行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
提昇四技電子系學生衛星通訊實務能力之教育研究(2/3)
計畫類別： 整合型計畫 計畫編號： NSC92-MOE-S-151-001-X3 執行期間： 92 年 01 月 01 日至 92 年 12 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計畫主持人： 蘇德仁 共同主持人： 郭德惠，詹正義，鐘國家，陳華明 計畫參與人員： 盧建余 趙佩如 陳韻竹 李昌祐 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 92 年 11 月 13 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
四技學生在衛星通訊實務能力提昇之教育課程設計與培育研究(2/3)
計畫類別：□個別型計畫 █整合型計畫
計畫編號：NSC 91-MOE-S-151-001-X3
執行期間：90 年 1 月 1 日至 91 年 12 月 31 日
總計畫主持人：蘇 德 仁 教授
執 行 單 位 ： 國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 電 子 系
中文摘要：
本研究之主要目的是針對衛星通訊 工程教育，提出一個提升四技電子工程 系學生衛星通訊實務能力之教育研究， 整合本系師資之教學研究群，透過經驗 交 流 ， 提 升 學 術 研 究 與 實 務 工 作 的 水 準，期能提升我國在衛星通訊科技的水 準。 在總計劃下分為四個子計劃，分三 年進行研究。四個子計劃包括：(1)全球 衛星定位系統實習課程在衛星通訊之培 育研究。(2)微波通訊實習課程在衛星通 訊之培育研究。(3)衛星通訊數位調變與 多重進接課程設計與實驗之培育研究。(4) 射頻微波電路實作能力與模擬分析在衛 星通訊之培育研究。 第一年的執行重點主要是根據各子 計劃之階段目標，訂定衛星通訊實務能 力之基本需求、課程設計與軟體模擬。 第二年則針對各子計劃所撰寫之衛 星通訊課程設計教學單元，並配合中華 衛星一號做相關的通訊電路模組實驗， 並再次評估各實習單元的適用性與難易 度。 第三年逐步完成各子計劃之研究目 標，完成教材與實驗手冊的編纂並進行 試教，最後完成衛星通訊課程教學流程 圖及結案報告，以供其他教學及研究單 位作為衛星通訊課程教學評估改進的參 考。本篇報告為第二年計劃之成果。關鍵詞：
衛星通訊，多重進接，數位調 變，課程設計Abstract
The purpose of this project is to enhance the technical practice abilities in satellite communication for electrical engineering students.
In this main plan there are four subprojects which described respectively as on separated sessions .The study will be carried out by dividing it into a 3-stage plan for 3 years.
The first year aims to set the basic requirements 、 curriculum design and simulations of the satellite communication for each course which is mentioned in each subproject .
The second year, an equally important task is to develop a series of courses to embedded in the experiments .
Every subproject will be approaching to their final destination during the third year .The handbook of experiments and
guidelines of courses will be accomplished. Finally the new problem is to be put to practice and evaluated by the department of electronic engineering in National Koahsiung University of Applied Science. This report is concerned with the schedule for the second stage of the project.
