УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КАЛИБРОВКИ
CALIBRATION METHOD AND DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к устройству калибровки и способу калибровки для спутниковой системы, содержащей диаграммообразующую схему.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Многие коммерческие спутники предназначены для обеспечения множества узких лучей с заданной развязкой между лучами для обеспечения услуг связи без помех. Некоторые из этих многолучевых спутниковых систем направляют входной сигнал по большому количеству трактов, соответствующих большому количеству облучателей, и устанавливают весовые коэффициенты лучей (по амплитуде и фазе) вдоль каждого тракта для формирования требуемых лучей. Множество лучей принимаются большим количеством облучателей, а фаза и амплитуда сигналов, принятых каждым облучателем, корректируются, прежде чем сигналы будут комбинироваться и пересылаться.
in situ
Установление и поддержание требуемой относительной фазы и амплитуды между сигналами для различных облучателей требует калибровки трактов прохождения сигналов через бортовую аппаратуру спутника для устранения любых смещений фазы и амплитуды между различными сигналами для различных лучей до применения весовых коэффициентов лучей. Оборудование, используемое для преобразования частоты, фильтрации, усиления, и кабели в канале передачи, дающие задержки по времени, являются основными источниками амплитудных и фазовых разниц в каналах передачи. Даже при том, что система откалибрована перед запуском, изменения в результате старения и температурные различия могут вызвать дополнительные амплитудные и фазовые разницы в каналах передачи. Поэтому спутниковая система время от времени должна калиброваться на месте ().
in situ
Ряд систем предшествующего уровня техники был разработан для калибровки системы на месте (), но многие из этих систем не обеспечивают удовлетворительную калибровку. Например, системы предшествующего уровня техники не обеспечивают калибровку для всех частот рабочего диапазона частот системы. Чтобы гарантировать, что всегда реализуются требуемые лучи, также важно, чтобы корректная калибровка могла быть применена на любой частоте в пределах диапазона рабочих частот спутниковой системы.
Изобретение было создано в этом контексте.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно изобретению, имеется устройство для калибровки многолучевой спутниковой системы, содержащей диаграммообразующую схему, обеспечивающую множество трактов сигнала, причем устройство содержит калибровочный процессор для определения фазового и амплитудного сдвига тестового тракта из множества трактов посредством коррелирования калибровочного тона, извлеченного из тестового тракта с опорным калибровочным сигналом, калибровочный процессор конфигурирован для определения фазового и амплитудного сдвига тестового тракта для по меньшей мере двух калибровочных тонов по меньшей мере двух различных частот, чтобы позволить вычисление смещения фазы и амплитуды тестового тракта для сигнала любой частоты в пределах рабочего диапазона частот многолучевой спутниковой системы.
Устройство может дополнительно содержать средство для введения калибровочного тона в тестовый тракт и по меньшей мере два калибровочных тона могут содержать два калибровочных тона различных частот во время введения. Устройство может дополнительно содержать цифровой сигнальный процессор для преобразования частоты калибровочного тона в тестовом тракте, и по меньшей мере два калибровочных тона могут содержать два калибровочных тона, преобразованные на две различные частоты.
Устройство также может содержать средство выбора тестового тракта из множества трактов, причем средство выбора тестового тракта сигнала конфигурировано для калибровочного тона с заданной вводимой частотой и преобразованием частоты, для последовательного выбора каждого тракта из группы трактов множества трактов в качестве тестового тракта, чтобы сделать возможным определение смещения фазы и амплитуды каждого тракта из группы трактов. Устройство может содержать диаграммообразующую схему, имеющую множество входов и множество выходов, и группа трактов может быть выбрана из всех трактов через заданный вход или всех трактов через заданный выход. Диаграммообразующая схема может быть конфигурирована для применения коррекций к упомянутому тестовому тракту на основе определенных фазового и амплитудного сдвигов тестового тракта по меньшей мере для двух калибровочных тонов по меньшей мере двух различных частот.
Следовательно, изобретение позволяет определять фазовый и амплитудный сдвиг любого тракта для любой начальной частоты и любого преобразования частоты. Бортовая аппаратура (полезная нагрузка) спутника может тогда устранять любые смещения фазы и амплитуды между различными сигналами для различных лучей до применения весовых коэффициентов лучей.
