衛(wèi)星廣播的虛擬課堂系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

牟 杰 陳永健


西安交通大學(xué)電子與信息學(xué)院通信工程系 西安710032


　　摘 要 本文介紹的是基于衛(wèi)星廣播的虛擬課堂系統(tǒng)。在互聯(lián)網(wǎng)接入帶寬受限的前提下，為了滿(mǎn)足點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)傳送大量數(shù)據(jù)的需要，采用IP衛(wèi)星廣播方式傳送多媒體課件。本系統(tǒng)主要針對(duì)師資力量薄弱，教學(xué)水平低下的偏遠(yuǎn)山區(qū)，實(shí)現(xiàn)了把名校名師授課的真實(shí)課堂通過(guò)衛(wèi)星廣播的方式傳輸?shù)叫l(wèi)星所覆蓋的任何區(qū)域，使接收端可以很方便快捷的接收到遠(yuǎn)程授課端的真實(shí)而系統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程，重現(xiàn)了一個(gè)虛擬課堂。對(duì)于提高教學(xué)質(zhì)量，師資力量，促進(jìn)遠(yuǎn)程教育的發(fā)展有著重大而深遠(yuǎn)的意義。


　　關(guān)鍵詞 遠(yuǎn)程教育 衛(wèi)星廣播 虛擬課堂 DVB（Data Video Broadcast）


　　1 遠(yuǎn)程教育概述


　　在我國(guó)，提高教育現(xiàn)代化、信息化水平，大力發(fā)展現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育是《面向21世紀(jì)教育振興計(jì)劃》的重要內(nèi)容。利用國(guó)家數(shù)字網(wǎng)、語(yǔ)言網(wǎng)以及視頻網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程教育，又是窮國(guó)辦大教育的戰(zhàn)略性措施。從中央到地方政府，都非常重視遠(yuǎn)程教育。


　　遠(yuǎn)程教育（Distance Education）是指作為與傳統(tǒng)面授教育相對(duì)的教、學(xué)雙方在時(shí)空、地域上分離，通過(guò)技術(shù)媒體來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)的一種新的教育形式的總稱(chēng)。遠(yuǎn)程教育的發(fā)展可以追溯到19世紀(jì)50年代，先后經(jīng)歷了函授教育，廣播電視教育，錄像帶以及有線電視授課等形式，發(fā)展到20世紀(jì)隨著信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的新的遠(yuǎn)程教育形式，它將面授、廣播、電視教育各自的優(yōu)勢(shì)集于一身,融文本、音頻、視頻信息傳播媒介為一體。計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)、計(jì)算機(jī)模擬以及其他通過(guò)計(jì)算機(jī)磁盤(pán)、光盤(pán)和互連網(wǎng)等途徑的電子資源進(jìn)一步表現(xiàn)出這一代遠(yuǎn)程教育的特征。這一代遠(yuǎn)程教育技術(shù)同以前相比，進(jìn)行交換的信息數(shù)量和種類(lèi)顯著增加，需要的時(shí)間變得更短，它減少了遠(yuǎn)程教育對(duì)時(shí)間和空間的依賴(lài)性，可在不同的時(shí)間和空間下，創(chuàng)造一個(gè)虛擬課堂環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)傳播科學(xué)信息、推行教學(xué)計(jì)劃、實(shí)施教學(xué)環(huán)節(jié)，達(dá)到培養(yǎng)造就科學(xué)人才的目的。


　　2 基于衛(wèi)星廣播的遠(yuǎn)程教育


　　對(duì)于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)和貧困山區(qū)，發(fā)展遠(yuǎn)程教育相對(duì)投資少、見(jiàn)效快的辦法就是建立衛(wèi)星地面接收站，運(yùn)用數(shù)字衛(wèi)星接收站設(shè)備接收及利用教育信息資源。衛(wèi)星網(wǎng)與中國(guó)教育科研網(wǎng)連接，標(biāo)志著我國(guó)遠(yuǎn)程教育步入一個(gè)天地網(wǎng)合一，遠(yuǎn)程的雙向的新階段，是一個(gè)非常適合我國(guó)發(fā)展遠(yuǎn)程教育的捷徑。利用衛(wèi)星廣播進(jìn)行遠(yuǎn)程教育的形式被廣泛應(yīng)用在學(xué)校教育和企業(yè)內(nèi)教育上，其特點(diǎn)是在發(fā)送端設(shè)立播出端，在接收端設(shè)立小型天線和衛(wèi)星接收機(jī)，這樣在全國(guó)的任何地方都能接收到課件信息。


