一個控制信號去將衛星天線發出驅動對準信號。

4.2單脈沖跟蹤的優缺點

優點：其具有精準度高以及時效性良好的有點，其精密度是之前幾種跟蹤方式無法匹及的。缺點：該種跟蹤方式不僅設計復雜而且造價較高，一旦發生故障的話，修理起來非常困難?？梢哉f不適用于普通站，推廣起來較艱難。

篇6

關鍵詞:動中通;極化匹配;交叉極化干擾;極化跟蹤

中圖分類號:TN927+.23文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)12-103-03

Research on Polarization Matching and Polarization Tracking about Satcom on

Move Received Antenna System

WANG Daoping,CHEN Huihua,HE Min

(The Second Artillery Engineering Institute,Xi′an,710025,China)

Abstract:To stabilize polar axis and overcome cross-polar interference,the theory for matching polarization is analyzed based on how to aim at the antenna wave beam in time.The way which the cross polarization interference results from is also investigated and the formula used to calculate polar angle is deduced from the coordinate revolving.The necessity to track polarization is argued.A model to track polarization axis is founded.A new polarization tracking network which is controlled electrically and specially applied on the panel antenna is designed based on the electronic polarization-agile technology.The theory how the network works is also expounded.A new method to track polarization axis is achieved through the thesis.The works achieved in this thesis is proposed to enhance the quality of Satcom on the move.

Keywords:satcom on the move;polarization matching;cross-polarization interference;polarization tracking

0 引 言

移動中的衛星通信――“動中通”(Satcom on the Move)利用衛星作為中繼,可以在移動載體(運動中的車、船等)雙方實現實時、大容量、不間斷地傳遞多媒體信息,因而成為通信業最具前景的發展方向之一?！皠又型ā钡年P鍵技術在于如何實現安裝在移動載體上的天線對衛星波束的實時跟蹤,從而實現雙方的穩定通信。

天線對衛星的波束跟蹤包括波束指向跟蹤與極化跟蹤。波束指向跟蹤保證載體在移動中天線波束的軸線與衛星波束軸線的實時對準。極化跟蹤保證天線的極化與衛星的極化實時匹配。目前國內的“動中通”大多只對波束指向的跟蹤進行研究。理論與實踐均證明如果天線的極化與衛星的極化不匹配會對通信質量產生嚴重的影響,甚至造成通信的暫時中斷[1]。因此有必要對極化的匹配及跟蹤進行研究。

1 極化匹配

電磁波的極化定義為電場矢量的振蕩方向。如果電場矢量在與傳播方向相垂直的平面上的投影是直線,則稱為線極化波。國家標準規定,國內衛星系統均采用線極化方式[2]。天線輻射或接收的電磁波均具有特定的極化方向。當接收天線與發射天線的極化方向不一致時會引起接收信號質量的降低。極化匹配就是研究如何調整天線的極化使之與衛星的極化相一致。

在衛星通信中地面接收天線的極化與衛星轉發器極化定義的基準不同,這就使接收天線的極化面與衛星天線的極化面之間有一個夾角,這一夾角稱為極化偏角,如圖1所示。

極化偏角的計算公式如下[3,4]:

θs=arctan(sin Δφ/tg γ)(1)

式中:Δφ為載體所在位置與衛星的經度差;γ為載體所在處的緯度。

2 交叉極化干擾分析

為了緩解日趨緊張的頻譜資源,衛星通信普遍采用正交極化的頻率復用技術[5]。理想情況下正交極化端口間應該互不影響,但實際上對于正交雙線極化接收而言,水平極化的接收天線也能接收到衛星發來的垂直極化信號;同理垂直極化的接收天線中也能接收到衛星發來的水平極化信號,從而產生交叉極化干擾。其產生原因主要有2種:極化誤差角和大氣降雨等的去極化效應。

圖1 極化角示意圖

2.1 極化角的擾動

對于固定接收站,極化角是固定的,其值可由式(1)計算。對于“動中通”接收天線,由于載體在行使中會遇到崎嶇、坡度等各種路況,因此載體的姿態是時變的。這種變化表現為橫滾、縱搖和偏航三個角度的變化。載體姿態的變化通過天線座耦合到天線板,從而引起天線對星所需的方位、俯仰、極化三個角度的變化。把這種時變的極化角稱為極化源轉角,在具體操作中它表示為波束對準而需要繞天線波束主軸旋轉饋源的角度。極化源轉角的計算公式如下[6]。

γ=arctan(-T1/T2)(2)

式中:

T1=(cos Vcos A+sin Vsin Asin E)•

(sin θcos ψ-cos θsin ψsin φ)+

(-cos Vsin A+sin Vcos Asin E)•

(-sin θsin ψ-cos θcos ψsin φ)+

(-sin Vcos E)(cos θcos φ)(3)

T2=(sin Vcos A-cos Vsin Asin E)•

(sin θcos ψ-cos θsin ψsin φ)+

(-sin Vsin A-cos Vcos Asin E)•

(-sin θsin ψ-cos θcos ψsin φ)+

(cos Vcos E)(cos θcos φ)(4)