Опорный калибровочный сигнал может содержать калибровочный тон, извлеченный из опорного тракта упомянутого множества трактов. Альтернативно, опорный калибровочный сигнал может содержать чистый калибровочный тон на частоте калибровочного тона, извлеченного из тестового тракта.
Дополнительно, устройство может содержать передатчик для передачи определенных фазовых и амплитудных сдвигов на наземную станцию и приемник для приема коррекций от наземной станции, которые должны применяться в диаграммообразующей схеме на основе определенных фазовых и амплитудных сдвигов.
Для прямой линии связи системы спутниковой связи устройство может содержать расщепитель луча для направления сигнала к диаграммообразующей схеме; усилитель для усиления сигнала от диаграммообразующей схемы, тестовый тракт, который содержит тракт от расщепителя луча до усилителя; элемент связи для введения калибровочного тона в расщепитель луча; и блок переключения для направления упомянутого сигнала из упомянутого тестового тракта от усилителя к калибровочному процессору.
Для обратной линии связи системы спутниковой связи устройство может содержать усилитель для усиления сигнала для диаграммообразующей схемы; объединитель сигнала для объединения сигнала, полученного от диаграммообразующей схемы, упомянутый тестовый тракт содержит тракт от усилителя до объединителя; блок переключения для введения калибровочного тона в тестовый тракт в усилителе; и средство для направления упомянутого сигнала из упомянутого тестового тракта от упомянутого объединителя сигнала к калибровочному процессору.
Согласно изобретению, также имеется многолучевая спутниковая система, содержащая вышеописанное устройство.
Согласно изобретению, также обеспечена система спутниковой связи, содержащая многолучевую спутниковую систему и наземную станцию, конфигурированную для приема измерений фазового и амплитудного сдвига от многолучевой спутниковой системы, вычисления коррекций для сигнала заданной частоты и передачи коррекций на многолучевую спутниковую систему.
Система может содержать средство для регулировки определенных фазовых и амплитудных сдвигов и коррекций, основанных на определенных фазовых и амплитудных сдвигах для смещений амплитуды и фазы, введенных оборудованием во множестве трактов, имеющих нелинейные фазовые и амплитудные характеристики.
Согласно изобретению, также обеспечен способ калибровки многолучевой спутниковой системы, имеющей диаграммообразующую схему, обеспечивающую множество трактов сигнала, причем способ включает в себя извлечение калибровочных тонов из тестового тракта множества трактов; и определение фазовых и амплитудных сдвигов тестового тракта для калибровочных тонов посредством коррелирования извлеченных калибровочных тонов с опорными калибровочными сигналами, где калибровочные тона содержат по меньшей мере два калибровочных тона различных частот, чтобы сделать возможным вычисление из определенных фазовых и амплитудных сдвигов смещений фазы и амплитуды для тестового тракта для сигнала любой частоты в пределах диапазона рабочих частот многолучевой спутниковой системы.
Извлечение калибровочных тонов может включать в себя извлечение первого калибровочного тона из по меньшей мере двух калибровочных тонов различных частот и последующее извлечение второго калибровочного тона из по меньшей мере двух калибровочных тонов различных частот.
Способ может дополнительно содержать введение калибровочных тонов в тестовый тракт, и по меньшей мере два калибровочных тона различных частот могут включать в себя два калибровочных тона различных частот во время введения. Способ может дополнительно содержать преобразование частоты калибровочных тонов в тестовом тракте, и по меньшей мере два калибровочных тона различных частот могут содержать калибровочные тона, преобразованные на две различные частоты.
Способ может дополнительно содержать для калибровочного тона конкретной вводимой частоты и преобразования частоты последовательный выбор каждого тракта из группы трактов множества трактов в качестве тестового тракта, чтобы сделать возможным определение фазового и амплитудного сдвига каждого тракта из группы трактов. Группа трактов может быть выбрана из всех трактов через конкретный вход диаграммообразующей схемы или всех трактов через конкретный выход диаграммообразующей схемы.
