本虚拟仿真实验项目采用虚拟仿真手段模拟卫星通信载荷智能天线系统的数字波束形成和抗干扰设计,是南京理工大学通信工程专业学生必修的《通信系统综合实验》综合实验课程中的一个重要组成部分。项目依据《通信系统综合实验》课程大纲及关键知识点,结合卫星通信智能天线系统中多波束处理和复杂干扰环境的特点,以“数字波束形成和抗干扰”为实验任务,构建了基于实际通信信道环境的虚拟仿真实验情景。实验旨在培养学生探究式的思维方式和解决复杂问题的综合能力,实验课程目标如下:
(1)帮助学生熟悉卫星通信载荷和智能天线系统的主要组成,掌握卫星通信过程中用户捕获、用户跟踪、通信基带信号处理等基本工作原理,提高学生的卫星通信载荷认知能力。
(2)帮助学生熟悉卫星通信上行链路设计的基本原理,掌握卫星通信系统的通信方式、天线阵列、卫星链路计算、赋形波束配置等设计方法,提高学生的卫星通信系统设计能力。
(3)帮助学生熟悉数字波束形成和抗干扰基本原理、掌握卫星通信的波束捕获和跟踪、空域抗干扰、抗雨衰干扰综合设计方法,提高学生解决复杂工程问题能力。
在实验中,学生针对平台发布的卫星通信任务,进行通信链路计算,设计合适的通信调制方式、载荷天线增益、阵元排布、阵列排布等。完成卫星通信载荷的波束捕获和跟踪、空域抗干扰、抗雨衰干扰三种典型场景的综合设计。实验效果以波束方向图、通信星座图、眼图、语音播放等形式实时同步呈现。该项目是仿真环境下的真实验,核心要素逼真度高,仿真度达到90%,具有较强的视听觉效果,其核心要素仿真设计见下图。

图1 核心要素仿真设计
本实验项目共分为3个模块,包括:系统总体概述、系统参数设计、系统综合设计。在仿真系统设计上包括视听效果呈现部分、建模分析部分和综合仿真部分,其中视听效果呈现部分包括可视化展示和听觉呈现,其中可视化展示包括卫星运行轨道、地球球面、地面站用户和干扰、赋形波束覆盖、指向波束的三维和二维方向图、雨衰干扰、通信调制星座、眼图显示等;听觉呈现为同步播放通信的语音音乐信号,显示语音播放信号的时域波形,同时呈现播放时的干扰和噪声效果。建模部分包括卫星运行轨道建模、地面用户位置建模、卫星和地面用户空间几何关系建模、数字波束方向图和通信链路增益建模等。综合设计部分包括卫星通信的波束捕获和跟踪综合设计、空域抗干扰综合设计、抗雨衰干扰综合设计。
1实验教学过程
本实验项目着重于卫星通信载荷智能天线系统的波束形成和抗干扰仿真实验的互动式和探究式教学,聚焦卫星通信的波束捕获和跟踪综合设计、空域抗干扰综合设计、抗雨衰干扰综合设计。实验教学过程如下图所示,共分为系统总体概述、系统参数设计和系统综合设计3个模块。