式中:ψ,φ,θ是載體在地理坐標系中的姿態角。其中,ψ指載體縱軸沿前進方向在水平面上的投影與正北的夾角,以順時針為正;φ指載體縱軸軸向與水平面的夾角,以向上為正;θ指載體繞自身縱軸轉過的角度,以逆時針為正,當載體縱軸平行于水平面時為零。ψ,φ,θ可由天線座上的姿態測量元件實時讀出;A,E,V是理想指向波束在地理坐標系中的姿態角,其中A表示波束軸線在水平面上的投影與正北的夾角,以順時針為正;E表示波束軸線與水平面的夾角,以向上為正;V表示為極化匹配而需要調整的極化角,即波束繞自身軸線轉過的角度,以逆時針為正。A,E,V可由以下公式計算得到[3]:

A=180+arctan[tan(L1-L2)/sin B](5)

E=arctancos Bcos(L1-L2)-0.1511-[cos Bcos(L1-L2)]2(6)

V=arctan[sin(L1-L2)/tan B](7)

由此可見,載體姿態的變化會引起極化源轉角的變化,從而引起交叉極化干擾。

2.2 大氣去極化

影響較大的是對流層中的多經效應,降雨去極化以及電離層的法拉第旋轉相應。由于去極化現象使得線極化波穿過大氣層后偏離原來的指向,從而引起接收端的交叉極化干擾。

綜上所述,由于交叉極化干擾的存在使得雙極化接收天線的同極化端口也能收到交叉極化的信號,如圖2所示。接收天線中收到的同極化信號和交叉極化信號的比值定義為交叉極化隔離度(XPD),它是衡量交叉極化干擾程度的量值。為了保證穩定可靠的通信,通常要求天線的XPD大于30 dB[7]。

如圖2所示XPD可用下式計算:

XPD=(EV2/EH2)2(8)

圖2 雙極化接收示意圖

3 極化跟蹤方案

第1節和第2節分別討論了極化匹配和交叉極化干擾。結論是:為了在運動中進行衛星通信,接收站天線的極化必須和衛星的極化實時匹配以消除交叉極化干擾。

極化的實時匹配可以通過極化跟蹤網絡來實現。

針對極化誤差角引起的交叉極化干擾,可以通過調整天線的極化指向,使之達到相應的角度來抵消干擾。調整方法有多種,固定接收站通常采用手動旋轉饋源的高頻頭來調整[8],“動中通”接收天線通常采用極化調整電機,由電機驅動高頻頭實時調整極化源轉角。手動和電動極化調整都需要饋源高頻頭的物理移動。然而對于具有廣闊發展前景的“低輪廓動中通”而言,為了降低天線的高度普遍采用平板相控陣天線,這種天線的饋源相對于天線板是固定的。對于不便移動饋源的天線,極化指向的調整,可以采用電子變極化方式來實現。

針對降雨去極化等隨機極化干擾,可以通過設計自適應交叉極化干擾抵消器(XPIC)來抵消干擾。XPIC的基本原理是利用干擾信號經過適當的幅度和相位變換產生出與原干擾信號等幅反相的信號,該信號與有用信號相疊加,從而消除有用信號中的干擾信號[9]。XPIC可以在基帶、中頻或射頻段實現。這里的研究在射頻實現XPIC。

基于以上兩點,設計了圖3所示的適用于低輪廓“動中通”的極化跟蹤網絡。

圖3 極化跟蹤網絡

該網絡由雙極化天線、極化調整單元、極化控制單元、傳感器和雙極化輸出(H,V)端口組成。其中,極化調整單元包括2個3 dB電橋和1個可調移相器。

從功能上,網絡分為開環和閉環兩大部分。開環部分的傳感器有GPS和慣性測量元件,閉環部分的傳感器是微波探測器。所有傳感器的信號都送到極化控制單元,極化控制單元對來自傳感器的信號進行處理,然后產生,控制信號驅動可變移相器φ產生相應的相移量,從而消除交叉極化干擾,實現對衛星極化的實時跟蹤。

開環部分完成極化誤差角(包括極化偏角和極化源轉角)的調整?？梢宰C明,當極化誤差角為θ時,只需使可變移相器的相移量為2θ便可以消除誤差。

閉環部分實現自適應交叉極化干擾抵消。其中的微波探測器可以是幅度傳感器或者相位傳感器(相位探測器)。如果采用相位探測器,當輸出信號中有交叉極化干擾存在時,干擾信號與有用信號存在隨機的相位差,此時相位探測器有誤差信號輸出,經極化控制單元處理后輸出移相器的驅動信號,驅動移相器產生相移使干擾向減小的方向移動,從而實現閉環的跟蹤。無論采用何種傳感器,在此過程中設計有效的跟蹤算法是至關重要的。

就系統整體而言,開環部分可以作為極化的粗調,閉環部分可以作為極化的微調。整個系統的工作過程可簡述如下:

在衛星的初始捕獲階段,極化控制單元利用GPS接收機送來的載體經緯度,并結合所選的通信衛星的經度,利用式(1)由計算程序,算出對準衛星所需的極化偏角式,計算出極化偏角V驅動移相器移相2V。載體的移動過程中,極化控制器定時讀取載體的姿態信息,由式(2)計算極化源轉角γ,驅動移相器移相2γ,讀傳感器的頻率可依據載體的行使環境靈活設置。在極化誤差角糾正的間隙由XPIC完成極化的微調。

4 結 語

極化匹配和跟蹤對于提高“動中通”通信質量具有重要意義。以“動中通”接收天線的波束實時對準為基礎,分析極化匹配的原理、極化擾動的來源,得到極化偏角和極化源轉角的計算公式,設計了全電子的極化跟蹤網絡。

參考文獻

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[2]劉修文.衛星數字電視直播接收技術[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3]陳振國,楊鴻文,郭文彬.衛星通信系統與技術[M].北京:北京郵電大學出版社,2003.

[4]陳菊.衛星天線極化向量的跟蹤定向分析[J].中國空間科學技術,2007(6):59-63.

[5]王衛民.頻率復用通信系統中的交叉極化問題[J].微波學報,2005(4):157-159.

[6]畢清波,杜寶林,沈曉衛.“動中通”天線極化軸穩定性研究[J].山東大學學報,2007,37(2):89-92.

[7]楊寶苒.衛星接收中線極化匹配的理論分析與調整方法[J].有線電視技術,2001(21):27-30,80.

篇7

關鍵詞：數字微波通信技術；電視直播；反向控制；中繼系統；視頻；音頻

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）04-0060-03

顧名思義，數字微波通信技術是借助于微波的方式，實現對數字信息的有效傳輸而應用的一種現代化通信方式。在現階段整個通信信息產業發展不斷劇烈與成熟的背景作用之下，光纖數字通信技術以及衛星數字通信技術的綜合應用均使得現代意義上的數字微波通信技術面臨著極為深遠的發展潛力?？梢哉f，現代意義上的數字微波通信技術已自傳統意義上的長距離通信應用領域逐步發展為長距離配合短距離的綜合性通信應用領域，進而推動著數字微波通信技術的更深層次發展。本文試針對其在應用于電視直播過程中的相關問題做詳細分析與說明。

1 數字微波通信技術的基本原理分析

微波在空氣環境中的傳播特性與光波在空氣環境中的傳播特性基本表現為同等狀態，均在空氣環境中呈現出直線性的前進，在其傳播路徑的延伸空間當中，若出現阻擋，則將導致微波發生一定程度上的反射反應，影響其傳輸性能的實現。從這一角度上來說，在當前技術條件支持下，數字微波通信技術最關鍵的方式在于：建立在視距范圍之內的通信。而受到客觀因素影響，如地球曲面傳輸以及空間傳輸較大的衰落問題影響，要想在不影響信號質量的前提條件下，進行遠距離的通信與傳輸，則必須通過對傳輸信號進行重復性的中繼轉發方式，達到接力傳輸的重要目的。換句話來說，在應用數字微波通信技術進行視頻及音頻信號的傳遞過程當中，需要在數字微波傳輸線路的兩端位置設置相應的終端站站點。與此同時，還需要在傳輸線路的延伸空間內，設置一定的中繼站站點（在當前技術條件支持下，數字微波通信傳輸過程中所設置的中繼站應當將間隔距離設定在50m單位以內）。按照上述方式，確保中繼站站點能夠將傳輸過程中流經該站點的數字信號加以有效接收及放大處理，從而實現對數字信號傳輸質量的有效保障。

在現階段應用數字微波通信技術的過程中，可供選取的頻段單位涉及到以下幾個方面：1.4GHz、4.0GHz、7.0GHz、8.0GHz、13.0GHz、15.0GHz。特別值得注意的一點是：由于在數字微波通信技術的應用過程當中，其能夠在一定程度上發揮對重大自然災害的抵御功效，從而能夠作為既有地面有線網絡傳輸的補充與拓展性傳輸方式。

2 數字微波通信技術在電視直播中的應用形式分析

2.1 數字微波通信技術在無線攝像機中的應用及電視直播方式分析

在當前技術條件的支持下，最普遍，同時也是最基本的無線攝像機數字微波通信系統應用結構示意圖如圖1所示。在整個數字微波通信系統的應用過程當中，僅需要使用微波發射單元設備以及分集式信號接收機設備。從實踐應用的角度上來說，此種數字微波通信技術方式是現階段進行電視直播報道過程中最為常用，同時綜合應用優勢最為突出的方式之一。對于攝像機設備與衛星通信設備間隔距離在數千米單位以內或者是攝像機設備與衛星通信設備間隔在同一可視范圍內的情況下，可通過對此項技術及系統的綜合應用，實現電視直播的最終目的。以某晚會的現場電視直播事件為例，為最大限度地保障電視直播質量的有效實現，要求攝像工作人員提前將微波攝像機裝置攜帶入晚會現場，并將其放置于晚會前臺相對平坦的工作區域當中。在此基礎之上，微波天線能夠接收來自于攝像工作人員的所拍攝的晚會現場實際工況，并將相應的數據傳輸至下變頻設備當中。與此同時，下變頻設備能夠通過與分集信號接收單元的有效聯動，實現對這部分音頻及視頻信號的可靠性重建。在此基礎之上，將經過重建處理之后的音頻及視頻信號按照便攜式衛星站點衛星信號接收機房的方式加以傳遞。按照此種方式，可實現對整個晚會運行情況高效和及時地進行直播。