Keyword:
satellite communication ,digital modulation ,multiple access, curriculum design一、緣由與目的：
科技大學是技職體系之高等學府， 以教授學生實用技術並與工業界密切配 合為主，若科技大學畢業生無法學得應 用科學與技術，投身經建行列，則科技 大學教育的目標即未達成。最近行政院 太空科技指導小組審查通過國科會提出 的 我 國 第 二 期 太 空 科 技 十 五 年 發 展 計 劃，以每年二十億新台幣在十五年內完 成三到五項衛星計畫，並以高頻段安全 通訊衛星和高解析度遙測衛星為首要發 展方向。 衛星通訊為一種現代的通訊工具， 並以快速的腳步在世界各地迅速發展。 在過去的二十多年中，衛星通訊由於具 有覆蓋範圍廣、通訊距離遠、傳輸容量 大、通訊質量高、 擴充靈活等優點，得 到了廣泛的應用。尤其在行動通信、電 視直播、緊急通信和現代戰爭中更是大 顯身手。1990 年代以來，隨著數位電路 技術和數位信號處理技術的驚人發展， 衛 星 通 訊 系 統 正 往 數 位 化 方 向 迅 速 邁 進。衛星通訊的應用範圍，已由主要用 於國際通訊擴大到國人通訊、區域通訊 和行動通訊。同時，衛星通訊也面臨著 光纖通訊的強大競爭，這也促使衛星通 訊必須進行不斷革命，必須積極採用新 技術和發展新業務，及進一步提高服務 質量、增加通訊容量和降低通訊費用。 所以需要千千萬萬的研究工作者和技術 人員為此貢獻出心力。本整合型計劃希 望透過衛星通訊實務能力之教育研究的 完成，能培育並提昇四技電子工程系學 生在衛星通訊工程方面更多的人才。 本整合型計劃包括四個子計劃，包 括：全球衛星定位系統、微波通訊實習 課程、衛星通訊數位調變與多重進接之 研究與射頻微波電路實作能力與模擬分 析。透過這些子計劃彼此間有密切整合 與互相合作，以達到訓練學生整合衛星 通訊技術之目的，經由計劃之推動，配 合課程安排及進行，期望四技電子工程 系學生在學習過程中，可以真正具備衛 星通訊之實務人才，以改善並提昇國家 競爭力。二、結果與討論：
子計劃一全球衛星定位系統實習課
程再衛星通訊之培育研究之具體成
果：
本系統中的 GSM 模組中，我們所使用到 的是它的數據模式(Data Mode)，其數據 傳 輸 速 率 最 高 為 9600bps(bits per second)。在微電腦單晶片控制電路擁有 三種操作模式，簡述如下之說明：RT(Real Time)操作模式
RT 是即時(Real Time)模式，使用者 可以在預先設定的時間間隔(Default Time Interval)下，做即時操作模式的處理。此 一 即 時 操 作 模 式 的 功 能 ， 在 機 定 功 能 上，就是將目前使用者（被監控者）的 定位地理資訊傳回，此時本微電腦單晶 片控制電路被機定為 Client 端。當 Server 端 的 電 腦 軟 體 系 統 ， 執 行 輪 詢 功 能 (Polling function) 進 行 主 從 式 交 握 程 序 (Handshake processing)時，Client 端就會 與 Server 端經，經由自動密碼認證過程 加 以 聯 繫 上 。 由 於 Server 端 即 是 一 台 PC，經由連接另一台 GSM 數據機，作為 即時操作模式下，接收被監控的 Client 端之 GPS，就可以即時傳回定位相關資 訊。
RS(Ram Save)操作模式
RS 模式是利用串列的 EEPROM，在 硬體介面接腳方面，因為是以串列的方 式作為儲存，所以讓地址線及資料線大 大的減少，同時實驗訓練器的空間體積 尺寸也可以減少。 本操作模式，其優點只有使用約八 隻腳的接腳數目，就可以有相當大的儲 存空間。在考慮到安全性與機密性的考 量，本操作模式如果只進行資訊儲存， 等待一段時間再進行批次檔案傳輸，則 會提高其安全性與機密性。PC 操作模式