图2 本项目实验教学过程
首先,学生进行模块一(系统总体概述)的卫星通信载荷认知、智能天线系统认知、数字波束信号处理认知和通信过程动态显示,在此基础上,完成随机生成的10道自测题。
其次,学生在教师指导下开展模块二(系统参数设计)的仿真设计,这是开展模块三(波束形成与抗干扰综合设计)的基础。本模块包括通信方式设计、天线阵列设计、卫星上行链路计算和赋形波束配置四个子环节。通信方式设计子环节和天线阵列设计子环节的设计参数可以自动关联到卫星上行链路计算子环节。
最后,在完成模块二(系统参数设计)的基础上,学生在教师指导下开展模块三(波束形成与抗干扰综合设计)的仿真实验,这是本虚拟仿真实验项目的重点、难点和最终落脚点。本实验模块包括波束捕获跟踪设计、空域抗干扰设计和抗雨衰干扰设计三个综合设计子环节。波束捕获跟踪设计环节中,学生完成卫星通信智能天线的捕获赋形波束、跟踪点波束设计和验证;空域抗干扰设计环节中,针对空域干扰的作用效果,学生设计验证空域抗干扰的自适应波束形成;抗雨衰干扰设计环节中,针对雨衰干扰的作用效果,学生进行EIRP设计,并完成抗雨衰干扰的实验。
实验教学过程中,所有波束形成和抗干扰实验效果均以通信星座图、眼图和语音播放效果来衡量和实时显示,供学生观测、体验和分析。
21、 实验方法
(1)系统认知法
在本项目的“系统总体概述”部分,学生采用系统认知方法进行卫星通信载荷的学习,通过点击系统各功能模块,对照系统功能框图学习各模块功能。通过该实验环节的认知学习,学生掌握卫星通信载荷的组成、智能天线系统各模块的功能、智能天线数字波束形成的信号处理过程以及了解卫星通信的整个过程和通信效果,使学生能够从宏观的系统层面和微观的信号处理层面深入理解卫星通信智能天线的数字波束形成和抗干扰技术。
(2)带约束参数设计法
在本项目的“系统参数设计”部分,学生采用“带约束的参数设计法”进行卫星通信链路设计,具体包括“通信方式设计”、“天线阵列设计”、“卫星上行链路计算”等。在实验中,学生需要同时对卫星通信载荷的多个通信和天线参数进行设计和优化,采用的实验方法为约束条件下的参数设计法。此处约束指标为设计的卫星通信链路余量要介于某个范围内(如2-10dB)。学生首先要学习和理解卫星通信链路方程以及方程中各变量的基本含义和计算方法,在给定的链路余量约束下确定设计值的范围,寻找满足要求的优化的参数组合。通过该实验环节,学生可以掌握卫星上行链路中通信方式(包括通信方式、误码率以及对应的Eb/N0)、卫星接收天线阵列(包括阵列规模、天线增益和波束宽度)、上行链路计算(包括路径损耗、通信速率、地面发射EIRP、链路余量)的原理和设计。提高学生在通信卫星星载智能天线系统总体设计方面解决复杂问题的能力。
(3)闯关式综合设计法
通过发布“波束捕获跟踪设计”、“空域抗干扰设计”和“抗雨衰干扰设计”三个综合设计实验任务。以闯关卡的形式并结合实际通信效果演示进行实验实施,具体包括通信星座图、眼图、三维和二维方向图、卫星地面用户的通信连接、卫星切换、语音播放、音频波形等。首先,引导学生完成卫星通信智能天线的捕获赋形波束、跟踪点波束设计和验证;然后,了解空域干扰的作用效果并设计验证空域抗干扰的自适应波束形成;最后,针对雨衰干扰的作用效果,设计并评估抗雨衰干扰的手段。上述三个环节的综合实验,可在虚拟环境中模拟实际中难以开展的实验条件(星上波束赋形、空间干扰、不同降雨),使学生在独特的实验环境中进一步加深对卫星通信智能天线相关技术的理解并学以致用。
(4)实时视听呈现法
卫星通信载荷的数字波束形成是阵列天线系统各采样通道电磁波信号的空间合成,看不见摸不着,为了可视化展示星载波束形成效果,本实验项目中对卫星运行轨道、地球球面、地面站用户上行通信、赋形波束覆盖、跟踪波束、误码率、通信调制星座和眼图显示等进行实时可视化展示。同时为了增强学生的使用体验感,本项目还具有卫星通信的语音播放功能。所有数字波束形成和抗干扰的实验效果均以通信星座图、眼图和语音播放来衡量和实时呈现,供学生进行直观观测和分析。
3实验步骤
本实验项目由“系统总体概述”、“系统参数设计”、“系统综合设计”三部分组成,共包括15个交互性操作步骤。
本项目的网址为:https://mool.njust.edu.cn/satcomm,打开本实验项目,即可在线完成所有实验操作。

在进入实验前,学生先依照新手引导熟悉实验界面功能,查看实验简介,并通过在线知识角的中的文献和视频资料,对本实验相关知识点进行自主学习。实验过程中,学生可以随时打开实验步骤引导。遇到任何困难,可以随时与课程顾问老师联系。

