НЕДОРОГОЙ ПРИЕМНИК ДЛЯ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
LOW-COST RECEIVER FOR MILLIMETER FREQUENCY RANGE AND METHOD FOR ITS OPERATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001] Настоящее изобретение относится к системам и способам для приема и обработки модулированных цифровых сигналов и, в частности, к недорогой системе и способу малозатратной обработки таких модулированных цифровых сигналов.
[002] Системы спутниковой связи хорошо известны. Такая связь традиционно осуществляется в L-диапазоне (1-2 ГГц), S-диапазоне (2-4 ГГц), С-диапазоне (4-8 ГГц), X-диапазоне (8-12 ГГц), Ku-диапазоне (12-18 ГГц), K-диапазоне (18-26 ГГц) и Ka-диапазоне (26-40 ГГц).
[003] Недавно Федеральная комиссия по связи (Federal Communications Commission, FCC) выделила для такой связи миллиметровые диапазоны частот, включая Q-диапазон (33-50 ГГц), V-диапазон (40-75 ГГц) и W-диапазон (75-110 ГГц). В частности, предлагается передать часть Q-диапазона (в частности, 37-42 ГГц) для передач со спутников, часть V-диапазона (в частности, 42,5-51,4 ГГц) для передач на спутники, а другую часть V-диапазона (в частности 59-63 ГГц) для межспутниковых передач со спутника на спутник. Кроме того, было предложено осуществлять связь в Е-диапазоне (охватывающем W-диапазон и V-диапазон), в частности 71-76 ГГц для передач со спутников и 81-86 ГГц для передач на спутники.
[004] В настоящее время в данной области техники существует потребность в системах и способах, которые позволяют использовать такие частотные диапазоны с небольшими затратами и с минимальными изменениями в существующих спутниковых системах. Такая система и способ раскрыты ниже.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[005] В настоящем документе раскрыты система и способ обработки первого сигнала в первом частотном диапазоне, имеющем первую ширину полосы, посредством цифрового процессора во втором частотном диапазоне, имеющем ширину полосы цифрового процессора, величина которой меньше первой ширины полосы, для выработки второго сигнала в третьем частотном диапазоне, имеющем первую ширину полосы. В одном варианте реализации изобретения способ включает: прием первого сигнала, преобразование первого сигнала с первой шириной полосы с переносом в промежуточный частотный диапазон, деление преобразованного первого сигнала на N промежуточных сигналов, каждый из которых имеет ширину полосы, которая меньше ширины полосы цифрового процессора, где N - целое число больше единицы, преобразование с понижением частоты каждого из N промежуточных сигналов с ее переносом во второй частотный диапазон, обработку цифровым процессором множества преобразованных сигналов пониженной частоты для выработки N обработанных сигналов, преобразование с повышением частоты каждого из N обработанных сигналов с ее переносом в промежуточный частотный диапазон, преобразование сигналов, преобразованных с повышением частоты, с ее переносом в третий частотный диапазон и передачу преобразованных сигналов. Еще один вариант реализации изобретения может быть реализован средствами для выполнения вышеуказанных операций, как описано ниже.
[006] Еще в одном варианте реализации изобретения раскрыто устройство, которое содержит: единый приемный блок для приема первого сигнала и содержащий единый преобразователь, соединенный с возможностью обмена данными с приемным блоком и выполненный с возможностью преобразования первого сигнала с первой шириной полосы с переносом в промежуточный частотный диапазон, делитель, соединенный с возможностью обмена данными с преобразователем и выполненный с возможностью деления преобразованного первого сигнала на N промежуточных сигналов, каждый из которых имеет ширину полосы, которая меньше ширины полосы цифрового процессора, где N - целое число больше единицы, N понижающих преобразователей частоты, каждый из которых соединен с возможностью обмена данными с делителем и каждый из которых выполнен для преобразования с понижением частоты соответствующего сигнала из N промежуточных сигналов с ее переносом во второй частотный диапазон, блок цифровой обработки для обработки цифровым процессором множества преобразованных сигналов пониженной частоты для выработки N обработанных сигналов, N повышающих преобразователей частоты, каждый из которых соединен с возможностью обмена данными с соответствующим одним из N обработанных сигналов с переносом во второй частотный диапазон, смеситель, соединенный с возможностью обмена данными с каждым из N повышающих преобразователей частоты, для комбинирования обработанных N сигналов, преобразованных с повышением частоты, повышающий преобразователь частоты, соединенный с возможностью обмена данными со смесителем, для преобразования комбинированных N сигналов, преобразованных с повышением частоты, с ее переносом в третий частотный диапазон и передатчик для передачи преобразованных сигналов. Еще один вариант реализации изобретения может быть реализован устройством, имеющим процессор, и соединенным с возможностью обмена данными с запоминающим устройством, хранящим инструкции для процессора для выполнения вышеуказанных операций.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[007] На чертежах одинаковые ссылочные номера обозначают соответствующие части, при этом:
[008] на ФИГ. 1 показан приемопередатчик, который может быть использован при работе со спутниками;
[009] на ФИГ. 2 показан приемопередатчик, модифицированный для приема и передач сигналов в более широкой полосе частот, чем приемопередатчик, показанный на ФИГ. 1;
[0010] на ФИГ. 3 показан усовершенствованный широкополосный приемопередатчик;
[0011] на ФИГ. 4 схематично представлены примеры операций, которые могут быть использованы для приема и обработки широкополосных сигналов;
[0012] на ФИГ. 5 показана приведенная в качестве примера схема распределения частот для широкополосного приемопередатчика;
[0013] на ФИГ. 6 показана еще одна приведенная в качестве примера схема распределения частот для широкополосного приемопередатчика;
[0014] на ФИГ. 7 показаны паразитные составляющие, образуемые в процессе преобразования с понижением частоты и ее переносом из V-диапазона в Ka-диапазон;
[0015] на ФИГ. 8А-8Е показано образование паразитных составляющих в процессе преобразования с понижением частоты и ее переносом из Ka-диапазона в L-диапазон;
[0016] на ФИГ. 9А-9Е показано образование паразитных составляющих в процессе преобразования с повышением частоты и ее переносом из L-диапазона в Ka-диапазон;
[0017] на ФИГ. 10 показано образование паразитных составляющих в процессе преобразования с повышением частоты и ее переносом из Ka-диапазона в Q-диапазон; и
[0018] на ФИГ. 11 показана приведенная в качестве примера компьютерная система, которая может быть использована для реализации раскрытых выше рабочих элементов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0019] В приведенном ниже описании даны ссылки на прилагаемые чертежи, которые являются частью настоящего описания и на которых в иллюстративных целях показаны некоторые варианты реализации. Следует понимать, что могут быть использованы другие варианты реализации и могут быть выполнены конструктивные изменения без выхода за пределы объема настоящего изобретения.