Способ может дополнительно содержать извлечение калибровочного тона из опорного тракта множества трактов и обеспечение извлеченного калибровочного тона в качестве одного из упомянутых опорных калибровочных сигналов для упомянутых извлеченных из тестового тракта калибровочных тонов. Альтернативно, калибровочные опорные сигналы могут содержать чистый калибровочный тон на частоте одного из калибровочных тонов, извлеченных из тестового тракта.
Способ может дополнительно содержать применение коррекции к диаграммообразующей схеме на основе определенных фазовых и амплитудных сдвигов по меньшей мере для двух калибровочных тонов различных частот.
Дополнительно способ может содержать передачу определенных фазовых и амплитудных сдвигов на наземную станцию и прием упомянутых коррекций из наземной станции. Кроме того, способ может содержать регулировку определенных фазовых и амплитудных сдвигов и коррекций, определенных на основе фазовых и амплитудных сдвигов, для амплитудных и фазовых сдвигов, введенных нелинейным оборудованием во множестве трактов.
Согласно изобретению, также обеспечена компьютерная программа, включающая в себя команды, которые при их исполнении процессором обуславливают выполнение процессором вышеописанного способа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее с помощью примеров будут описаны варианты осуществления изобретения со ссылкой на фиг.1-11 прилагаемых чертежей, на которых:
фиг.1 показывает систему связи, в которой может быть реализовано изобретение;
фиг.2 является принципиальной схемой некоторых из компонентов прямой и обратной линий связи в многолучевой спутниковой системе системы спутниковой связи;
фиг.3 схематично показывает тракты сигнала и калибровочных тонов через компоненты многолучевой спутниковой системы согласно одному варианту осуществления;
фиг.4 изображает, как определяется коррекция для любой рабочей частоты многолучевой спутниковой системы;
фиг.5 изображает, как определяется коррекция для любой рабочей частоты многолучевой спутниковой системы в многолучевой спутниковой системе с нелинейными компонентами;
фиг.6 изображает различные тракты и различные частоты, на которых выполняются измерения;
фиг.7, 8 и 9 изображают процесс сбора данных для выполнения калибровки многолучевой спутниковой системы;
фиг.10 схематично показывает тракты сигнала и калибровочных тонов через компоненты многолучевой спутниковой системы согласно другому варианту осуществления; и
фиг.11 схематично показывает тракты сигнала и калибровочных тонов через компоненты многолучевой спутниковой системы согласно еще одному варианту осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Согласно фиг.1 система связи содержит многолучевую спутниковую систему 1, наземную станцию 2 оператора системы и множество местоположений 3 абонентов спутниковой связи. Многолучевая спутниковая система 1 принимает сигнал от наземной станции 2, обрабатывает сигнал и передает информацию в сигнале к множеству местоположений 3 абонентов. Многолучевая спутниковая система 1 может также принимать сигналы из местоположений 3 абонентов, обрабатывать информацию и передавать информацию в сигналах к наземной станции 2. Наземная станция 2 может также использоваться для управления спутником или передачи инструкций и данных между спутником и станцией управления, чтобы управлять спутником. Кроме того, вместо приема и передачи информации на наземную станцию 2 многолучевая спутниковая система может передать информацию на другой спутник или напрямую между абонентскими местоположениями.
Согласно фиг.2 многолучевая спутниковая система 1 содержит прямую линию связи и обратную линию связи. В прямом направлении приемник 4 принимает от наземной станции 2 входной сигнал, содержащий множество частотных каналов, и преобразует его с понижением частоты в основной диапазон частот понижающим преобразователем 5. Принятые входные сигналы затем разделяются через один или более разделителей 6 сигнала и направляются к цифровому сигнальному процессору 7 (DSP), который обеспечивает диаграммообразующую схему. Цифровой сигнальный процессор 7 обрабатывает и направляет принятые входные сигналы для формирования требуемых лучей для местоположений 3 абонентов. Требуемые лучи создаются посредством направления сигнала по множеству трактов и настройки фазы и амплитуды сигнала для каждого тракта для формирования требуемых лучей. Выходные сигналы цифрового сигнального процессора 7 затем преобразуются с повышением частоты повышающим преобразователем 8 в рабочий радиочастотный (RF) диапазон частот, усиливаются усилителями 9 и передаются в лучах выбранных пользователей нисходящей линии связи подсистемой 10 рефлектора антенны с множеством облучателей. Усилитель 9 может содержать множество усилителей с множеством портов, каждый из которых обслуживает часть трактов. Подсистема 10 рефлектора антенны с множеством облучателей содержит множество облучателей 10a, по одному для каждого тракта, по которому направляются сигналы в цифровом сигнальном процессоре 7.