具体交互性操作步骤如下。
操作步骤1:
(1)操作目的:完成“系统总体概述”模块的认知学习,并完成自测题。
系统总体概述模块是通过三维虚拟现实技术引导学生学习卫星通信载荷、同时多波束智能天线和智能天线阵列信号处理的相关知识,通过虚拟仿真的手段让学生观察到卫星通信载荷组成、智能天线系统组成,多波束赋形捕获、数字波束形成、卫星数据通信的完整过程,内容包括:(1)智能天线卫星通信载荷的主要部件分解图;(2)智能天线卫星通信基本原理;(3)智能天线数字波束信号处理流程。在 “系统总体概述”环节的最后,系统根据学习完成情况,随机生成10道自测题,包含7道卫星通信智能天线相关知识题和3道与我国航天事业相关的思政题,每题1分。本模块对应学时数为1。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为10步,具体如下:
1)用户点击“系统总体概述”按钮,弹出子环节下拉框包括:卫星通信载荷认知、智能天线系统认知、数字波束信号处理认知、通信过程动态演示,如图所示。

2)点击“卫星通信载荷认知”按钮,进入实验场景。

3)点击设备架上的卫星,卫星爆炸展示,观察通信载荷各部分组成,点击模型各部件,观察右侧弹出的该模型并学习其功能介绍。

4)点击“系统总体概述”->“智能天线系统认知”按钮,进入场景。按住鼠标右键,拖动鼠标,观测数字阵列智能天线外观。点击面前的“卫星通信智能天线系统”,并观察系统各部分组成。

5)分别点击数字阵列智能天线各部件,观看右侧知识框,了解该部件的作用。

6)点击实验页眉“系统总体概述”->“数字波束信号处理”,进入场景。学习智能天线数字波束信号处理框图,了解各部分之间关系。分别点击框图中的各模块,观看右侧知识了解该模块的作用。'

7)点击实验页眉“系统总体概述”->“通信过程动态演示”,进入界面,观察学习卫星对地面用户捕获、跟踪、建立通信过程,并观察正常通信后的通信星座图、眼图和音频波形.

8)点击界面中“抗雨衰干扰”选项,观察学习正常通信、出现雨衰干扰和提高地面发射EIRP以对抗雨衰干扰的通信全过程。

9)点击界面中“空域抗干扰”选项,观察学习正常通信、出现空域干扰和采用自适应波束形成抗空域干扰的过程。完成后,点击“退出”。

10)点击界面中“自测题”按钮,进入自测题环节,检验“系统总体概述”部分学习成果。

(3)操作结果
系统根据“系统总体概述”部分的学习完成情况,随机生成10道自测题,包含7道卫星通信智能天线相关知识题和3道与我国航天事业相关的思政题。10道题目每题1分,根据学生答题情况进行打分。
4操作步骤2:
(1)操作目的:熟悉卫星通信中常见的几种通信方式和误码率,掌握Eb/N0需求的计算方法。完成2-1环节中的“通信方式”和“误码率”设计,计算与通信方式和误码率相对应的Eb/N0需求。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为4步,具体如下:
1)点击“系统参数设计”->“通信方式设计”按钮,进入场景。

2)点击“通信方式”下拉菜单,选择通信方式;之后点击误码率下拉菜单,选择误码率;最后根据通信系统课程中所学知识,计算并填入所选择的通信方式和误码率下的Eb/N0需求。

3)点击界面中的“问号”,可出现Eb/N0的计算提示。点击“Eb/N0自动计算”,系统可自动计算并填入正确的值,但是本题得分将降为满分的20%。

4)点击“Eb/N0验证”,观察验证效果,点击“确定”,提交Eb/N0结果,并退出该界面。

(3)操作结果
本环节中系统将对用户计算的“Eb/N0需求”进行验证,当用户计算的“Eb/N0需求”满足当前“通信方式”和“误码率”要求时,信号可成功连接。

当不满足要求时,信号无法成功连接。

5操作步骤3:
(1)操作目的:掌握卫星通信中智能天线的布阵设计方法。完成2-2环节“单元天线增益”、“阵元个数”和“阵元间距”设计,选择“阵元排布”。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为2步,具体如下:
1)点击“系统参数设计”->“天线阵列设计”按钮,进入场景。点击“步骤引导”和“知识提示”,了解实验步骤和相关知识。