　　衛(wèi)星廣播與其他通信方式相比,具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)在：


　�。�1）通信距離遠(yuǎn)且費(fèi)用與通信距離無(wú)關(guān)，這一特點(diǎn)適合我國(guó)的山區(qū)教育；


　　（2）工作頻帶寬、通信容量大，適用于多種業(yè)務(wù)傳輸，尤其適用于多媒體課件的教學(xué)；


　�。�3）通信線路穩(wěn)定可靠，通信質(zhì)量高；


　�。�4）以廣播方式工作，具有大面積覆蓋能力，可實(shí)現(xiàn)多址通信和信道的按需分配；


　�。�5）可以自發(fā)自收進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用衛(wèi)星進(jìn)行的遠(yuǎn)程教學(xué)系統(tǒng)，與其他模式的遠(yuǎn)程教學(xué)模式相比，突出的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在圖像發(fā)送和實(shí)時(shí)性方面并且成本低廉，使用者越多越經(jīng)濟(jì)。


　　3 基于衛(wèi)星廣播的虛擬課堂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)


　　3.1 系統(tǒng)描述


　　針對(duì)中國(guó)偏遠(yuǎn)山區(qū)師資力量薄弱，教學(xué)體制不建全，質(zhì)量低下的情況，本論文提出了基于衛(wèi)星廣播的虛擬課堂系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了把名校名師授課的真實(shí)課堂通過(guò)衛(wèi)星廣播的方式傳輸?shù)叫l(wèi)星所覆蓋的任何區(qū)域。該系統(tǒng)利用一定的硬件平臺(tái)和軟件技術(shù)，通過(guò)錄制課件，播出課件，接收課件，播放課件幾個(gè)過(guò)程，就可以收看異地課堂完整的授課信息，把一個(gè)真實(shí)的課堂虛擬映射到所有的接收端。


　　3.2 組成模塊


　　該系統(tǒng)主要分5部分組成：課件制作端負(fù)責(zé)課件的錄制與加密；播出機(jī)和ftp服務(wù)器構(gòu)成的播出端負(fù)責(zé)課件的編碼調(diào)制，發(fā)送上星；接收端授課機(jī)負(fù)責(zé)接收，管理，播放課件；輔助模塊：授課機(jī)管理與遠(yuǎn)程授權(quán)；授權(quán)計(jì)算Web接入。下面分別介紹各個(gè)模塊的功能：


　　3.2.1 課件制作端


　　本系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集的授課信息作為課件源。具體過(guò)程是在一個(gè)多媒體課堂的授課過(guò)程中，將授課信息，其中包括授課教案，老師講解的視音頻信息等通過(guò)攝像頭和MPEG-4視頻采集卡實(shí)時(shí)錄制下來(lái)，同步合并直接生成課件。這種生成課件的方法簡(jiǎn)單快捷，對(duì)于硬件設(shè)備，場(chǎng)所的要求都很簡(jiǎn)單，而生成的課件的質(zhì)量也很不錯(cuò)。然后將錄制好的課件，進(jìn)行剪輯和審核，最后加密課件，采用FTP協(xié)議上傳課件到播出端的FTP服務(wù)器。同時(shí)課件制作端還負(fù)責(zé)制定播出計(jì)劃，通過(guò)Internet將播出計(jì)劃傳遞給播出機(jī)。整個(gè)制作過(guò)程在一天內(nèi)完成。


　　3.2.2 播出機(jī)


　　定時(shí)檢查FTP服務(wù)器上的新課件，并下載到播出機(jī)本地硬盤(pán)播出。授權(quán)播出機(jī)從FTP服務(wù)器檢查新授權(quán)，并下載到本地，然后對(duì)外播出用戶(hù)授權(quán)碼。播出機(jī)按照制作端設(shè)定的播出計(jì)劃定時(shí)播出課件。


　　3.2.3 客戶(hù)授課機(jī)（接收端）


　　分為基本授課機(jī)和點(diǎn)播授課機(jī)。兩種授課機(jī)都具備的功能是：接收課件，本地存盤(pán)，播放課件。每個(gè)授課機(jī)均有一個(gè)“軟件狗”，用于記錄授課機(jī)的接收權(quán)限。其中點(diǎn)播授課機(jī)可以通過(guò)Internet進(jìn)行個(gè)性化的課件點(diǎn)播。