此模式是為了與 RS 模式所儲存之定 位資訊作接收，由電腦構成的主系統， 分別下達指令給由微電腦單晶片在 RS 操 作模式下的的從系統，即可做清除資料 或是回傳從系統裡頭所存的 GPS 定位資 訊。 由於 EEPROM 的寫入速度較慢，所 以在本系統中 RS232 的傳輸速率分為兩 方面： （一）對於電腦及 GSM 的串列傳輸速率 方面，理論上電腦要比 GSM 的串列傳輸 速率要快上好幾倍，但為了要遷就 GSM 最高速率，因而採取 9600 bps 的傳輸速 率。 （二）由於 EEPROM 的存取速度跟不上 9600 bps 的速度，GPS 的速率則必須降為 1200 bps， 對於驅動軟体以及程式的運作，擬 分別採取兩種語言加以進行： （一）在電腦上使用 Visual Basic 語言， 結 合 Visual Basic 語 言 中 有 關 於 串 列 RS232 介面元件，撰寫應用驅動軟体， 如此可以讓電腦端具有從 RS232 埠傳送 接收資料的功能。 （二）單晶片系列的程式碼則是用 Keil C 所寫成的，C 語言寫成的核心程式，以 模組化的方式作為系統程式的積木，採 用 Keil C 後，程式產生的速率大幅度的 提升，且易讀也方便 Debug。 (圖一)為本計畫所使用 GPS 接收器 之結構圖，(圖二)為 GSM 與 GPS 的實体 外觀圖， GSM Modem 是採用 Wavecom 公司出廠的型號為 WMOD2。 (圖一) GPS 之結構圖(圖二) GSM 與 GPS 的實体外觀圖
子計劃二微波通訊實習課程在衛星
通訊之培育研究之具體成果：
目前廣泛使用的商業頻段，如設計 GSM、GPS、Bluetooth、3G、WLAN、 ISM 等頻段所需的平面低姿勢之小型天 線設計上；本計畫以雙頻天線設計為主 的微波通訊微波通訊實習課程，如操作 於 GSM/DCS 雙頻段的平面天線設計與實 習。 此外結合各系統頻帶的天線設計， 如可操作於 GSM/DCS/PCS 行動通訊系 統 上 ， 同 時 結 合 熱 門 的 3G 頻 帶 及 WLAN 2.4GHz (2400 ~ 2484 MHz)無線區 域網路的多頻帶之的平面低姿勢之小型 天線結構設計與實習，在 ISM 頻帶上， 利用 ISM 頻段免費、免持照的好處，因 此 計 畫 中 更 包 括 結 合 2.4 、 5.2 以 及 5.8GHz 三頻帶的平面天線設計與研製實 習。 本計畫微波通訊實習的進行，以專 題製作課程為基礎，循序漸進的分階段 首先以進行天線微波元件參數測量，其 次再整合各種不同頻段的微波發射以及 接收等系統整合電路等。如（圖三）、 （圖四）、（圖五）與（圖六）所示， 分別為雙頻帶低姿勢之天線、不同型式 之小型天線、微帶天線與 SMA 座與微波 發射以及接收設計系統。經由系列化微 波通訊實習課程，建構成不同頻段應用 環境的教育研究實習，藉以提昇學生對 於微波通訊元件與電路系統整合之實務 能力，如下所述： (1)可操作於 GSM 以及 DCS 的雙頻帶平 面低姿勢之天線設計，量測各項天線參 數與特性。 (2) 應 用 GSM/DCS/PCS/UMTS/Bluetooth 的多頻帶平面低姿勢之小型天線設計。 其結構是以能整合目前常用在行動通訊 與無線網路系統為構想，考慮利用堆疊 金屬片開發的新型平面低姿勢之小型天 線設計，研製其相關天線的特性。 (3)研製設計應用於 PCS、3G、WLAN 以 及 HIPERLAN 多頻帶之超寬頻平面低姿 勢之小型天線，比較其天線設計結構之 可行性。 (4) 應 用 於 WLAN/HIPERLAN 操 作 在 2.4/5.2 GHz 雙頻帶的無線網路平面低姿 勢之小型天線。 (5) 設 計 應 用 於 WLAN/HIPERLAN/ISM 操作在 2.4/5.2/5.8 GHz 的三頻帶平面低 姿勢之天線設計。 （圖三）雙頻帶低姿勢之天線（圖四）不同型式之小型天線 （圖五）微帶天線與 SMA 座 （圖六）微波發射以及接收設計系統
子計劃三衛星通訊數位調變與多重
進接課程設計與實驗之研究具體成
果：
(a) 頻 率 區 分 多 重 進 接
(Frequency-Division Multiple Access, FDMA)
實驗模擬：
