卫星广播的虚拟课堂系统设计与实现

牟 杰 陈永健

西安交通大学电子与信息学院通信工程系 西安710032

　　摘 要 本文介绍的是基于卫星广播的虚拟课堂系统。在互联网接入带宽受限的前提下，为了满足点对多点传送大量数据的需要，采用IP卫星广播方式传送多媒体课件。本系统主要针对师资力量薄弱，教学水平低下的偏远山区，实现了把名校名师授课的真实课堂通过卫星广播的方式传输到卫星所覆盖的任何区域，使接收端可以很方便快捷的接收到远程授课端的真实而系统的教学过程，重现了一个虚拟课堂。对于提高教学质量，师资力量，促进远程教育的发展有着重大而深远的意义。

　　关键词 远程教育 卫星广播 虚拟课堂 DVB（Data Video Broadcast）

　　1 远程教育概述

　　在我国，提高教育现代化、信息化水平，大力发展现代远程教育是《面向21世纪教育振兴计划》的重要内容。利用国家数字网、语言网以及视频网进行远程教育，又是穷国办大教育的战略性措施。从中央到地方政府，都非常重视远程教育。

　　远程教育（Distance Education）是指作为与传统面授教育相对的教、学双方在时空、地域上分离，通过技术媒体来实现教学的一种新的教育形式的总称。远程教育的发展可以追溯到19世纪50年代，先后经历了函授教育，广播电视教育，录像带以及有线电视授课等形式，发展到20世纪随着信息科学技术发展而出现的新的远程教育形式，它将面授、广播、电视教育各自的优势集于一身,融文本、音频、视频信息传播媒介为一体。计算机辅助教学、计算机模拟以及其他通过计算机磁盘、光盘和互连网等途径的电子资源进一步表现出这一代远程教育的特征。这一代远程教育技术同以前相比，进行交换的信息数量和种类显著增加，需要的时间变得更短，它减少了远程教育对时间和空间的依赖性，可在不同的时间和空间下，创造一个虚拟课堂环境，从而实现传播科学信息、推行教学计划、实施教学环节，达到培养造就科学人才的目的。

　　2 基于卫星广播的远程教育

　　对于经济欠发达地区和贫困山区，发展远程教育相对投资少、见效快的办法就是建立卫星地面接收站，运用数字卫星接收站设备接收及利用教育信息资源。卫星网与中国教育科研网连接，标志着我国远程教育步入一个天地网合一，远程的双向的新阶段，是一个非常适合我国发展远程教育的捷径。利用卫星广播进行远程教育的形式被广泛应用在学校教育和企业内教育上，其特点是在发送端设立播出端，在接收端设立小型天线和卫星接收机，这样在全国的任何地方都能接收到课件信息。

　　卫星广播与其他通信方式相比,具有独特的优点，表现在：

　　（1）通信距离远且费用与通信距离无关，这一特点适合我国的山区教育；

　　（2）工作频带宽、通信容量大，适用于多种业务传输，尤其适用于多媒体课件的教学；

　　（3）通信线路稳定可靠，通信质量高；

　　（4）以广播方式工作，具有大面积覆盖能力，可实现多址通信和信道的按需分配；

　　（5）可以自发自收进行监测。利用卫星进行的远程教学系统，与其他模式的远程教学模式相比，突出的优点表现在图像发送和实时性方面并且成本低廉，使用者越多越经济。

　　3 基于卫星广播的虚拟课堂系统的设计与实现

　　3.1 系统描述

　　针对中国偏远山区师资力量薄弱，教学体制不建全，质量低下的情况，本论文提出了基于卫星广播的虚拟课堂系统。该系统主要实现了把名校名师授课的真实课堂通过卫星广播的方式传输到卫星所覆盖的任何区域。该系统利用一定的硬件平台和软件技术，通过录制课件，播出课件，接收课件，播放课件几个过程，就可以收看异地课堂完整的授课信息，把一个真实的课堂虚拟映射到所有的接收端。

　　3.2 组成模块

　　该系统主要分5部分组成：课件制作端负责课件的录制与加密；播出机和ftp服务器构成的播出端负责课件的编码调制，发送上星；接收端授课机负责接收，管理，播放课件；辅助模块：授课机管理与远程授权；授权计算Web接入。下面分别介绍各个模块的功能：

　　3.2.1 课件制作端

　　本系统将实时采集的授课信息作为课件源。具体过程是在一个多媒体课堂的授课过程中，将授课信息，其中包括授课教案，老师讲解的视音频信息等通过摄像头和MPEG-4视频采集卡实时录制下来，同步合并直接生成课件。这种生成课件的方法简单快捷，对于硬件设备，场所的要求都很简单，而生成的课件的质量也很不错。然后将录制好的课件，进行剪辑和审核，最后加密课件，采用FTP协议上传课件到播出端的FTP服务器。同时课件制作端还负责制定播出计划，通过Internet将播出计划传递给播出机。整个制作过程在一天内完成。