　　3.2.4 Web接入服務(wù)器


　　主要提供授權(quán)計(jì)算，課件加密，用戶(hù)管理，客戶(hù)端授課機(jī)續(xù)買(mǎi)課件費(fèi)用等。


　　3.2.5 用戶(hù)管理


　　管理終端授課機(jī)及其用戶(hù)信息的解密密碼，同時(shí)管理課件加密的系統(tǒng)密碼。與之配套使用的數(shù)據(jù)庫(kù)為Microsoft SQL 2000。


　　3.3 系統(tǒng)功能


　　課件制作端通過(guò)攝像頭和視頻采集卡將多媒體課堂的授課信息實(shí)時(shí)采集下來(lái)，制作成課件，通過(guò)FTP協(xié)議將課件上傳到播出服務(wù)端的FTP服務(wù)器上；播出準(zhǔn)備程序定時(shí)從該FTP服務(wù)器下載新的課件到本地播出機(jī)，并進(jìn)行預(yù)編碼。播出機(jī)按照制定好的播出計(jì)劃，循環(huán)播出課件，將課件以IP包形式穩(wěn)定地發(fā)送到播出網(wǎng)關(guān)。播出網(wǎng)關(guān)把IP數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制后，轉(zhuǎn)換為DVB數(shù)據(jù)流通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送到鑫諾一號(hào)衛(wèi)星，接收端通過(guò)接收天線，根據(jù)授權(quán)信息（授權(quán)播出機(jī)定時(shí)檢查新授權(quán)并播出用戶(hù)授權(quán)碼）接收衛(wèi)星廣播數(shù)據(jù)，利用DVB接收卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的還原和保存，再利用本系統(tǒng)特定的播放軟件就可以直接收看授課信息了。由于本系統(tǒng)采用的是基于文件的傳輸格式，所以必須要等到課件完整下載之后才能播放，在授課端，輔導(dǎo)老師采用本系統(tǒng)所提供的軟件可以管理，搜索，播放課件，重現(xiàn)整個(gè)授課過(guò)程，具有虛擬的真實(shí)性。該軟件提供了很友好的用戶(hù)界面，方便輔導(dǎo)老師按照年級(jí)、課別、星期等信息選擇課件，采用遍歷定位的方法方便快捷地查找并播放課件。一方面通過(guò)課件中錄制的優(yōu)秀教師的授課信息來(lái)給同學(xué)們傳授知識(shí)，以提高教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)還可以對(duì)教師進(jìn)行培訓(xùn)，讓他們學(xué)習(xí)優(yōu)秀教師的講課方法，以提高師資力量。由于接收端的硬盤(pán)容量有限，所以接收端需要自動(dòng)整理硬盤(pán)空間，刪除老課件。刪除原則采用FIFO（先進(jìn)先出）原則和必要時(shí)刪除原則。另外相對(duì)網(wǎng)絡(luò)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)可以利用點(diǎn)播授課機(jī)通過(guò)Internet進(jìn)行個(gè)性化的課件點(diǎn)播。


　　3.4 硬件平臺(tái)


　　3.4.1 課件制作端


　　PC機(jī)，攝像頭，MPEG-4視頻采集卡，及其配套的多媒體教室。


　　3.4.2 播出端


　　播出機(jī)，F(xiàn)TP服務(wù)器，DVB/IP封裝器，播出網(wǎng)關(guān)，及其配套發(fā)射設(shè)備。


　　3.4.3 傳輸信道


　　該系統(tǒng)的傳輸信道分為兩個(gè)部分：天網(wǎng)（衛(wèi)星方式）和地網(wǎng)（Internet方式）。其中天網(wǎng)負(fù)責(zé)課件的播出，接收。地網(wǎng)主要負(fù)責(zé)課件的準(zhǔn)備，以及課件點(diǎn)播等附加服務(wù)。


　　3.4.4 授課機(jī)（接收端）


　　包括接收天線，專(zhuān)業(yè)授課機(jī)，多媒體顯示器。


　　3.5 軟件技術(shù)


　　3.5.1 課件制作平臺(tái)


　　在多媒體教室的授課過(guò)程中，通過(guò)攝像頭將老師講課過(guò)程錄制下來(lái)，采集壓縮成一路視頻流，老師授課的音頻信息通過(guò)麥克風(fēng)輸入計(jì)算機(jī)，利用聲卡壓縮成一路音頻數(shù)據(jù)，另外筆記本電腦上的授課教案一方面通過(guò)投影儀投影到黑板上供當(dāng)場(chǎng)的學(xué)生學(xué)習(xí)，另一方面通過(guò)軟件處理，采集壓縮成一路教案數(shù)據(jù)。然后課件制作端將這三路數(shù)據(jù)同步合并，生成課件文件，再進(jìn)行校對(duì)審核。