Обзор
[0020] На ФИГ. 1 показан приемопередатчик 100, который может быть использован при работе со спутниками. Приемопередатчик 100 включает в себя приемный блок 102, соединенный с возможностью обмена данными с блоком 104 цифровой обработки, который также соединен с возможностью обмена данными с передающим блоком 106.
[0021] Блок 102 приемника соединен с приемной антенной 108 для регистрации принимаемого сигнала 105R от другого приемопередатчика 100', такого как спутник 100А', наземный приемопередатчик 100В' или наземная станция 100С'. Зарегистрированный сигнал усиливают малошумящим усилителем (МШУ) 110 и подают на понижающий преобразователь 112 частоты радиочастотного диапазона. Понижающий преобразователь 112 преобразует усиленный сигнал, принятый от МШУ 110, с понижением частоты в сигнал 114 пониженной частоты (например, в L-диапазоне). Преобразованный сигнал 114 пониженной частоты дискретизируют цифровыми средствами и преобразуют в цифровую форму аналого-цифровым (АЦП) преобразователем 116, и полученный цифровой сигнал 118 подают в устройство 120 выбора полосы частот/цифровой процессор.
[0022] Цифровое устройство 120 выбора полосы частот выполняет операции с сигналом пониженной частоты, преобразованном цифровым образом, для выработки цифрового обработанного сигнала 122, который цифро-аналоговым (ЦАП) преобразователем 124 преобразуют в аналоговый обработанный сигнал 126. Аналоговый обработанный сигнал преобразуют повышающим радиочастотным преобразователем 128 с повышением частоты, усиливают усилителем 132, таким как усилитель на лампе бегущей волны (усилитель на ЛБВ) или твердотельный усилитель мощности, и подают на передающую антенну 134 для выработки сигнала 105Т, передаваемого на один или более других приемопередатчиков 100'.
[0023] Согласно хорошо известным критериям Найквиста, аналого-цифровой преобразователь 116 должен дискретизировать преобразованный сигнал пониженной частоты с частотой, по меньшей мере в два раза превышающей ширину полосы самого преобразованного сигнала пониженной частоты, для предотвращения наложения спектров. На практике частота дискретизации еще выше, поскольку необходимо учитывать несовершенство фильтров защиты от наложения спектров, которые могут вызывать фазовое искажение, если отсечки частоты происходят слишком резко. Соответственно, операции, выполняемые блоком 120 цифровой обработки, должны выполняться с частотой, по меньшей мере вдвое превышающей ширину полосы преобразованного сигнала 114 пониженной частоты. Были созданы блоки 120 цифровой обработки, способные обрабатывать сигналы с этими высокими частотами. Такие блоки 120 цифровой обработки требуют больших затрат при проектировании и производстве. При обычной работе со спутниками первый сигнал 108 является сигналом 500 МГц в L-диапазоне, а преобразованный сигнал 114 пониженной частоты является сигналом с шириной полосы 500 МГц в L-диапазоне. Соответственно, были разработаны и существуют блоки 120 цифровой обработки, способные обрабатывать сигналы этой полосы частот.
[0024] Как описано выше, для такой связи стали доступными другие частотные диапазоны, в том числе Q-диапазон (33-50 ГГц), V-диапазон (40-75 ГГц) и W-диапазон (75-110 ГГц). Чтобы использовать такую широкую полосу пропускания без затрат на разработку новых блоков цифровой обработки, способных обрабатывать такие полосы пропускания, ширина полосы должна быть уменьшена до блоков меньшей величины (например, 500 МГц).
[0025] На ФИГ. 2 показан модифицированный приемопередатчик 200. Приемопередатчик 200 был модифицирован так, чтобы включать в себя множество приемных блоков 102A-102N и множество передающих блоков 106A-106N. Каждый приемный блок 102-102N отвечает за прием отличающейся части полосы частот принимаемого сигнала 105RA-105RN и выдачу сигнала с шириной полосы 500 МГц в L-диапазоне в блок 104 цифровой обработки. Каждый передающий блок 106A-106N принимает сигнал 126A-126N с шириной полосы 500 МГц в L-диапазоне от блока 104 цифровой обработки и вырабатывает и передает соответствующий сигнал 105TA-105TN передачи в соответствующей части спектра.
[0026] Недостаток модифицированного приемопередатчика 200, показанного на ФИГ. 5, заключается в том, что как приемные блоки 102A-102N, так и передающие блоки 106А-106N являются дорогими и сложными для производства. Поскольку эти устройства должны работать в миллиметровых частотных диапазонах (например, Q-диапазоне, V-диапазоне и W-диапазоне), эти устройства включают в себя волноводы очень малого размера, которые должны быть изготовлены с очень жесткими допусками. Соответственно, модифицированный приемопередатчик 200 может принимать и передавать сигнал в указанных новых доступных частотных диапазонах, однако эта способность требует больших затрат.