(1)選取兩個輸入為 sine 波形，信號參數 分別為 Amp=1V Frequency=50Hz 。 Amp=1V Frequency=1Hz 。 (2)經過 DSBSC AM 的雙邊帶調變，將其 輸入的實數信號轉換成複數信號。 (3)經過一個 1Hz 的 bandpass filter 和做離 散轉換，離散轉換主要是做 Z 轉換的動 作，其參數設定為 0 . 5 2396 . 3 1113 . 0 4 4 6 − + Z Z Z 。 (4)將 bandpass filter 和離散轉換的輸出信 號用加法器做相加的動作。 (5)將加法器的輸出再做 bandpass filter 和 離散轉換的動作。 (6)分別將 bandpass filter 和離散轉換的輸 出做 DSBSC AM 的解調動作，將其信號 從複數型態回復成實數型態。 (7)最後將解調後的信號放大-1 和–K 倍 後，再將原始信號和放大信號經過多工 器 後 ， 即 可 得 到 輸 出 波 形 output1 和 output2。 (8)其系統方塊圖與模擬結果如圖(七)、圖 (八)和圖(九)所示。 圖(七) FDMA 系統方塊圖
圖(八)沒有雜訊(AWGN)時的輸出波形
圖(九)有雜訊(AWGN)時的輸出波形
(b) 時 間 區 分 多 重 進 接
(Time-Division Multiple Access, TDMA)
實驗模擬：
(1)選取兩個輸入為 sine 波形，信號參 數分別為 Amp=1V Frequency=0.133Hz。 Amp=1V，Frequency=0.08Hz。 和一個 square 波形輸入，信號參數為 Amp=0.5V，Frequency=0.04Hz。 (2) 設 計 一 個 取 樣 和 擷 取 電 路 (sample and hold)。 (3)經過 DPCM encoder，將輸入信號做差 分 脈 衝 編 碼 調 變 (differential pulse code modulation )的處理。輸出可得量 化編碼的信號。 (4)將三個信號做多工處理後，把所得信 號經過經過 D-TDMA MUX 和 D-TDMA DEMUX 的轉換，再把信號做解多工。 (5)分別將解多工所得的三個信號經過 DPCM decoder，將之前使用差分脈衝編 碼調變的量化信號還原。 (6)將 DPCM decoder 所得的信號和個別 的原來信號做多工的處理後，即可得到 輸 出 波 形 output1 、 output2 和 output3。 (7) 其 系 統 方 塊 圖 與 模 擬 結 果 如 圖 (十)、圖(十一)和圖(十二)所示。 圖(十)TDMA 系統方塊圖圖(十一)沒有雜訊(AWGN)時的輸出波形
圖(十二)有雜訊(AWGN)時的輸出波形
(c) 碼 區 分 多 重 進 接 (Code-Division
Multiple Access, CDMA) 實 驗 模
擬：
(1)選取兩個輸入為 sine 波形，信號參數 分別為 Amp= 0.01V Frequency=50Hz， Amp= 0.01V，Frequency=1Hz。 (2)使用一個脈衝產生器和 vector 做 Time Delay 的動作，並將兩個 sine 波形做多工 處理後放入 vector。 (3)設計一個 FDMA 的多工器，經過 DSB AM 的雙邊帶調變，將三個輸入的實 數 信 號 轉 換 成 複 數 信 號 ， 再 透 過 一 個 Bandpass filter 後用加法器將三個信號做 相加的動作。 (4)設計一個 FDMA 的解多工器，當信號 經過一個 Bandpass filter 後，再透過 DSB AM 的雙邊帶調變，將三個輸入的 複數信號轉換成實數信號後輸出。 (5)將 vector 的輸出經過解多工後，把所 得 的 信 號 放 入 FDMA MUX 和 FDMA DEMUX，之後做多工的動作。 (6)將 Time Delay 和多工器所得的信號做 vector 後，再將所得的信號做解多工即可 得到輸出波形 output 1 和 output 2。 (7) 其 系 統 方 塊 圖 與 模 擬 結 果 如 圖 ( 十 三)、圖(十四)和圖(十五)所示。 圖(十三)CDMA 系統方塊圖圖(十四)沒有雜訊(AWGN)時的輸出 波形 圖(十五)有雜訊(AWGN)時的輸出 波形
子計劃四射頻微波電路實作能力與
模擬分析在衛星通訊之培育研究之
具體成果：