　　3.5.2 文件上傳平臺(tái)


　　采用FTP方式，利用FTP協(xié)議上傳課件到FTP課件服務(wù)器。


　　3.5.3 課件播出平臺(tái)


　　定期從FTP下載新課件，進(jìn)行預(yù)編碼。DVB/IP封裝器根據(jù)DVB 傳輸?shù)母袷綄�IP數(shù)據(jù)封裝成DVB傳輸數(shù)據(jù)流后傳輸出去，發(fā)送給DVB-S 播出卡，由播出卡繼續(xù)完成數(shù)據(jù)的上星操作。這時(shí)數(shù)據(jù)流可直接進(jìn)行QPSK調(diào)制，在衛(wèi)星鏈路上傳輸，對(duì)于傳送的數(shù)據(jù)包采用一定的處理以增加信號(hào)對(duì)誤碼的抵抗能力并使其適應(yīng)通道傳輸特性。這些處理包括：用偽隨機(jī)序列使數(shù)據(jù)隨機(jī)化，用里德-索羅門(mén)編碼RS及卷積交織編碼等技術(shù)增強(qiáng)信道抗干擾性。


　　3.5.4 課件接收平臺(tái)


　　授課機(jī)由以下模塊組成：DVB-S接收卡驅(qū)動(dòng)、課件接收程序、解密驅(qū)動(dòng)、課件管理、課件播放等。本地的授課機(jī)分為兩種類(lèi)型：點(diǎn)播授課機(jī)和基本授課機(jī)�；�本授課機(jī)能接收授權(quán)設(shè)定的課件，并在本地硬盤(pán)保存一定數(shù)量的課件，利用專(zhuān)用軟件播放接收到的課件。點(diǎn)播授課機(jī)除基本授課機(jī)的功能，還能夠通過(guò)Internet，主動(dòng)點(diǎn)播課件，提供可靠的文件傳輸。基本授課機(jī)采用Linux操作系統(tǒng)，選用Linux操作系統(tǒng)主要是因?yàn)樗�穩(wěn)定且成本低，可以做到免維護(hù)，以滿(mǎn)足授課機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不用關(guān)機(jī)，始終保持在可以隨時(shí)接收課件的狀態(tài)，以方便最快的接收到最新的課件信息。點(diǎn)播授課機(jī)使用Microsoft Window 2000 Pro操作系統(tǒng)。


　　本模塊包含DVB-S接收卡的Linux驅(qū)動(dòng)，文件接收驅(qū)動(dòng)及其上層管理程序。接收管理軟件需要提供用戶(hù)設(shè)定衛(wèi)星接收參數(shù)，調(diào)臺(tái)，測(cè)試信號(hào)強(qiáng)度的界面及其實(shí)現(xiàn)。


　　·接收管理模塊：從“軟件狗”獲取用戶(hù)的接收權(quán)限，并提供一個(gè)允許用戶(hù)在此基礎(chǔ)上再次縮小接收范圍的設(shè)置界面。


　　·接收模塊：接收電子節(jié)目單，并根據(jù)“軟件狗”提示的接收權(quán)限及用戶(hù)設(shè)定的條件，啟動(dòng)文件接收并存盤(pán)。


　　接收平臺(tái)提供了友好的用戶(hù)界面，讓用戶(hù)可以很方便的選擇課件，播放課件，可以按照年級(jí)，星期，課別等信息來(lái)選擇課件，使課件信息一目了然，為搜索課件，管理課件提供非常快捷簡(jiǎn)單的方法。


　　3.5.5 Web接入服務(wù)器


　　主要提供授權(quán)計(jì)算、課件加密和用戶(hù)管理。采用HTTP協(xié)議接入，采用XML協(xié)議進(jìn)行封裝，采用SSL協(xié)議進(jìn)行通信。


　　3.5.6 用戶(hù)管理平臺(tái)


　　用戶(hù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL2000數(shù)據(jù)庫(kù)。由于用戶(hù)管理主要對(duì)于授權(quán)密碼等的管理，要求很高的安全性，可靠性和穩(wěn)定性，且SQL數(shù)據(jù)庫(kù)在檢索速度,穩(wěn)定性方面都有很好的表現(xiàn)，所以我們選用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。