2)设计“单元天线增益”、“阵元个数”,选择“阵元排布”并设计阵元间距。

(3)操作结果:
本环节中单元天线增益的合理区间为“3dB~5dB”,阵元个数的合理区间为“4~12”,阵元排布可选“矩形栅格”和“三角栅格”,阵元间距的合理区间为“0.5λ~0.6λ”。系统将对学生设计的参数进行合理性判断,如果超出合理性区间,在判分时将不得分。
6操作步骤4:
(1)操作目的:掌握卫星通信中智能天线“卫星天线增益”和“波束宽度”的计算原理和方法。在2-2环节中根据填入的阵列参数计算并填入“卫星天线增益”和“波束宽度”,并点击“阵列天线设计”和“提交设计结果”,验证所设计的天线阵列的合理性。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为4步,具体如下:
1)根据界面中填入的阵列参数计算“卫星天线增益”和“波束宽度”。“卫星天线”增益的计算公式如下:
假定天线阵列中天线单元排列为M行N列,单元天线增益为A,则天线阵列的增益约为
。
天线阵列“波束宽度”的计算公式如下:
假定天线阵列中天线单元排列为M行N列,且阵元间距为d。对于矩形栅格阵列,其方位角波束宽度为:
,俯仰角波束宽度为
。对于三角栅格阵列,其方位角波束宽度为:
,俯仰角波束宽度为
。

2)点击“阵列天线设计”,验证所填入的“卫星天线增益”和“波束宽度”,并在界面右侧的窗口中查看所设计的天线阵列。

3)如遇问题,可点击界面中“自动计算”按钮,系统可自动计算并填入“卫星天线增益”和“波束宽度”。但是本项得分变为满分的20%。

4)点击“提交设计结果”,验证所设计的天线阵列是否合理。

(3) 操作结果
2-2环节“天线阵列设计”,系统可根据用户输入的“阵元个数”、“阵元排布”和“阵元间距”,完成“阵列天线设计”,在界面右侧展示用户设计的天线阵列:

在用户“提交设计结果”后,系统会对用户设计的天线阵列性能进行评估,当系统评估用户设计的天线阵列不合理时,提示:

当系统评估用户设计的天线阵列较合理时,可通过此环节。

7操作步骤5:
(1)操作目的:掌握卫星通信中卫星上行链路的“路径损耗”的计算原理和方法。2-3环节根据卫星“轨道高度”、“工作频率”计算并填入“路径损耗”,完成“路径损耗验证”。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为3步,具体如下:
1)点击“系统参数设计”->“卫星上行链路计算”按钮,进入场景。阅读任务说明,点击“步骤引导”和“知识提示”,了解实验步骤和相关知识。

2)根据卫星通信载荷的“轨道高度”和“工作频率”,计算并填入卫星通信链路传输的“路径损耗”,点击“路径损耗验证”。路径损耗的计算公式如下:
,其中d为波束张角最大时地面用户到卫星的传输路径长度。

3)如遇问题,可点击界面中的“问号”和“知识提示”,学习相关理论公式。或点击“路径损耗自动计算”,系统会自动计算当前参数下的路径损耗。但是本项得分会降为满分的20%。

(3)操作结果
本项中,系统会自动对学生填入的路径损耗进行验证。当满足路径损耗的理论值区间时,判定通过;否则判定不通过,
8操作步骤6:
(1)操作目的:掌握卫星通信中卫星上行链路计算原理和方法。2-3环节选择“通信速率”和填入“卫星接收机噪声温度”。之后根据链路公式计算“地面发射天线EIRP”,使通信链路余量在合理范围内,完成“卫星链路计算”。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为3步,具体如下:
1)选择通信速率并填写“卫星接收机噪声温度”,根据链路公式计算当前Eb/N0需求、通信速率、其它损耗、雨衰损耗、卫星接收机噪声温度和卫星天线增益参数下的地面发射天线EIRP。卫星上行链路的链路余量计算公式:

2)点击“卫星链路计算”,系统自动计算当前链路参数下的链路余量,并验证链路参数设计是否合理。

3)如遇问题,可点击界面中的“问号”和“知识提示”,学习相关理论公式。或点击“EIRP自动计算”,系统会自动计算当前参数下的“地面发射天线EIRP”,但是本项得分会降为满分的20%。

(3)操作结果
2-3环节“卫星上行链路计算”中,系统根据用户设计的各项链路参数计算“链路余量”,判断用户设计的各项链路参数是否合理。当判断链路参数不合理时,系统提示:

当用户设计的链路参数在合理区间时,用户可完成此项环节。

9操作步骤7:
(1)操作目的:学习2-4环节中16片赋形波束的脚印图和方向图,加深对波束赋形原理和作用的理解。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为2步,具体如下:
1)点击“系统参数设计”->“赋形波束配置”按钮,进入场景,阅读任务提示,点击“步骤引导”和“知识提示”,了解实验步骤和相关知识。

2)点击16个赋形波束脚印图,了解每个波束的地面覆盖范围和赋形波束方向图。

(3)操作结果
本步骤中,系统会自动根据学生在界面中的学习情况(是否完成全部16片赋形波束的学习)对本项进行评估打分。当学生完成全部赋形波束学习后,得满分。
10操作步骤8:
(1)操作目的:掌握2-4环节中赋形波束对地面用户实现捕获的原理,应用所学技术对2-4环节中随机生成的地面用户配置赋形波束。点击“捕获用户”,实现用户的捕获。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为4步,具体如下:
1)在2-4环节中,点击“开始配置”,进入“配置地面用户”界面。

2)点击“随机生成地面用户”按钮,在仿真界面的地球上随机生成地面用户位置,并为每个地面用户选择对应的赋形波束以实现用户捕获。点击“赋形波束形成”按钮。

3)点击界面中“捕获用户”按钮,验证所配置的赋形波束是否可以捕获用户。

4)观察赋形波束验证结果,并根据结果选择“重新配置波束”或是“提交结果”。

(3)操作结果
2-4环节中的“赋形波束配置”部分,系统判断配置的赋形波束能否完成用户捕获,当用户捕获不成功时,无法建立通信:

当用户捕获成功时,可以建立通信,界面中显示实时通信信号的“星座图”、“眼图”、“音频波形”和“天线波束方向图”。

11操作步骤9:
(1)操作目的:在卫星通信对地面用户的捕获、跟踪、通信等整个过程中完成捕获波束、跟踪波束的设计。在3-1环节点击“随机生成地面用户”,并为每个地面用户选择传送的语音。选择“捕获波束权重”类型,完成“用户捕获”。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为4步,具体如下:
1)点击实验页眉,选择“波束形成与抗干扰综合设计”->“波束捕获跟踪设计”,进入界面。了解本实验环节的实验内容和天线阵列参数。点击“确定”。

2)点击“随机生成地面用户”,生成地面用户位置。并为每个地面用户选择传送的语音。点击“生成地面用户”,进入下一界面。

3)了解第二模块中配置完成的链路参数,并在“捕获波束权重”下拉菜单中选择用于用户捕获的波束权重类型。点击“用户捕获”。

4)观察用户捕获、跟踪和通信的效果,如果是多用户通信,可以在不同用户间进行切换。

(3)操作结果
这一步骤中,可随机生成地面用户的位置,在3-1环节后续的实验中,将根据卫星的实时轨道和地面用户位置,实时模拟地面用户与卫星的通信。赋形波束和跟踪波束的设计也将基于地面用户和卫星的实时位置。通过为地面用户选择传输的音乐,后续通信信号也将基于选择的音乐模拟,学生可打开扬声器通过实时的音乐质量,或根据实时通信的误码率、星座图、眼图和音频波形来感受通信状态的变化。

12操作步骤10:
(1)操作目的:在卫星通信对地面用户的捕获、跟踪、通信等整个过程中完成捕获波束、跟踪波束的设计。在3-1环节完成“跟踪波束设计任务”,即根据用户位置实时的“离轴角”和“旋转角”,选择对应的跟踪波束权重计算公式,完成对用户的跟踪。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为4步,具体如下:
1)点击界面中“跟踪波束设计任务”按钮。观察界面中地面用户的实时离轴角和旋转角。点击“进入权重计算”。