[0027] На ФИГ. 3 показан усовершенствованный широкополосный приемопередатчик 300. Этот усовершенствованный широкополосный приемопередатчик (в дальнейшем просто называемый приемопередатчиком 300) содержит приемный блок 302 и передающий блок 306, каждый из которых был модифицирован для приема и передач сигналов в более высоких частотных диапазонах, а также блок 104 цифровой обработки, раскрытые ранее в отношении базового приемопередатчика 100. В отличие от блока 104 цифровой обработки в базовом приемопередатчике 100, показанном на ФИГ. 1, блок 104 цифровой обработки, показанный на ФИГ. 3, выполнен с возможностью обработки множества сигналов (например, от понижающих преобразователей 316A-316N частоты). Приемопередатчик 300 также включает в себя блок 304 преобразователей, который преобразует преобразованные сигналы пониженной частоты, полученные от приемного блока 302, в сигналы, подлежащие обработке блоком 104 цифровой обработки, а также преобразует прошедшие цифровую обработку сигналы от блока 104 цифровой обработки в сигналы, подлежащие передаче передающим блоком 306. Этот приемопередатчик 300 выполнен с возможностью приема и передач сигналов в более высоких частотных диапазонах Q, V и W при меньших затратах по сравнению с конструкцией, показанной на ФИГ. 2, и раскрыт ниже со ссылкой на ФИГ. 4 и ФИГ. 5 и 6.
[0028] На ФИГ. 4 схематично представлены примеры операций, которые могут быть использованы для приема и обработки сигналов. В блоке 402 принимают первый сигнал, такой как принимаемый сигнал 305R, изображенный на ФИГ. 3. Этот первый сигнал 305R находится в первом частотном диапазоне и имеет первую ширину полосы, например является сигналом с шириной полосы 3 ГГц в V-диапазоне. Это может быть реализовано, например, антенной 308 и МШУ 310 приемного блока 302. В блоке 404 принятый первый сигнал 305R преобразуют из первого частотного диапазона в первый промежуточный частотный диапазон. Это может быть реализовано, например, посредством радиочастотного преобразователя 312 приемного блока, который преобразует усиленную версию принятого сигнала в V-диапазоне в промежуточный частотный диапазон в Ka-диапазоне, например. В одном варианте реализации изобретения промежуточный частотный диапазон, в который преобразуют принятый первый сигнал 305R, определяют таким образом, что его выбор оптимально сводит к минимуму образование паразитных составляющих (подробно описано ниже) и максимизирует повторное использование существующих аппаратных средств, что может быть реализовано посредством совместного использования аппаратных средств (например, одного или более гетеродинов 318 для понижающих преобразователей 316 частоты и повышающих преобразователей 320 частоты). В одном из вариантов реализации изобретения, раскрытом ниже, выбирают промежуточный частотный диапазон 29,0-32,0 ГГц, поскольку он обеспечивает оптимальное сочетание минимизации паразитных составляющих, повторного использования существующих понижающих преобразователей 316 частоты и совместного использования гетеродинов 318 понижающими преобразователями 316 частоты и повышающими преобразователями 320 частоты, как подробно описано ниже.
[0029] В блоке 406 преобразованный первый сигнал (теперь в промежуточной полосе частот) делят на N промежуточных сигналов, каждый из которых находится в соответствующем поддиапазоне из первого набора N поддиапазонов, где N≥1. В одном варианте реализации изобретения количество промежуточных сигналов N выбирают так, что каждый из N промежуточных сигналов имеет ширину полосы, которая меньше максимальной ширины или равна максимальной ширине сигнала, которая может быть обработана блоком 104 цифровой обработки. Например, если блок 104 цифровой обработки способен обрабатывать сигналы 500 МГц, каждый из N промежуточных сигналов будет не больше 500 МГц. Если принятый сигнал представляет собой сигнал 3 ГГц, он будет разделен по меньшей мере на шесть (3/0,5) сигналов, каждый из которых будет занимать отличающийся (и, в частном случае, смежный) поддиапазон сигнала, имеющего ширину полосы 3 ГГц. В проиллюстрированном варианте реализации изобретения по ФИГ. 3, эта операция выполняется делителем 314, который разбивает сигнал промежуточной полосы частот (Ka-диапазон, в этом примере) от понижающего преобразователя 312 частоты радиочастотного диапазона на N сигналов Ka-диапазона.
[0030] Затем, в блоке 408 каждый из N промежуточных сигналов преобразуют с понижением частоты во второй частотный диапазон. В варианте реализации изобретения, показанном на ФИГ. 3, это выполняют посредством N понижающих преобразователей 316А частоты, каждый из которых преобразует с понижением частоты соответствующий сигнал от делителя 314 с ее переносом из указанного соответствующего поддиапазона из первого набора N поддиапазонов промежуточного частотного диапазона (в проиллюстрированном варианте реализации изобретения Ka-диапазона) в соответствующий поддиапазон второго частотного диапазона (в проиллюстрированном варианте реализации изобретения L-диапазон). В результате получают N сигналов в поддиапазонах L-диапазона, и при этом ширина каждой полосы меньше ширины или равна ширине полосы принимаемого сигнала 305R, деленной на N.
[0031] Каждый из понижающих преобразователей 316A-316N частоты, содержащихся в блоке 304 преобразователей, соединен с возможностью обмена данными с соответствующим гетеродином из множества гетеродинов 318A-318N. Например, понижающий преобразователь 316 частоты соединен с возможностью обмена данными с гетеродином 318А, а преобразователь 316N соединен с возможностью обмена данными с гетеродином 318N. Каждый из преобразователей 316A-316N принимает сигнал гетеродина от связанного с ним гетеродина и использует этот сигнал гетеродина в процессе преобразования с понижением частоты.
[0032] Указанные N преобразованные сигналы пониженной частоты затем обрабатывают цифровым процессором для выработки N обработанных сигналов, как описано в блоке 410 по ФИГ. 4. В варианте реализации изобретения, изображенном на ФИГ. 3, это выполняют, когда каждый из преобразованных промежуточных сигналов пониженной частоты подают на один или более аналого-цифровых преобразователей 116, и получаемые цифровые сигналы (каждый из которых в проиллюстрированном варианте реализации изобретения имеет ширину полосы величиной 500 МГц) подают на устройство 120 выбора полосы частот/цифровой процессор для обработки. Получаемые обработанные сигналы затем подают на один или более цифро-аналоговых преобразователей 124 для получения N обработанных цифровых сигналов.