　　3.2.2 播出机

　　定时检查FTP服务器上的新课件，并下载到播出机本地硬盘播出。授权播出机从FTP服务器检查新授权，并下载到本地，然后对外播出用户授权码。播出机按照制作端设定的播出计划定时播出课件。

　　3.2.3 客户授课机（接收端）

　　分为基本授课机和点播授课机。两种授课机都具备的功能是：接收课件，本地存盘，播放课件。每个授课机均有一个“软件狗”，用于记录授课机的接收权限。其中点播授课机可以通过Internet进行个性化的课件点播。

　　3.2.4 Web接入服务器

　　主要提供授权计算，课件加密，用户管理，客户端授课机续买课件费用等。

　　3.2.5 用户管理

　　管理终端授课机及其用户信息的解密密码，同时管理课件加密的系统密码。与之配套使用的数据库为Microsoft SQL 2000。

　　3.3 系统功能

　　课件制作端通过摄像头和视频采集卡将多媒体课堂的授课信息实时采集下来，制作成课件，通过FTP协议将课件上传到播出服务端的FTP服务器上；播出准备程序定时从该FTP服务器下载新的课件到本地播出机，并进行预编码。播出机按照制定好的播出计划，循环播出课件，将课件以IP包形式稳定地发送到播出网关。播出网关把IP数据经过编码、调制后，转换为DVB数据流通过发射天线发送到鑫诺一号卫星，接收端通过接收天线，根据授权信息（授权播出机定时检查新授权并播出用户授权码）接收卫星广播数据，利用DVB接收卡进行数据的还原和保存，再利用本系统特定的播放软件就可以直接收看授课信息了。由于本系统采用的是基于文件的传输格式，所以必须要等到课件完整下载之后才能播放，在授课端，辅导老师采用本系统所提供的软件可以管理，搜索，播放课件，重现整个授课过程，具有虚拟的真实性。该软件提供了很友好的用户界面，方便辅导老师按照年级、课别、星期等信息选择课件，采用遍历定位的方法方便快捷地查找并播放课件。一方面通过课件中录制的优秀教师的授课信息来给同学们传授知识，以提高教学质量，同时还可以对教师进行培训，让他们学习优秀教师的讲课方法，以提高师资力量。由于接收端的硬盘容量有限，所以接收端需要自动整理硬盘空间，删除老课件。删除原则采用FIFO（先进先出）原则和必要时删除原则。另外相对网络比较发达的地区可以利用点播授课机通过Internet进行个性化的课件点播。

　　3.4 硬件平台

　　3.4.1 课件制作端

　　PC机，摄像头，MPEG-4视频采集卡，及其配套的多媒体教室。

　　3.4.2 播出端

　　播出机，FTP服务器，DVB/IP封装器，播出网关，及其配套发射设备。

　　3.4.3 传输信道

　　该系统的传输信道分为两个部分：天网（卫星方式）和地网（Internet方式）。其中天网负责课件的播出，接收。地网主要负责课件的准备，以及课件点播等附加服务。

　　3.4.4 授课机（接收端）

　　包括接收天线，专业授课机，多媒体显示器。

　　3.5 软件技术

　　3.5.1 课件制作平台

　　在多媒体教室的授课过程中，通过摄像头将老师讲课过程录制下来，采集压缩成一路视频流，老师授课的音频信息通过麦克风输入计算机，利用声卡压缩成一路音频数据，另外笔记本电脑上的授课教案一方面通过投影仪投影到黑板上供当场的学生学习，另一方面通过软件处理，采集压缩成一路教案数据。然后课件制作端将这三路数据同步合并，生成课件文件，再进行校对审核。

　　3.5.2 文件上传平台

　　采用FTP方式，利用FTP协议上传课件到FTP课件服务器。

　　3.5.3 课件播出平台

　　定期从FTP下载新课件，进行预编码。DVB/IP封装器根据DVB 传输的格式将IP数据封装成DVB传输数据流后传输出去，发送给DVB-S 播出卡，由播出卡继续完成数据的上星操作。这时数据流可直接进行QPSK调制，在卫星链路上传输，对于传送的数据包采用一定的处理以增加信号对误码的抵抗能力并使其适应通道传输特性。这些处理包括：用伪随机序列使数据随机化，用里德-索罗门编码RS及卷积交织编码等技术增强信道抗干扰性。