2.2 建立在攝像設備反向控制單元基礎之上的電視直播應用方式分析

通過對攝像設備反向控制單元的有效應用，使得電視直播后方的音頻及視頻編輯工作人員能夠輕易地實現對電視直播前方攝像設備操作人員的遠程控制與遠程調度。結合電視直播畫面播出過程當中對于直播畫面的清晰度、取景構圖藝術度以及音頻質量清晰度等多個方面的特殊性節目制作需求，引導電視直播前方的攝像設備操作人員能夠更為系統與有效地展開各項工作。在這一過程當中，所涉及到的相關技術標準以及準則的掌控則完全交由電視直播后方機房內的相關技術工作者予以完成。從這一角度上來說，建立在攝像設備反向控制單元基礎之上的整個電視直播節目制作表現出了極為突出的靈活性與機動性。與此同時，通過引入攝像設備反向控制單元的方式，能夠實現電視直播后方與前方數據傳輸與通信的雙向性。簡單來說，演播室能夠通過對控制面板的操作方式實現對電視直播實前方攝像機設備的遠程性控制與操作。而與此同時，控制信息能夠以無線數據發射機為基礎，將其傳送至攝像機設備當中，實現整個電視直播的反向性控制。具體而言，整個建立在攝像設備反向控制單元基礎之上的數字微波通信系統應用結構示意圖如圖2所示：

2.3 數字微波通信技術綜合信號中繼系統的電視直播應用方式分析

信號中繼單元與數字微波通信技術的綜合使用能夠實現對音頻信號及視頻信號傳輸距離的有效延長。整個建立在數字微波通信技術與信號中繼系統基礎之上的電視直播操作結構示意圖如圖3所示。從圖上可以看出，電視直播前方攝像設備通過微波發射機，將視頻及音頻信號傳送至分集式接收機設備當中。在此基礎之上，將這部分信號傳輸至信號中繼器內部。通過調制與解調的方式，輸出以COFDM格式所表現的綜合信號（此過程中所涉及到的信號的傳輸頻率單位一般集中表現在1.95～2.7GHZ單位或者是3.0～5.0GHz單位范圍之內）。在此種電視直播方式的作用之下，中繼系統需要放置于較高且無明顯遮擋物的區域內，防止中繼系統的信號轉發能力受到削減。在當前技術條件支持下，數字微波通信技術綜合信號中繼系統的電視直播應用方式主要適用于對傳輸距離相對較遠的音頻及視頻現場報道當中，綜合優勢顯著，值得特別重視。

3 結語

伴隨著現代經濟社會建設發展的持續開展與城市化建設規模的持續推進，社會大眾持續增長的物質文化與精神文化需求同時對新時期的娛樂休閑行業發展提出了更為全面的要求。與此同時，在社會大眾對于新聞時效性以及質量性要求不斷提升的過程當中，電視新聞業務的制作水平只有不斷發展與完善，才能夠適應新聞的時效性特點，電視直播的重要性也由此得到了廣泛且深入的突顯。總而言之，本文針對有關數字微波通信技術在電視直播應用過程中所涉及到的相關問題做出了簡要分析與說明，希望能夠引起各方人員的特別關注與

重視。

參考文獻

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論文關鍵字：移動　通信　ip

論文摘要：移動 IP 為移動主機在移動過程中保持原來通信不間斷提供了實現方法，隧道技術 是移動 IP 的關鍵技術之一。本文在深入學習移動 IP 的基礎知識之后，給出了移動節點的一個具體的實現，具有一定實踐意義。

1 移動通信中移動 IP原理分析

移動 IP 中的隧道技術有三種封裝方式：IP 的 IP 封裝（IP in IP Encapsulation），最小封裝（Minimal Encapsulation）和通用路由封裝（Generic Routing Encapsulation）。

在移動 IP 中，隧道的入口為移動節點的家鄉，隧道的出口為移動節點的外地。家鄉需要實現封裝功能，封裝后的數據包能到達外地，外地接到數據包后，進行解封裝，然后將數據包路由給移動節點。數據包離開隧道入口后，在沒有到達隧道出口前，可能出現路由環使它又回到了隧道入口處的情況，這樣每次隧道都為它加封一個 IP 報頭，而每個新的報頭都有自己的生存時間域（TTL）值，這樣就會出現數據包一直增大下去。為了防止這種遞歸封裝，可采用如下機制：預封裝的數據包的源地址就是隧道入口地址，此時假設遞歸封裝出現；預封裝的數據包的源地址與隧道入口處路由表指示的隧道出口地址相同，此時也假設遞歸封裝出現。