[0033] В блоке 412 каждый из N обработанных сигналов преобразуют с повышением частоты и ее переносом в соответствующий поддиапазон из второго набора N поддиапазонов во втором промежуточном частотном диапазоне. В приведенном в качестве примера варианте реализации изобретения, представленном на ФИГ. 3, это выполняют повышающими преобразователями 320A-320N частоты, при этом каждый из повышающих преобразователей 320A-320N частоты выполняет преобразование с повышением частоты для одного из поддиапазонов во втором частотном диапазоне (L-диапазоне в этом проиллюстрированном варианте реализации изобретения) с переносом частоты в соответствующий поддиапазон второй промежуточной частоты. Следует отметить, что в примере, показанном на ФИГ. 3, второй промежуточный частотный диапазон выбирают так, чтобы он был равен первому промежуточному частотному диапазону, а именно Ka-диапазон.
[0034] Как отмечено выше, каждый из повышающих преобразователей 320A-320N частоты выполняет преобразование с повышением частоты соответствующего сигнала из сигналов в N поддиапазонах второго частотного диапазона с переносом частоты в соответствующий поддиапазон из второго набора N поддиапазонов второго промежуточного частотного диапазона с использованием сигнала гетеродина от соответствующих гетеродинов. Следует отметить, что гетеродины, связанные с повышающими преобразователями 320A-320N частоты, могут быть теми же или другими гетеродинами 318A-318N, которые связаны с понижающими преобразователями 316A-316N частоты. Количество гетеродинов, необходимых для реализации этой системы, может варьироваться в зависимости от различных критериев оптимизации. Оно может составлять 2N: один для каждого понижающего преобразователя 316A-316N частоты и один для каждого повышающего преобразователя 320A-320N частоты. Или оно может составлять N гетеродинов: каждый связан одновременно с одним понижающим преобразователем частоты, выбранным из 316A-316N, и одним повышающим преобразователем частоты, выбранным из 320A-320N. Или возможна иная конфигурация.
[0035] Как показано на ФИГ. 4, сигналы, преобразованные с повышением частоты, комбинируют, и комбинированные сигналы, преобразованные с повышением частоты, преобразуют с переносом частоты в третий частотный диапазон, как показано в блоках 413 и 414. Это может быть реализовано, например, комбинированием каждого из сигналов, преобразованных с повышением частоты, (например, смесителем 322) и выдачей комбинированных сигналов, преобразованных с повышением частоты, в повышающий преобразователь 328 частоты радиочастотного диапазона передающего блока 306. Повышающий преобразователь 328 частоты выполняет преобразование с повышением частоты сигналов согласно входным сигналам управления. Следует отметить, что третий частотный диапазон может быть равен первому частотному диапазону или отличаться от него. В проиллюстрированном примере по ФИГ. 5, третий диапазон выбран так, чтобы это был Q-диапазон, охватывающий частоты от 37,5 до 40,5 ГГц.
[0036] В завершении, преобразованные сигналы передают, как показано в блоке 416. Это может быть реализовано, например, посредством выдачи сигнала, преобразованного с повышением частоты, на усилитель 332, такой как усилитель на лампе бегущей волны (усилитель на ЛБВ) или твердотельный усилитель мощности, и усиленный сигнал подают в передающую антенну 334 для передачи передаваемого сигнала 305Т.
[0037] Как отмечено выше, для выбора первого и второго промежуточных частотных диапазонов и первого и второго набора N поддиапазонов могут быть использованы различные критерии оптимизации. Например, любые или все из указанных N (Ka) поддиапазонов, созданных делителем 314, могут быть предпочтительно выбраны так, чтобы они имели одинаковую протяженность по частоте с N (Ka) поддиапазонами, скомбинированными смесителем 322. Это упрощает конструкцию, для которой требуется только N гетеродинов 318 вместо 2N гетеродинов, поскольку они выдают те же самые сигналы гетеродинов для процесса преобразования с повышением и с понижением частоты. В таких вариантах реализации изобретения один или более гетеродинов 318 и сигналов гетеродинов, которые они вырабатывают, используются совместно одним или более понижающими преобразователями 316 частоты и соответствующими повышающими преобразователями 320 частоты. Например, сигнал гетеродина, создаваемый гетеродином 318А (подаваемый на понижающий преобразователь 316 частоты для преобразования с понижением частоты и ее переносом из поддиапазона первого набора N поддиапазонов во второй частотный диапазон), также может быть подан на повышающий преобразователь 320А для преобразования с повышением частоты обработанного сигнала и ее переносом в поддиапазон второго набора N поддиапазонов, который имеет одинаковую протяженность по частоте с указанным поддиапазоном первого набора поддиапазонов (например, поддиапазон 504А имеет одинаковую протяженность с поддиапазоном 514А). В результате требуется меньше гетеродинов 318.
[0038] Это стало возможным посредством выбора одного или более из первого набора N поддиапазонов, используемых при передаче (например, 504A-504F) так, чтобы они имели одинаковую протяженность по частоте с соответствующим поддиапазоном второго набора N поддиапазонов (514A-514F), используемым при передаче. Например, любые или все из N промежуточных сигналов могут быть преобразованы с понижением частоты (например, указанным соответствующим преобразователем из понижающих преобразователей 316А-316N частоты) и ее переносом из Ka-поддиапазона в L-диапазон, и соответствующий сигнал из N обработанных сигналов может быть преобразован с повышением частоты (например, указанным соответствующим преобразователем из повышающих преобразователей 320А-320N частоты) и ее переносом из L-диапазона в тот же самый (Ka) поддиапазон.