　　3.5.4 课件接收平台

　　授课机由以下模块组成：DVB-S接收卡驱动、课件接收程序、解密驱动、课件管理、课件播放等。本地的授课机分为两种类型：点播授课机和基本授课机。基本授课机能接收授权设定的课件，并在本地硬盘保存一定数量的课件，利用专用软件播放接收到的课件。点播授课机除基本授课机的功能，还能够通过Internet，主动点播课件，提供可靠的文件传输。基本授课机采用Linux操作系统，选用Linux操作系统主要是因为它稳定且成本低，可以做到免维护，以满足授课机可以长时间运行不用关机，始终保持在可以随时接收课件的状态，以方便最快的接收到最新的课件信息。点播授课机使用Microsoft Window 2000 Pro操作系统。

　　本模块包含DVB-S接收卡的Linux驱动，文件接收驱动及其上层管理程序。接收管理软件需要提供用户设定卫星接收参数，调台，测试信号强度的界面及其实现。

　　·接收管理模块：从“软件狗”获取用户的接收权限，并提供一个允许用户在此基础上再次缩小接收范围的设置界面。

　　·接收模块：接收电子节目单，并根据“软件狗”提示的接收权限及用户设定的条件，启动文件接收并存盘。

　　接收平台提供了友好的用户界面，让用户可以很方便的选择课件，播放课件，可以按照年级，星期，课别等信息来选择课件，使课件信息一目了然，为搜索课件，管理课件提供非常快捷简单的方法。

　　3.5.5 Web接入服务器

　　主要提供授权计算、课件加密和用户管理。采用HTTP协议接入，采用XML协议进行封装，采用SSL协议进行通信。

　　3.5.6 用户管理平台

　　用户管理数据库采用Microsoft SQL2000数据库。由于用户管理主要对于授权密码等的管理，要求很高的安全性，可靠性和稳定性，且SQL数据库在检索速度,稳定性方面都有很好的表现，所以我们选用SQL数据库。

　　3.6 系统特点

　　本系统具有易用性，安全性和可扩展性，是一个开放性的系统。并有以下一些独特功能：

　　（1）课件制作具有简单快捷，实时性的特点，并且成本低廉，视频质量很好。

　　（2）利用卫星传输，成本低廉，覆盖面广，传输容量大，通信质量高。

　　（3）播放课件具有实时性，只需延迟一天就可收到最新的授课信息，可以把真实的课堂传送到任何地方，尤其方便那些偏远穷困山区，可以通过本系统直接收到重点学校优秀教师的授课信息，有利于提高教学质量，同时还可以对偏远山区的学校老师进行培训，让他们学习名校名师的授课方法，有助于提高师资力量，进而提高教学水平。

　　（4）该系统操作简单，使用方便，本授课机采用免维护系统，允许长时间运行不关机，及时快捷的收取最新的课件信息。只要求辅导老师基本了解计算机基础知识，采用本系统提供的应用软件，按照友好的用户界面的提示来操作，可以方便地管理、搜索和播放课件。

　　（5）支持课件下载搜索，支持本机交互，可以方便学员复习。

　　（6）支持课件点播，可以自主选择需要的课件，满足个体需要，有很大的主动性。

　　4 结束语

　　在本论文中结合卫星广播和远程教育，引出虚拟课堂系统的设计和实现。充分利用卫星的传输速度高，覆盖面广，传输成本低的特点，通过DVB 数据广播的方式传输到终端用户。有助于提高教育的质量和效益，扩大受教育人数，让缺乏师资地区的学生也能享受到名校、名师的教育。同时，本系统还可以用于农村党员培训。该项目受到教育部、陕西省委以及学校的高度重视，旨在实现远程教育的网络化，实时化，真实化。

　　对于互联网发达的地区，还可以通过互联网主动点播课件，按需点播。还可以使用本系统的“姊妹”系统，加入“实时课堂”听课，利用教师网上答疑，辅导，测试等交互功能，使本虚拟课堂系统更加接近真实课堂。

　　参 考 文 献

　　[1] 李学明，李继，魏芳 .《远程教育系统及其实现》[M] . 北京：人民邮电出版社，2000. 11

　　[2] 陈功富，王永建 . 《卫星数字通信网络技术》[M] . 哈尔滨工业大学出版社，2001

　　[3] David J. Kruglinski著 . 潘爱民、王国印译 . 《Visual C++技术内幕》[M] . 第四版 北京：清华大学出版社，1999年1月

　　牟 杰，2001年毕业于西安交通大学电信学院通信专业获学士学位,现在西安交通大学电信学院通信与信息工程专业攻读硕士学位，研究方向是数据广播通信。

　　陈永健，1995年毕业于西安交通大学无线电专业获学士学位。现在国家数据广播工程技术研究中心从事数据广播的研究开发工作。
----《中国数据通信》