同時，如果家鄉要將移動節點家鄉鏈路上的廣播包送給移動節點，必須采用多重封裝，這時，里面一層隧道是從家鄉到移動節點的家鄉地址，外面一層隧道是從家鄉到移動節點的轉交地址。因為，如果不采用多重封裝的話，外地解封裝后收到的是廣播地址，它就不知道怎么辦了。因此，這種現象應該作為防遞歸封裝中的一種特殊情況處理。

在解封裝中，主要是將新 IP 報頭去掉，使原來 IP 數據報恢復出來，因此相對較為簡單。移動 IP 中，移動節點的外地已經保存了移動節點的注冊信息，它能夠將解封裝后得到的數據報路由給移動節點。這樣，就完成了從一個節點向移動節點發送一次數據的全過程。

2 移動IP節點在移動過程中通信的實現

通常情況下，按照[RFC 2002]的標準，根據 IPv4 的移動 IP 方案規定，移動節點在外地鏈路上應該有一個外地位于隧道的出口，將從隧道發送過來的數據包轉發給已經移動到該鏈路上的移動節點，但是隨著 IPv6 即將成為事實上的下一代互聯網的標準協議，地址空間問題已經徹底的解決，移動 IPv6 協議中取消了外地。在本文，為了簡化問題的實現，我們規定，移動節點在外地鏈路上的轉交地址全部都是配置轉交地址，即不需要外地的轉發，移動節點直接位于隧道的出口，接收數據包。

2.1 移動節點的工作方式

移動節點基本工作方式有 5 個方面：

搜索：搜索是移動節點能維持正常通信的前期工作，通過搜索移動節點首先確定自己的位置。

注冊:移動節點確定自己在外地鏈路的時候，循環給家鄉帶理發送一個 UDP 包，通知它自己當前的 IP 地址，即外地鏈路取得的轉交地址，直到收到服務器的應答消息。

注銷：移動節點重新回到家鄉鏈路的時候，循環給家鄉帶理發送一個 UDP 包，直到收到家鄉的應答消息。

接收數據包：移動節點在家鄉鏈路接收數據包和固定節點的工作機制完全一樣。

發送數據包：如果移動節點確定自己在家鄉鏈路上，它象固定節點一樣，使用 TCP/IP 協議，不需要對數據包進行額外處理，直接發送；否則，移動節點會發現要發送的數據包的源地址是當前鏈路的轉交地址，因此，它先將發送包源地址修改為家鄉地址，然后再發送。

2.2 搜索

移動節點利用搜索過程主要完成三個功能，即判定自身當前是連在家鄉鏈路上還是外地鏈路上；檢測自身是否已經切換了鏈路；如果已經處于外地鏈路，則取得外地鏈路上的轉交地址。 轉貼于 　搜索由兩條簡單的消息構成。

第一條消息是廣播消息，家鄉利用這個消息向移動節點宣布它們的功能。當一個節點在一條鏈路上被配置成家鄉服務器的時候，它就在這條鏈路上廣播或組播廣播消息，這使得連到這條鏈路上的移動節點可以判定該鏈路上是否有存在。如果有，可以從廣播消息中取得服務器的IP地址，并且判定的功能是什么。

第二條消息是請求消息，當移動節點沒有耐心等待下一個周期發送的廣播消息時，它可以發送請求消息。這個消息的唯一目的就是讓鏈路上的所有立即發送一個廣播消息。有些時候，移動節點快速地切換鏈路，而發送廣播消息的頻率相比而言就太慢了，這時請求消息就非常有用了。由于密鑰管理上的困難，移動IP不要求對這兩種消息進行確認。

2.3 注冊、注銷機制

移動IP的注冊過程在搜索之后。此時，移動節點已經可以判斷出自己的位置，是處于家鄉鏈路還是處于外地鏈路。當移動節點發現它的網絡接入點從一條鏈路切換到另一條鏈路上時，它就要進行注冊。另外，由于這些注冊也有一定的生存時間，所以有些時候，移動節點的位置并沒有移動，它也要在現有注冊過期時進行重新注冊。

移動IP的注冊過程是：通知家鄉它在外地鏈路取得的轉交地址;使一個要過期的注冊重新生效;在回到家鄉鏈路上時要進行注銷操作。

2.4 傳遞數據包的選路

根據移動節點的當前位置進行數據包選路的技術，這是移動IP的最主要技術之一。我們必須考慮兩種情況：移動節點連接在家鄉鏈路上時和移動節點連接在外地鏈路上時。后一種情況還有兩種情形：移動節點采用的是轉交地址還是配置轉交地址。由于IPv6已經成為下一代互聯網事實上的標準協議，并且IPv6不存在地址空間問題，因此，在IPv6下，移動IP將沒有外地。