[0039] Также следует отметить, что первый промежуточный частотный диапазон (например, частотный диапазон сигнала, исходящий от понижающего преобразователя 312 частоты радиочастотного диапазона) не обязательно должен иметь одинаковую протяженность со вторым частотным диапазоном (например, частотный диапазон сигнала, поданного на повышающий преобразователь 328 частоты радиочастотного диапазона). Вместо этого, первый промежуточный частотный диапазон может включать в себя только некоторые частоты, которые перекрываются с частотами второго промежуточного частотного диапазона. Даже в таких случаях один или более поддиапазонов первой промежуточной частоты могут быть выбраны так, чтобы они имели одинаковую протяженность по частоте с соответствующими одним или более поддиапазонами второй промежуточной частоты, благодаря чему можно использовать меньше схем, необходимых для выработки сигналов гетеродинов, необходимых для осуществления преобразования с повышением и понижением частоты указанных сигналов. Рациональный выбор первого промежуточного частотного диапазона и второго промежуточного диапазона вместе с первым и вторым наборами N поддиапазонов в соответствующих первой и второй промежуточных полосах частот максимизирует повторное использование существующих аппаратных средств, сводит к минимуму количество необходимых дополнительных элементов (например, гетеродинов 318 и сводит к минимуму число паразитных составляющих (как подробно описано ниже), сохраняя при этом качество сигнала.
[0040] Хотя минимальное количество гетеродинов 318 и связанных схем может быть обеспечено, когда каждый из первого набора N поддиапазонов, используемых при передаче (например, 504A-504F), имеет протяженность по частоте, одинаковую с указанным соответствующим поддиапазоном из второго набора поддиапазонов (например, 514A-514F, соответственно), эта минимизация может быть обеспечена, только когда один из первого набора поддиапазонов выбран так, что он имеет одинаковую протяженность по частоте с поддиапазоном из второго набора поддиапазонов. Например, первый набор поддиапазонов и второй набор поддиапазонов могут быть выбраны таким образом, что только два поддиапазона первого набора поддиапазонов имеют одинаковую протяженность по частоте с соответствующими двумя поддиапазонами второго набора поддиапазонов. Как показано на ФИГ. 5, это может быть реализовано посредством выбора таких поддиапазонов 504А и 504С, чтобы они имели одинаковую протяженность по частоте с поддиапазонами 514А и 514С, соответственно, для следующего примера.
[0041] На ФИГ. 5 показана приведенная в качестве примера схема распределения частот для широкополосного приемопередатчика 300. В этом проиллюстрированном варианте реализации изобретения принимаемый сигнал 305R является сигналом в V-диапазоне от 47,2 до 50,2 ГГц. Этот сигнал может содержать множество смежных поддиапазонов 502A-502F, как обозначено на чертеже. Этот сигнал (после приема и усиления с низким уровнем шума) преобразуют с понижением частоты (например, понижающим преобразователем 312 частоты с использованием входных сигналов управления) и ее переносом в Ka-диапазон, охватывающий частоты 29,0-32,0 ГГц, который также может рассматриваться как содержащий множество смежных поддиапазонов 506А-506F. Эти поддиапазоны 506A-506F разделяют делителем 314 на отдельные сигналы, каждый из которых подают в соответствующий понижающий преобразователь 316 частоты-316F. Как показано на чертежах, каждый из таких сигналов имеет ширину полосы 500 МГц и, таким образом, может быть обработан блоком 104 цифровой обработки. Каждый из сигналов преобразуют с понижением частоты и ее переносом в соответствующий поддиапазон L-диапазона перед их подачей в блок 104 цифровой обработки для обработки. После такой обработки обработанные сигналы преобразуют повышающими преобразователями 320A-320F с повышением частоты. Следует отметить, что хотя на ФИГ. 5 показан вариант реализации изобретения, в котором обработанные сигналы преобразуют с повышением частоты и ее переносом в одинаковые Ka-поддиапазоны (например, одинаковой протяженности по частоте), которые были созданы делителем 314, обработанные сигналы, если необходимо, могут быть преобразованы с повышением частоты и ее переносом в поддиапазоны, имеющие различную протяженность по частоте. Сигналы, преобразованные с повышением частоты, затем комбинируют смесителем 322 и преобразуют преобразователем 328 с переносом частоты из Ka-диапазона в Q-диапазон. Полученный сигнал в Q-диапазоне охватывает ширину полосы 37,5-40,5 ГГц, образованную поддиапазонами 516A-516F по 500 МГц, как показано на ФИГ. 5.
[0042] На ФИГ. 5 также показано такое распределение частот, которое обеспечивает повторное использование существующих аппаратных средств. Аппаратные средства работают в Ka-диапазоне от 27 до 31 ГГц. Однако для целей минимизации паразитных составляющих и использования одних и тех же гетеродинов как для понижающих преобразователей 316 частоты, так и для повышающих преобразователей 320 частоты, желательно, чтобы промежуточная частота находилась в диапазоне от 29 ГГц до 32 ГГц. Этот обеспечивает возможность повторного использования существующих понижающих преобразователей 316 частоты для диапазонов 506A-506D от 27 до 31 ГГц. Поддиапазоны, использование которых не может быть реализовано используемыми повторно аппаратными средствами, обозначены штриховкой с наклоном вправо и включают в себя поддиапазоны, расположенные между 31,0 и 32,0 ГГц.
[0043] Следовательно, как раскрыто выше, поддиапазоны 502A-502F V-диапазона являются новыми и требуют преобразователя 312, отличного от преобразователя 102 по ФИГ. 1, для учета других частотного диапазона и ширины полосы. Понижающие преобразователи 316A-316D частоты для преобразования сигналов с понижением частоты и ее переносом в Ka-поддиапазоны 506A-506D используются в существующих схемах распределения частот и не требуют модификации. Ka-поддиапазоны 506Е и 506F не являются частью текущей схемы распределения частот, и требуется незначительная модификация понижающих преобразователей 316E-316F частоты (как обозначено штриховкой с наклоном вправо). Незначительные модификации также требуются для повышающих преобразователей 320А-320F частоты. Преобразователь 328 осуществляет преобразование с переносом в Q-диапазон и, следовательно, требует значительной модификации, как обозначено штриховкой с наклоном влево.