　　3.6 系統(tǒng)特點(diǎn)


　　本系統(tǒng)具有易用性，安全性和可擴(kuò)展性，是一個(gè)開(kāi)放性的系統(tǒng)。并有以下一些獨(dú)特功能：


　�。�1）課件制作具有簡(jiǎn)單快捷，實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，并且成本低廉，視頻質(zhì)量很好。


　�。�2）利用衛(wèi)星傳輸，成本低廉，覆蓋面廣，傳輸容量大，通信質(zhì)量高。


　�。�3）播放課件具有實(shí)時(shí)性，只需延遲一天就可收到最新的授課信息，可以把真實(shí)的課堂傳送到任何地方，尤其方便那些偏遠(yuǎn)窮困山區(qū)，可以通過(guò)本系統(tǒng)直接收到重點(diǎn)學(xué)校優(yōu)秀教師的授課信息，有利于提高教學(xué)質(zhì)量，同時(shí)還可以對(duì)偏遠(yuǎn)山區(qū)的學(xué)校老師進(jìn)行培訓(xùn)，讓他們學(xué)習(xí)名校名師的授課方法，有助于提高師資力量，進(jìn)而提高教學(xué)水平。


　�。�4）該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用方便，本授課機(jī)采用免維護(hù)系統(tǒng)，允許長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不關(guān)機(jī)，及時(shí)快捷的收取最新的課件信息。只要求輔導(dǎo)老師基本了解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)，采用本系統(tǒng)提供的應(yīng)用軟件，按照友好的用戶(hù)界面的提示來(lái)操作，可以方便地管理、搜索和播放課件。


　�。�5）支持課件下載搜索，支持本機(jī)交互，可以方便學(xué)員復(fù)習(xí)。


　�。�6）支持課件點(diǎn)播，可以自主選擇需要的課件，滿(mǎn)足個(gè)體需要，有很大的主動(dòng)性。


　　4 結(jié)束語(yǔ)


　　在本論文中結(jié)合衛(wèi)星廣播和遠(yuǎn)程教育，引出虛擬課堂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。充分利用衛(wèi)星的傳輸速度高，覆蓋面廣，傳輸成本低的特點(diǎn)，通過(guò)DVB 數(shù)據(jù)廣播的方式傳輸?shù)浇K端用戶(hù)。有助于提高教育的質(zhì)量和效益，擴(kuò)大受教育人數(shù)，讓缺乏師資地區(qū)的學(xué)生也能享受到名校、名師的教育。同時(shí)，本系統(tǒng)還可以用于農(nóng)村黨員培訓(xùn)。該項(xiàng)目受到教育部、陜西省委以及學(xué)校的高度重視，旨在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)時(shí)化，真實(shí)化。


　　對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)達(dá)的地區(qū)，還可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)主動(dòng)點(diǎn)播課件，按需點(diǎn)播。還可以使用本系統(tǒng)的“姊妹”系統(tǒng)，加入“實(shí)時(shí)課堂”聽(tīng)課，利用教師網(wǎng)上答疑，輔導(dǎo)，測(cè)試等交互功能，使本虛擬課堂系統(tǒng)更加接近真實(shí)課堂。


　　參 考 文 獻(xiàn)


　　[1] 李學(xué)明，李繼，魏芳 .《遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)》[M] . 北京：人民郵電出版社，2000. 11


　　[2] 陳功富，王永建 . 《衛(wèi)星數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)》[M] . 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001


　　[3] David J. Kruglinski著 . 潘愛(ài)民、王國(guó)印譯 . 《Visual C++技術(shù)內(nèi)幕》[M] . 第四版 北京：清華大學(xué)出版社，1999年1月


　　牟 杰，2001年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電信學(xué)院通信專(zhuān)業(yè)獲學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)在西安交通大學(xué)電信學(xué)院通信與信息工程專(zhuān)業(yè)攻讀碩士學(xué)位，研究方向是數(shù)據(jù)廣播通信。


　　陳永健，1995年畢業(yè)于西安交通大學(xué)無(wú)線電專(zhuān)業(yè)獲學(xué)士學(xué)位。現(xiàn)在國(guó)家數(shù)據(jù)廣播工程技術(shù)研究中心從事數(shù)據(jù)廣播的研究開(kāi)發(fā)工作。


　　
----《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》