當注冊工作完成之后，移動節點無論漫游到Internet的任何地方，都會通過注冊機制通知它的家鄉它目前所取得的IP地址，使得家鄉能夠轉發那些試圖與它通信的網絡節點給它發送的數據包，這里，我們不關心移動節點在外地鏈路是如何取得配置轉交地址的，我們假定移動節點已經通過某種辦法得到了一個外地鏈路上的配置轉交地址，然后將這個地址通知給它的家鄉。我們這里不考慮家鄉如何將送往移動節點的數據包通過隧道路由給移動節點，這部分工作是另一位同學的畢業論文所涉及的內容，我們僅僅考慮移動節點需要做的處理。由于數據的通信是雙向的，因此，處于外地鏈路上的移動節點涉及的工作就分為接收數據包和發送數據包兩大部分。

3 總結

移動 IP 為移動主機在移動過程中保持原來通信不間斷提供了實現方法，隧道技術是移動 IP 的關鍵技術之一。當通信節點向移動節點發送數據報時，必須使用到隧道技術。本文介紹了移動 IP 中隧道技術的基本原理，以及給出了一種在 Linux 系統下實現它的方法。對于實現途徑，主要是在 Linux 內核中加入程序模塊，用以完成隧道技術的功能。隨著當今電子商務的蓬勃發展，人們對于新的通信業務的要求越來越高，這是互聯網及 TCP/IP 協議成功發展的必然結果。從而誕生出下一代的互聯網協議 IPv6，因此，隨著移動用戶和設備的飛速發展，基于 IPv6 的移動 IP 協議必然會迎來更廣泛的發展前景。

參考文獻

[1]裘曉峰.等譯《移動 IP》機械工業出版社

李承恕. 第3代移動通信中的衛星移動通信[J]. 中興新通訊， 1998， (06)

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關鍵詞 衛星TDMA；時隙檢測；多普勒頻移；解調

中圖分類號G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2015）137-0140-02

0 引言

衛星TDMA通信系統中，轉發器處于單載波工作狀態，不存在FDMA方式的互調問題，衛星功率利用率可達90%以上，頻帶幾乎可以全部利用，易于實現星上交換，信息速率高低適用，便于數字技術實現。因此衛星TDMA方式應用越來越廣泛。本文設計了一種TDMA信號的接收解調方法，對此類信號的接收及解調技術具有一定的參考價值。

突發信號的數字相干解調需要載頻同步快速。信號突發時隙具有導頻信號的特征。利用導頻信號可以完成載波的快速捕獲同步。FFT達到的頻率分辨率并不能滿足數字載頻同步環路所需要的精度，這樣就需要做載頻頻率的精細測量，頻域分析已經不能滿足，可以在時域進行測量，對信號進行差分檢測和一定時間內積分平均濾除噪聲影響，可以獲得較高的頻率測量精度。

1 TDMA時隙信號檢測

TDMA分幀幀頭一般有用于載波恢復和碼元同步的特殊碼元。碼元為全‘1’碼型，或‘0’和‘1’循環碼型。在頻域表現為單頻。所以通過檢測單頻來確認時隙信號的出現時刻，通過精確測量單頻的頻率值，可以估計載頻頻率值。低軌衛星通信系統的多普勒頻移變化率不大于1kHz/s，可見在幾毫秒內載頻的多普勒頻移約幾個赫茲，可以忽略多普勒效應的影響。

估計出TDMA實現信號的載頻頻率和起始時刻后，將該信道的突發時隙數字下變頻，附帶頻道號、起始時刻緩存后等待解調。

2 數字AGC

由于數字載波同步環路受信號幅度影響，解調器輸入信號要求穩定在2dB以內。TDMA信號的突發特性和解調器的多信道接收解調體制，決定了AGC的方式只能是數字AGC模式，所以需要進行數字AGC控制，使環路工作在最佳狀態。AGC的控制依據是信號搜索得到的信號幅度，數字解調前的信號幅度可以達到正負1db精度。

本設計的數字AGC實現框圖如圖1所示，信號檢測模塊，在檢測信號突發時刻和載頻頻率的同時，可以得到信號電平，其精度可達到2db以內，將檢測的信號電平與門限比較，得到誤差信號，誤差信號經過簡單的查表，就可以得到數字增益，將緩存器中的數據完成數字增益控制，以待解調。

3 數字下變頻

數字下變頻如圖2所示，與模擬中頻通道的功能一樣，主要有混頻，濾波，AGC，采樣率變換。關鍵部件是濾波器，通過合理的設計使濾波器和采樣率變換相結合，保證濾波性能的前提下消耗最小的硬件資源。數字AGC可以彌補模擬AGC增益控制范圍不夠大的弊病，并能保證采樣數據的精度，得到最佳的解調效果。

4 多普勒頻移估計

由于多普勒頻移較大，對頻率的測量分為粗測和精測兩步，粗測是在信號檢測到后，取其單頻部分做FFT，搜索FFT峰值確定信號頻率，實現大頻率偏移的校正，精測是用粗測得到的頻率對信號做正交數字下變頻及濾波抽取，然后重復利用單頻部分數據，用LP算法進行頻率精測。