[0044] На ФИГ. 6 показана еще одна приведенная в качестве примера схема распределения частот для приемопередатчика 300. В этом проиллюстрированном варианте реализации изобретения принимаемый сигнал 305R представляет собой сигнал в W-диапазоне от 83,0 до 86,0 ГГц. Этот сигнал может содержать множество смежных поддиапазонов 602A-602F, как обозначено на чертеже. Этот сигнал (после приема и усиления с низким уровнем шума) преобразуют с понижением частоты (например, понижающим преобразователем 312 частоты с использованием входных сигналов управления) и ее переносом в Ka-диапазон, охватывающий частоты 19,0-22,0 ГГц, который также может рассматриваться как содержащий множество смежных поддиапазонов 606А-606F. Эти поддиапазоны 606A-606F разделяют делителем 314 на отдельные сигналы, каждый из которых подают в соответствующий понижающий преобразователь 316A-316F частоты. Как показано на чертежах, каждый из таких сигналов имеет ширину полосы 500 МГц и, таким образом, может быть обработан блоком 104 цифровой обработки. Каждый из сигналов преобразуют с понижением частоты и ее переносом в соответствующий поддиапазон L-диапазона перед их подачей в блок 104 цифровой обработки для обработки. После такой обработки обработанные сигналы преобразуют повышающими преобразователями 320A-320F с повышением частоты. Следует отметить, что обработанные сигналы преобразуют с повышением частоты и ее переносом в те же самые Ka-поддиапазоны, которые были созданы делителем 314. Сигналы, преобразованные с повышением частоты, затем комбинируют смесителем 322 и преобразуют преобразователем 328 с переносом частоты из Ka-диапазона в V-диапазон. Полученный сигнал в V-диапазоне охватывает полосу частот величиной 71,0-74,0 ГГц, образованную поддиапазонами 616А-616F величиной 500 МГц, как показано на ФИГ. 6.
[0045] Как и на ФИГ. 5, на ФИГ. 6 также показано такое распределение частот, которое обеспечивает повторное использование существующих аппаратных средств. Аппаратные средства работают в Ka-диапазоне 27-31 ГГц. Однако для минимизации паразитных составляющих и использования одних и тех же гетеродинов для понижающих преобразователей 316 частоты и для повышающих преобразователей 320 частоты, желательно, чтобы промежуточная частота находилась в диапазоне от 19 ГГц до 22 ГГц. Этот обеспечивает возможность повторного использования существующих повышающих преобразователей 320 частоты для диапазонов 612A-612D величиной 19-21 ГГц. Поддиапазоны, использование которых не может быть реализовано используемыми повторно аппаратными средствами, обозначены штриховкой с наклоном вправо и включают в себя поддиапазоны, расположенные между 31,0 и 32,0 ГГц.
[0046] Следовательно, как раскрыто выше, понижающие преобразователи частоты, связанные с поддиапазонами 602A-602F W-диапазона, не могут быть повторно использованы существующими аппаратными средствами и требуют преобразователя 312, отличающегося от преобразователя 102 по ФИГ. 1, для учета отличных частотного диапазона и ширины полосы. Ka-поддиапазоны 606A-606F не являются частью текущей схемы распределения частот, и требуется модификация понижающих преобразователей 316E-316F частоты (как обозначено штриховкой с наклоном вправо). Модификации также требуются для повышающих преобразователей 320Е и 320F частоты. Однако повышающие преобразователи 316A-316D частоты для преобразования сигналов с повышением частоты и ее переносом в Ka-поддиапазоны 614A-614F используются в существующих схемах распределения частот и существующих повышающих преобразователях частоты и могут быть использованы повторно.
[0047] Выбранные компоненты приемопередатчика 300 обычно создают нежелательные гармоники и паразитные составляющие, которые ухудшают рабочие характеристики приемопередатчика 300. Например, понижающие преобразователи 316А-316N частоты работают посредством смешивания входного сигнала с сигналом гетеродина от соответствующего гетеродина 318A-318N. В идеале этот процесс должен просто приводить к преобразованию содержимого сигнала с понижением частоты входного сигнала и ее переносом в необходимый частотный диапазон, но на практике нелинейность и другие ограничения аппаратных средств приводят к гармоническому искажению, которое состоит из составляющих сигнала на гармониках входного сигнала и сигнала гетеродина и их комбинации. Такие гармоники известны как паразитные составляющие. Планы распределения частот, описанные на ФИГ. 5 и ФИГ. 6, представляют собой результат оптимизации выбора промежуточного частотного диапазона (например, Ka-диапазона) и поддиапазонов (например, L-подциапазонов), который обеспечивает сведение к минимуму образование паразитных составляющих в диапазонах рабочих частот приемопередатчика 300. Пример такой оптимизации подробно раскрыт ниже.
[0048] На ФИГ. 7 показаны паразитные составляющие, образуемые в процессе преобразования с понижением частоты и ее переносом из V-диапазона в Ka-диапазон. Такие паразитные составляющие являются результатом несовершенства процесса смешивания, происходящего в понижающих преобразователях частоты. Частота паразитных составляющих и, следовательно, ее влияние на необходимые рабочие характеристики зависят от входной частоты, подаваемой на понижающий преобразователь частоты, частоты гетеродина, используемого понижающим преобразователем частоты, и необходимой выходной частоты сигнала, выдаваемого понижающим преобразователем частоты.