2)根据用户位置实时的“离轴角”和“旋转角”,选择对应的跟踪波束权重计算公式,点击“完成”。

3)如遇困难,可点击界面中的“问号”和“知识提示”,学习相关的计算公式。如果点击“自动生成波束权重”,系统将自动计算波束权重,但是此项得分将变为满分的20%。

4)完成权重配置,观察跟踪波束的通信效果。

(3)操作结果
3-1环节“波束捕获和跟踪设计”中,当成功配置“捕获波束权重”后,可与用户成功建立连接,界面中显示实时通信信号的“星座图”、“眼图”、“音频波形”以及“智能天线波束图”。

在“跟踪波束设计任务”中,系统利用用户配置的“指向波束权重”完成数字波束形成以实现对地面用户的跟踪。当配置的“指向波束权重”成功实现用户跟踪时,界面可正常显示实时通信信号的“星座图”、“眼图”、“音频波形”以及“智能天线波束图”。

当无法完成用户跟踪时,界面中实时通信信号的“星座图”、“眼图”、“音频波形”效果较差。

13操作步骤11:
(1)操作目的:在卫星通信对地面用户的捕获、跟踪、通信等整个过程中学习地面干扰对通信的影响,掌握数字波束形成空域抗干扰的原理和方法。3-2环节选择用户传输的语音,配置“用户信噪比”和“干信比”,并“开始通信”。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为3步,具体如下:
1)点击实验页眉,选择“波束形成与抗干扰综合设计”->“空域抗干扰设计”,进入“空域抗干扰”综合设计。了解本实验环节的实验内容和天线阵列参数。点击“确定”。

2)点击“随机生成用户和干扰位置”,在地球上生成用户和干扰,并为授权用户选择传输的语音和信噪比,为干扰配置干扰信号功率比。点击“开始通信”。
3)观察用户捕获和跟踪后的通信效果。

(3)操作结果
这一步骤中,可随机生成地面用户和干扰的位置,在3-2环节后续的实验中,将根据卫星的实时轨道和地面用户和干扰位置,实时模拟地面用户与卫星的通信。空域抗干扰波束的设计也将基于地面用户、干扰和卫星的实时位置。通过为地面用户选择传输的音乐,后续通信信号也将基于选择的音乐模拟,学生可打开扬声器通过实时的音乐质量,或根据实时通信的误码率、星座图、眼图和音频波形感受通信状态的变化。
14操作步骤12:
(1)操作目的:在卫星通信对地面用户的捕获、跟踪、通信等整个过程中学习地面干扰对通信的影响,掌握数字波束形成空域抗干扰的原理和方法。3-2环节完成“空域抗干扰设计任务”,即根据“授权用户”和“干扰用户”实时的“离轴角”和“旋转角”,以答题的方式选择正确的角度方向余弦、设计LCMV波束形成器的约束矩阵和权重系数,实现空域抗干扰。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为4步,具体如下:
1)点击卫星通信主界面中“空域抗干扰任务”按钮,观察出现干扰之后的通信效果。点击“进入权重计算”。

2)根据界面中授权用户和干扰用户实时位置的离轴角和旋转角,以答题的方式选择正确的角度方向余弦、设计LCMV波束形成器的约束矩阵和权重系数,点击“完成”。

3)如遇困难,可点击界面中的“问号”和“知识提示”,学习相关的计算公式。如果点击“自动生成波束权重”,系统将自动计算波束权重,但是此项得分将变为满分的20%。

4)完成“自适应波束形成”,观察自适应波束形成权重验证效果和成功抑制干扰之后的通信效果演示。点击“提交结果”或者“重新配置参数”。

(3)操作结果
3-2环节“空域抗干扰设计”的“空域抗干扰任务中”,系统利用用户配置的“空域抗干扰的自适应权重”完成数字波束形成以抑制干扰。当配置的“空域抗干扰的自适应权重”成功抑制干扰时,界面可正常显示实时通信信号的“星座图”、“眼图”、“音频波形”以及“智能天线波束图”。