信號采樣速率表示為fs， fd表示多普勒頻移的估計值，D為延遲的采樣點數，N為參與平均處理的數據點數。LP算法頻率估計的范圍F由fs和D決定，估計精度由輸入信號的信噪比（SNR）、D和N決定，估計誤差與延時D和SNR成反比。

5 解調處理

解調TDMA信號時，載波已經由TDMA時隙檢測模塊精確估計給出。所以載波快速同步鎖定。鎖相環的捕獲帶大于最大多普勒頻移和載波估計的誤差，即可以滿足要求。

5.1 載波恢復算法

數字解調器中的載波恢復算法主要分為非判決反饋載波恢復法和判決反饋載波恢復法。由于判決反饋的方法性能優于非判決反饋方法，所以本設計采用判決反饋方法來進行載波恢復。

解調器將中頻信號經數字下變頻轉為基帶信號后存在載波相位誤差，實現解調需要消除這部分偏差?？勺C明其載波相位誤差的鑒相特性曲線為正弦函數，相位誤差經環路濾波器后進入數控振蕩器，數控振蕩器產生相位估計值對輸入信號進行相位誤差補償。其中環路濾波采用二階數字濾波器。

對于TDMA信號，要達到高性能的解調效果，須對載波頻差、相差進行快速捕獲跟蹤，并且環路鎖定后還要保持較小的穩態誤差。為此，開始解調時，應設置較大的環路參數，待鎖定后要減小環路參數。

5.2 判決時刻提取

TDMA信號具有起始同步字的特征。利用這個特征做碼元的定時估計。其基本原理是碼字相關，I、Q兩路相關器的輸出求模，峰值檢測得到最佳判決時刻。

在本設計中，同步字是12個碼元，采樣倍數為12倍，所以相關匹配濾波器的階數為144階。其實現結構如圖3所示。

確保成功檢測實現信號的關鍵是特殊字相關，相關的結果完成定時誤差的檢測和校正的同時，I、Q相關器輸出，在最佳判決時刻的相位，用來做數字載波同步環路的相位模糊校正，得到信號的數字解調結果。

6 結論

通過對衛星TDMA信號的分析，提出了應用TDMA信號時隙檢測，多普勒頻移測量，載波恢復和判決時刻提取等方法，實現對衛星TDMA信號的解調，并在基于FPGA信號處理平臺上進行實現，完成了TDMA分幀信號的接收解調處理，系統具有高度的靈活性和可擴展性，對類似信號的處理有一定的參考價值。

參考文獻

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“通信原理”是通信和電子工程類的一門專業基礎核心課程，也是后續“移動通信”、“衛星通信”等專業課的基礎。該課程特點是涉及知識面廣，公式和數學推導較多，很多概念和原理比較抽象，學生學習起來普遍比較吃力。而在教學過程中全方位引入實驗模塊，一方面可以變抽象為直觀，增強學生學習興趣，提高教學效果，另一方面也可以培養學生理論聯系實際的能力。

本著循序漸進、靈活多樣的原則，結合通信原理教學內容，我們設計了多層次的的實驗體系。所謂多層次包括兩方面含義，一是在實驗類別上有層次之分，包括演示驗證、模塊構建、自主編程和硬件實現等多個層次；二是在具體實驗內容的設置上也有由簡到繁、由易到難的層次之分。

一、層次化實驗體系的構建和實施

為便于實施，我們重點構建了基于計算機這個特殊的實驗室完成的通信原理實驗，其中的演示驗證、模塊構建和自主編程實驗采用了mathworks公司的matlab/simulink軟件，而硬件實現則是基于自主研發的dsp+fpga硬件平臺展開，由學生在ccs和quartus環境下完成編程、下載和調試工作，同時我們也編制了配套的實驗指導書。

1.基于matlab庫函數的演示驗證性實驗

演示驗證性實驗屬于最簡單的一本文由收集整理類實驗，利用matlab庫函數及自行開發的一些函數包，根據實驗指導書簡單輸入幾條命令，便可直觀得出結果。以基帶傳輸碼型及其頻譜分析為例簡述其過程：

b=binary（1000）； %產生隨機二進制數據

x=wave_gen（b，’unipolar_nrz’）； %產生單極性不歸零碼

subplot（211），waveplot（x）； %顯示時域波形

subplot（212），psd（x）； %顯示功率譜密度

其中binary、wave_gen、waveplot和psd等均為自行開發的函數包，其余函數為matlab自帶。學生只需輸入上述4條命令，即可完成信號產生、波形成型、畫時域和頻域波形等功能，從而快速驗證所學理論。此類實驗開設簡單，能覆蓋通信原理所有核心內容，既可用于課下練習，也可用于課堂演示，主要目的在于加深對抽象理論的感性認識。由于此類實驗無需關注具體實現細節，故學生的自主參與程度低。