[0049] На ФИГ. 7 приведены графики частоты входного (радиочастотного) сигнала, показанной на вертикальной оси, выходной частоты паразитных составляющих от понижающего преобразователя частоты, показанной на горизонтальной оси для данной частоты гетеродина (LO) (в примере, показанном на ФИГ. 7, частота гетеродина составляет 9100 МГц, но могут быть выбраны другие значения). Каждая линия на графике обозначена двумя числами (m, n), из которых первое число (m) относится к множителю, на который умножают частоту входного сигнала (вход 1), а второе число (n) относится к множителю, на который умножают частоту второго входного сигнала (вход 2). Кроме того, порядок "паразитной составляющей" определяется как сумма абсолютного значения т и абсолютного значения n.
[0050] Заштрихованный прямоугольник на ФИГ. 7 представляет входные частоты, подаваемые на понижающий преобразователь 312 частоты радиочастотного диапазона, в схеме распределения частот, показанной на ФИГ. 5, а именно, от 47200 МГц до 50200 МГц, и необходимые выходные промежуточные частоты от 29000 МГц до 32000 МГц.
[0051] Для линии (1, -2) значение "1" относится к основной частоте входного сигнала, а значение "-2" относится ко второй гармонике входного сигнала, подаваемого на гетеродин, величиной 9100 МГц. Поскольку преобразователь 312 использует смеситель на гармониках, он использует вторую гармонику входного сигнала, подаваемого на гетеродин, в качестве действующего гетеродина. Следовательно, линия, имеющая обозначение (1, -2), отражает необходимый результат смешивания на выходе понижающего преобразователя 312 частоты и не считается паразитной составляющей, которую необходимо устранить. Другие линии, представленные на ФИГ. 7, относятся к возможным паразитным составляющим.
[0052] Паразитные составляющие и другие искажения могут быть уменьшены или сглажены соответствующей фильтрацией по частоте (например, полосовыми фильтрами, фильтрами низких и высоких частот). В то же время невозможно создавать фильтры с идеальными полосовыми характеристиками, и фильтры с крутыми фронтами отсечки обычно вызывают фазовые искажения, которые могут наблюдаться на частотах, также занимаемых содержимым сигнала. Соответственно, желательно, чтобы любые паразитные составляющие большой мощности были расположены на частотах, расположенных дальше от полосы пропускания так, чтобы их можно было легче отфильтровывать без введения фазового искажения. Такие паразитные составляющие большой мощности обозначены на схеме по ФИГ. 7 линиями, имеющими небольшие числа ⎜m⎜+⎜n⎜, также известными как порядок паразитной составляющей. С другой стороны, линии, имеющие еще меньшие числа (например, линии, у которых т равно нулю), представляют паразитные составляющие, которые сложно удалить с помощью фильтрации и которых предпочтительно избегать. Что относится к паразитным составляющим низкого порядка, зависит от задач, для решения которых предполагается использование системы. Для целей связи в частотных режимах, раскрытых в данной заявке, предпочтительно избежать паразитных составляющих, имеющих порядок 5 или менее (например, ⎜m⎜+⎜n⎜≤5 ).
[0053] В проиллюстрированном случае первый входной сигнал является радиочастотным сигналом в V-диапазоне, а второй входной сигнал является сигналом от гетеродина с установленным значением 9100 МГц. Возможное положение частот паразитных составляющих определяют следованием по горизонтальной линии от входной частоты к диагональным линиям и считыванием частоты возможной паразитной составляющей на оси х.
[0054] Таким образом, чтобы определить частоту паразитной составляющей третьего порядка, заданной (0, 3), проводят горизонтальную линию от входной частоты 1 к линии (0, 3). Это указывает на возможное присутствие паразитной составляющей приблизительно 27500 МГц для всех входных частот 1. Эта частота находится достаточно далеко от необходимого выходного диапазона 29000-32000 МГц и, следовательно, не вызывает проблем.
[0055] Схожим образом, частоту паразитной составляющей четвертого порядка, заданной (0, 4), определяют горизонтальной линией от входной частоты 1 к линии (0, 4), которая показывает возможную паразитную составляющую приблизительно 36 400 Гц для всех входных частот 1. Следовательно, заштрихованная область, показанная на ФИГ. 7, находится вне вертикальных линий (0, 3) и (0, 4) и включает в себя только паразитные составляющие более высокого порядка (>5). Соответственно, использование второй гармоники частоты гетеродина величиной 9100 МГц для смешивания частоты в диапазоне 47200-50200 МГц с ее понижением и переносом в диапазон 29000-32000 МГц является подходящим выбором.
[0056] Вышеуказанный анализ также может быть выполнен в отношении процесса преобразования с понижением частоты, выполняемого понижающими преобразователями 316A-316N частоты, процесса преобразования с повышением частоты, выполняемого повышающими преобразователями 320A-320N частоты, и процесса преобразования с повышением частоты, выполняемого повышающим преобразователем 328 частоты.
[0057] На ФИГ. 8А-8Е показано образование паразитных составляющих в процессе преобразования с понижением частоты, осуществляемого понижающими преобразователями 316E-316F частоты. На ФИГ. 8А представлен график образования паразитных составляющих понижающим преобразователем 316А частоты в схеме распределения частот, показанной на ФИГ. 5, а на ФИГ. 8B-8F представлены графики образования паразитных составляющих соответствующими понижающими преобразователями 316B-316F частоты в схеме распределения частот, показанной на ФИГ. 5. Следует отметить, что в каждом представленном случае, образуемые паразитные составляющие не включают в себя никаких основных частот (0, n), а содержат, по большей части, паразитные составляющие более высокого порядка, которые легко отфильтровать. Прямоугольники со штриховкой с наклоном вправо представляют анализ паразитных составляющих, которые могут быть созданы каждым понижающим преобразователем 316 частоты, а прямоугольники со штриховкой с наклоном влево представляют анализ паразитных составляющих, которые могут быть созданы другими понижающими преобразователями 316 частоты приемопередатчика.