当无法抑制干扰时,界面中实时通信信号的“星座图”、“眼图”、“音频波形”效果较差。

15操作步骤13:
(1)操作目的:在卫星通信对地面用户的捕获、跟踪、通信等整个过程中学习雨衰干扰对通信的影响。在3-3环节“随机生成地面用户”,为每个用户选择语音,“生成地面用户”。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为2步,具体如下:
1)点击实验页眉,选择“波束形成与抗干扰综合设计”,点击“抗雨衰干扰设计”,进入“抗雨衰干扰”综合设计。了解本实验环节的实验内容。点击“确定”。

2)点击“随机生成地面用户”,生成地面用户位置。并为每个地面用户选择传送的语音。点击“生成地面用户”。

(3)操作结果
这一步骤中,可随机生成地面用户的位置,在3-3环节后续的实验中,将根据卫星的实时轨道和地面用户,实时模拟地面用户与卫星的通信。雨衰干扰的设计也将基于地面用户和卫星的实时位置。通过为地面用户选择传输的音乐,后续通信信号也将基于选择的音乐模拟,学生可打开扬声器通过实时的音乐质量,或根据实时通信的误码率、星座图、眼图和音频波形感受通信状态的变化。
16操作步骤14:
(1)操作目的:在卫星通信对地面用户的捕获、跟踪、通信等整个过程中掌握雨衰干扰对通信的影响和抗雨衰干扰技术。3-3环节完成“晴天(无雨衰)情形的地面天线发射EIRP”设计。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为3步,具体如下:
1)根据给出的卫星上行链路参数计算并填入晴天(无雨衰)情形的地面天线发射EIRP。点击“EIRP验证”。
卫星上行链路的计算公式如下:


2)如遇问题,可点击界面中的“问号”或“知识提示”,学习相关知识。如果点击“EIRP自动生成”,系统可自动根据链路参数计算EIRP,但是此项得分变为满分的20%。

3)观察晴天(无雨衰)情形的通信效果演示,如果是多用户通信,可以在不同用户间进行切换。

(3)操作结果
系统将根据配置的链路参数模拟无雨衰情况的卫星通信过程,界面可正常显示实时通信信号的“星座图”、“眼图”、“音频波形”以及“智能天线波束图”。

17操作步骤15:
(1)操作目的:在卫星通信对地面用户的捕获、跟踪、通信等整个过程中掌握雨衰干扰对通信的影响和抗雨衰干扰技术。3-3环节,完成“抗雨衰干扰设计任务”,首先配置雨衰参数,包括“雨衰距离”和“雨衰类型”。之后完成“雨天(有雨衰)情形的地面天线发射EIRP”设计。
(2)操作过程:本交互性操作步骤共分为4步,具体如下:
1)点击“抗雨衰干扰任务”。配置“雨衰距离”和“雨衰种类”,点击“应用”。

2)观察雨天(有雨衰)情形的通信效果演示,并根据当前通信链路参数和雨衰损耗,调整“地面发射天线EIRP”以消除雨衰对通信的影响。点击“EIRP验证”。


3)如遇问题,可点击界面中的“问号”或“知识提示”,学习相关知识。如果点击“EIRP自动生成”,系统可自动根据链路参数计算EIRP,但是此项得分变为满分的20%。

4)观察调整“地面发射天线EIRP”后的通信效果,如果是多用户通信,可以在不同用户间进行切换。点击“提交结果”或者“重新配置参数”。

(3) 操作结果
3-3环节“抗雨衰干扰设计”的“抗雨衰干扰任务”中,系统根据用户配置的“雨衰距离”和“雨衰种类”进行通信,界面中实时通信信号的“星座图”、“眼图”、“音频波形”反映了当前雨衰情况下通信恶化情况。

当重新设计“雨天(有雨衰)情形的地面天线发射EIRP”后,系统在新的链路参数下进行工作。界面中实时通信信号的“星座图”、“眼图”、“音频波形”可反应当前通信质量的改善情况。
18实验报告生成与提交
在主界面点击“实验报告”按钮,生成实验报告,并提交报告。