2.simulink模塊構建實驗系統

simulink是matlab下的一個軟件包，主要用來對動態系統進行建模、仿真和分析，其最大的特點是模塊庫豐富，且簡單易學，只需使用鼠標拖放相關模塊并將其連接即可。利用simulink結合通信模塊庫可以快速構建出實驗系統模型，此類實驗主要用于基本概念、基本原理的快速建模和仿真。例如在講授低通抽樣定理時，可以利用simulink模塊建立如圖1所示模型，形象展示抽樣定理的內涵。其中原模擬信號由隨機信號通過模擬低通濾波得出，其截止頻率即為模擬信號的最高頻率；采樣脈沖由脈沖產生器產生；采樣過程由乘法器完成；采樣信號由另一個模擬低通濾波器以恢復原信號。通過修改采樣脈沖序列的周期來模擬不同的采樣速率，可以方便的觀測原信號和抽樣信號的時域頻域波形，從而加深對低通抽樣定理內涵的理解。對該模型稍加修改還可以演示平頂抽樣以及帶通抽樣原理。

此類實驗需在熟悉了相關理論及其實現框圖后實施，在教師的引導下，學生可按要求自行設計，自主參與程度較高。

3.matlab自行編程構建基本模塊

利用matlab現成的函數包或者simulink模塊可以對“通信原理”課程中的理論部分進行快速演示和驗證，但為了加深對重點內容的理解和靈活運用，還需要利用m文件自行編程來實現某些重要模塊，這也對學生提出了相對較高的要求。表1列出了“通信原理”課程中的一些主要實驗，其中每一個模塊又分別從容易、較難、難三個層次給出了相關的具體實驗內容，比如基帶傳輸系統的仿真實驗，隨機二進制數據的產生以及基帶碼型的選取非常容易，觀察時域和頻域波形也不困難，難點是發送和接收濾波器的設計，如果發端采用的是理想矩形成形濾波，則收端的匹配濾波實現相對較容易；而如果采用的是更加實用的升余弦成形濾波，則收端的匹配濾波以及相關的處理就要復雜得多，實現的難度也更大；在基帶傳輸系統性能仿真中看似簡單但極易出錯的一個模塊就是加噪聲，給定信噪比后，需要結合成形后的發送信號的平均功率，準確計算出噪聲的方差后才能產生合適的噪聲，否則得出的性能曲線就不會與理論曲線吻合；而基帶系統仿真中的一些輔助觀測模塊，如星座圖和眼圖等，以及存在碼間串擾時的均衡技術等實現的難度也有所不同，可以根據學生的實際情況分層次組織實驗。

表1　通信原理主要實驗分類表

容易 較難 難

碼型及頻譜分析 單/雙極性不歸零碼/歸零碼（半占空）；差分碼 任意占空比歸零碼；ami碼 hdb3碼編譯碼；基于fft的頻譜分析

基帶傳輸系統 信號產生；基帶碼型選取；時域頻域波形的觀測 矩形成形及匹配濾波；星座圖模塊 升余弦成形及匹配濾波；加噪、眼圖、均衡等模塊

轉貼于

二進制數字調制 信號產生；2ask/2fsk/

2psk調制的實現；時頻域波形觀察 2ask/2fsk/2psk解調的實現 加噪聲模塊；匹配濾波；最佳接收模塊

現代調制系統 qpsk調制解調及抗噪性能仿真 oqpsk調制解調及抗噪性能仿真 π/4 dqpsk/msk調制解調及抗噪性能仿真

信道編碼 （7，4）漢明碼的編譯碼 循環碼的編譯碼 卷積碼的編譯碼（viterbi）

此類實驗對學生要求較高，在深刻理解相關概念和原理的基礎上，還要進一步研究其實現細節，每一模塊均由學生自行編程實現，自主參與程度高。

4.dsp+fpga的硬件平臺實現

上述實驗均是基于matlab/simulink的軟件仿真實驗，為了能從實踐角度進一步驗證所學理論，需對相關模塊的硬件實現展開實驗。為此，教學組開發了一款基于dsp/fpga加專用射頻模塊組成的通信系統教學實驗平臺，其硬件結構框圖如圖2所示。

其中ti公司的兩塊dsp芯片tms320c5416和tms320c6713分別用于發射和接收模塊的基帶處理，altera公司的fpga芯片ep2c8t144用于完成數字上下變頻；專用射頻模塊的工作頻率為225-512mhz?；谠撈脚_，既可以單獨實現hdb3編譯碼、漢明碼編譯碼、基帶成形濾波、同步等模塊，也可以構建基于bpsk等調制方式的完整的通信系統，進而通過示波器、無線通信分析儀等設備觀測眼圖、星座圖、時頻域波形等。

完成基于硬件平臺的通信原理實驗，不僅需要學生具備系統的理論知識，也需要具備相關的dsp、fpga開發基礎，此類實驗一般需由多人組成團隊協作完成，可在課程后期或課程結束之后的通信系統綜合實驗階段實施，也可作為學生科技創新或畢業設計工作的一部分。