[0058] На ФИГ. 9А-9Е показано образование паразитных составляющих в процессе преобразования с повышением частоты, осуществляемого повышающими преобразователями 320A-320F частоты. На ФИГ. 9А представлен график образования паразитных составляющих понижающим преобразователем 316А частоты в схеме распределения частот, показанной на ФИГ. 5, а на ФИГ. 9B-9F представлены графики образования паразитных составляющих соответствующими понижающими преобразователями 320B-320F частоты в схеме распределения частот, показанной на ФИГ. 5. Также следует отметить, что в каждом представленном случае образуемые паразитные составляющие не содержат никаких основных частот (0, n), а содержат по большей части, паразитные составляющие более высокого порядка, которые легко отфильтровать. Прямоугольники со штриховкой с наклоном вправо представляют анализ паразитных составляющих, которые могут быть созданы каждым повышающим преобразователем 320 частоты, а прямоугольники со штриховкой с наклоном влево представляют анализ паразитных составляющих, которые могут быть созданы другими повышающими преобразователями 320 частоты приемопередатчика.
[0059] На ФИГ. 10 показано образование паразитных составляющих в процессе преобразования с повышением частоты, осуществляемого повышающим преобразователем 328 частоты. Также следует отметить, что в каждом представленном случае образуемые паразитные составляющие не содержат никаких основных частот (0, n), а содержат по большей части, паразитные составляющие более высокого порядка, которые легко отфильтровать.
[0060] Как видно из графиков, представленных на ФИГ. 7, ФИГ. 8A-8F, ФИГ. 9A-9F и ФИГ. 10, хотя каждый из понижающих преобразователей 316A-316F частоты и повышающих преобразователей 320A-320F частоты создает гармоники, рациональный выбор характеристик указанных N поддиапазонов (например, с точки зрения центральной частоты и/или ширины полосы) до преобразования с понижением частоты и после преобразования с понижением частоты может привести к тому, что система по существу устраняет паразитные составляющие из ключевых частотных диапазонов. В этом контексте устранение паразитных составляющих "по существу" не обязательно требует устранения всех паразитных составляющих. Вместо этого необходимо, чтобы амплитуда и/или фаза любых оставшихся паразитных составляющих были таковы, чтобы их появление в интересующих частотных диапазонах не оказывало отрицательного влияния на работу приемопередатчика 100 и не ухудшало работоспособность приемопередатчика в такой степени, чтобы его нельзя было использовать по назначению. Если паразитные составляющие находятся достаточно далеко от рабочей полосы частот, эти паразитные составляющие могут быть отфильтрованы подходящими средствами. Ключевыми паразитными составляющими, подлежащими оцениванию, являются паразитные составляющие (0, n), также известные как паразитные составляющие в виде гармоник гетеродина, паразитные составляющие (1, n) и паразитные составляющие, порядок которых (также известный как значение ⎜m⎜+⎜n⎜ для данной паразитной составляющей (m, n)) меньше или равен 5.
Среда аппаратных средств
[0061] На ФИГ. 11 показан приведенный в качестве примера блок 104 цифровой обработки, имеющий устройство выбора полосы частот/цифровой процессор (далее сигнальный процессор 120514), который может быть использован для реализации раскрытых выше рабочих элементов.
[0062] Сигнальный процессор 120 содержит процессор 1102, соединенный с возможностью обмена данными с запоминающим устройством 1104, хранящим инструкции для выполнения операций, раскрытых выше. Процессор 1120 может содержать процессор 1102А общего назначения и/или процессор 1102В специального назначения. Например, процессор 1102В специального назначения может быть реализован в одной или более специализированных интегральных схемах (application specific integrated circuit, ASIC) или программируемых пользователем вентильных матрицах (field programmable gate array, FPGA), которые могут быть реализованы на одной или отличающейся структуре по сравнению с другими элементами сигнального процессора 120. Запоминающее устройство 1104 может включать в себя оперативное запоминающее устройство (RAM) 1104А и/или постоянное запоминающее устройство (ROM)1104 В, которое, например, может включать в себя программируемое постоянное запоминающее устройство (PROM).
[0063] Сигнальный процессор 120 принимает входные радиочастотные сигналы от аналого-цифровых преобразователей 116 и с использованием процессора 1102 и инструкций, сохраненных в запоминающем устройстве 1104, вырабатывает выходные сигналы на основании входных сигналов и выдает получаемые выходные сигналы в цифро-аналоговые преобразователи 124. В одном варианте реализации изобретения выходные сигналы также создают в соответствии с командами конфигурации и/или предоставленными извне данными. Выходные сигналы и/или промежуточные данные, создаваемые в процессе выработки выходных сигналов, могут быть выданы посредством телеметрии.
[0064] В проиллюстрированном варианте реализации изобретения сигнальный процессор 120 может включать в себя ряд модулей, в том числе демодулятор 1108, модулятор 1106, модуль 1110 компенсации предварительного искажения, модуль 1112 коммутационного маршрутизатора и модуль 1114 шифрования и/или дешифрования. Модуль 1108 демодулятора демодулирует входной сигнал от аналого-цифровых преобразователей 116 для дальнейшей обработки. Модуль компенсации предварительного искажения сигнала модифицирует входной сигнал согласно характеристике усиления и фазы обратной модели для сигнального процессора 120. Это вводит "обратное искажение" в процесс таким образом, что получаемые выходные сигналы оказываются линеаризованы. Модуль 1112 коммутационного маршрутизатора осуществляет трассировку входных сигналов к другим модулям или процессорам и схожим образом осуществляет трассировку выходных сигналов к соответствующему выходу. Модуль 1114 шифрования/дешифрования дешифрует поступающие сигналы и шифрует выходные сигналы в соответствии с требованиями. Любые или все модули 1106-1114 могут быть реализованы использованием инструкций процессора 1102, сохраненных в запоминающем устройстве 1104, или могут быть реализованы в виде отдельных аппаратных или прошивочных модулей с использованием соответствующих схем и/или вспомогательных процессоров и запоминающего устройства по мере необходимости.
[0065] Конечно, специалистам в данной области техники будет понятно, что указанные выше компоненты и функциональные возможности или любое количество различных компонентов и функциональных возможностей в любом сочетании могут быть встроены в сигнальный процессор 120.