鑒 於 無 線 通 訊 領 域 的 課 程 流 程 如 （圖十六），因此本項計畫將分三年執 行，各年度將進行的主題分別為 第一年：編撰射頻微波電路理論分析與 實驗設計 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 1.8 1.85 1.9 1.95 1HZ Sine 第二年：編撰射頻通訊電路理論分析與 實驗設計 第三年：同時執行前二年所編撰的理論 與實驗課程 在未來各階段中完成資料收集、理 論探討，進行教材之分析與編撰，進行 實驗製作與量測，並以數值模擬軟體來 驗證及分析，本年度編撰本土化的「射 頻通訊電路設計」理論教材及「射頻通 訊電路設計實驗」，使修課同學能了解 振盪器、混頻器、調制器、功率放大器 等理論基礎及實際設計、製作量測與模 擬。 1 本 年 度 計 劃 為 第 二 年 ， 主 要 針 對 「射頻通訊電路」理論教材及「射頻通 訊電路實驗」進行教材之規劃，茲完成 內容如下： 「射頻通訊電路」課程內容重點：1. Network Analysis---S-Parameter and Signal Flow Graph
2. Transistors at Radio Frequency 3. High Gain Amplifiers
4. Noise Theory
5. Low-Noise Amplifiers 6. Broadband Amplifiers 7. High Power Amplifiers 8. Oscillators
9. Microwave Mixers 10. Microwave Multiplier 「射頻通訊電路實驗」課程內容重點： 1. 高頻放大器的設計製作與測量 2. 本地振盪器的設計製作與測量 3. 混頻器設計製作與測量 4. 中頻解調電路設計製作與測量 5. 低雜訊放大器的設計製作與測量 6. 接收電路整合測試 本項實驗包含蝕刻印刷電路板、模 擬軟體(Linecalc、Libra、AutoCad R14、 Designer)操作、網路分析儀使用、訊號 產生器使用、阻抗分析儀使用及頻譜分 析儀操作。 附圖，（圖十七）至（圖十 九）為部分模擬電路及量測的結果。 電磁學 電磁波 天線工程 射頻微波 電路 數值電磁學 電磁理論 射頻微波 電路實驗 微帶天線 微帶天線實驗 射頻通訊 電路設計 射頻通訊 電路實驗 (圖十六)無線通訊領域的課程流程圖 工程數學 電子電路 暨實習
(a) 共射級低雜訊放大器 (b) 共射級電感串聯回授低雜訊放大器 (圖十七) 低雜訊放大器線路 (a) 共射級低雜訊放大器 (b) 共射級電感串聯回授低雜訊放大器 (圖十八) 低雜訊放大器模擬結果 (a) 共射級低雜訊放大器 (b) 共射級電感串聯回授低雜訊放大器 (圖十九) 低雜訊放大器量
三、成果自評：
本整合型計劃，配合相關子計劃之研 究，以強化本系相關的教學、研究設備， 提 昇 本 系 師 、 生 在 此 重 要 方 向 的 實 務 能 力。透過衛星通訊工程教育課程的規劃、 設計與發展，期能在未來帶動並可大幅提 昇我國在衛星科技的水準。 本計畫分三年進行研究，今年為第二年， 各子計劃之具體執行成果分別為：(1)全球 衛星定位系統實習課程在衛星通訊之培育 研究：利用現成 GPS 接收器，整合具 AT- Command 的 GSM 行動通訊模組，完成整 合定位系統與行動通訊的實驗訓練器。(2) 微 波 通 訊 實 習 課 程 在 衛 星 通 訊 之 培 育 研 究：雙頻帶低姿勢之天線、不同型式之小 型天線、微帶天線與 SMA 座與微波發射 以及接收設計系統。(3)衛星通訊數位調變 與多重進接課程設計與實驗之研究：衛星 通訊數位調變與多重進接 FDMA、TDMA 和 CDMA 等課程的規劃、設計與軟體模擬 實驗，並熟悉相關的軟硬體設備操作與使 用。(4)射頻微波電路實作能力與模擬分析 在衛星通訊培育研究：蝕刻印刷電路板、 模擬軟體(Linecalc、Libra、AutoCad R14、 Designer)操作、網路分析儀使用、訊號產 生器使用、阻抗分析儀使用及頻譜分析儀 操作。四、參考文獻：
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