В некоторых вариантах осуществления цифровой сигнальный процессор может содержать множество модулей цифрового сигнального процессора. Каждый модуль обрабатывает часть сигналов от разделителя 6. Каждый модуль 7 цифрового сигнального процессора может обеспечить аналого-цифровое преобразование, направление канала к лучу, отображение частоты (включая преобразование частоты) для поддержки планирования рабочих частот и многократного использования частот, формирование луча канала и цифроаналоговое преобразование для части входного сигнала.
Аналогично в обратном направлении входные сигналы принимаются множеством отдельных облучателей 10a подсистемы 10 рефлектора антенны с множеством облучателей и направляются по различных трактам к усилителю 11. Затем сигналы усиливаются усилителем 11 и преобразуются с понижением частоты понижающим преобразователем 12 в основной диапазон частот для обработки. Сигналы, преобразованные с понижением частоты, затем обрабатываются и объединяются цифровым сигнальным процессором 13 (DSP) и объединителем 14, преобразуются с повышением частоты повышающим преобразователем 15 на частоту, подходящую для передачи на наземную станцию 2, и передаются передатчиком 16. Усилитель 11 может содержать малошумящий усилитель для каждого тракта.
В некоторых вариантах осуществления цифровой сигнальный процессор 13 содержит множество модулей, каждый модуль приспособлен для обработки сигналов от части облучателей. Каждый модуль цифрового сигнального процессора обеспечивает аналого-цифровое преобразование сигнала основного диапазона частот, формирование лучей и цифроаналоговое преобразование. Модули 13 цифрового сигнального процессора могут также обеспечить фильтры подавления помех, смесители для смешивания сигналов с частотами гетеродина, возможности регулировки усиления и полосовые фильтры.
Хотя не показано, подсистема 10 рефлектора антенны с множеством облучателей на фиг.2 может содержать диплексер для каждого облучателя и рефлектора. Кроме того, хотя приемник 4 и передатчик 16 для приема и передачи сигналов одной и той же наземной станции показаны как отдельные компоненты, они могут являться частью одного и того же компонента.
Так как формирование луча основывается на том, какие фаза и амплитуда сигнала для определенного облучателя установлены относительно фазы и амплитуды сигнала для другого облучателя, важно знать смещения фазы и амплитуды каждого тракта, по которому сигнал может проходить через бортовую аппаратуру спутника. Прямой цифровой сигнальный процессор обычно имеет малое количество входов и большое количество выходов, определяющих тракты к большому количеству облучателей. Следовательно, прямой канал передачи содержит множество возможных путей передачи, каждый тракт определяется конкретным входом цифрового сигнального процессора и конкретным трактом от цифрового сигнального процессора до облучателя. Аналогично в обратной линии связи, цифровой сигнальный процессор имеет большое количество входов, соответствующих большому количеству облучателей, и малое количество выходов к объединителю. Поэтому обратная линия связи имеет множество возможных трактов, каждый тракт определяется трактом от конкретного облучателя и выходом на объединитель.
Наличие кабелей в каналах передачи и оборудовании, используемом для преобразования частоты, фильтрации и усиления, приводит к задержкам, а также амплитудным и фазовым разницам в трактах. Так как различные тракты могут содержать различное оборудование и кабели, фазовый и амплитудный сдвиг сигнала в одном тракте может отличаться от фазового и амплитудного сдвига в другом тракте. Например, фаза и амплитуда сигнала в прямой линии связи, проходящей через первый разделитель к первому входу первого цифрового модуля 7 процессора и после этого через первый выход к первому усилителю 9 с множеством портов, могут отличаться от фазы и амплитуды сигнала, проходящего через второй разделитель ко второму входу второго модуля цифрового сигнального процессора и затем через второй выход ко второму усилителю с множеством портов.
Система калибруется перед запуском при температуре окружающей среды для определения фазового и амплитудного сдвига вдоль каждого тракта. Однако сдвиг фаз вдоль каждого тракта может измениться после запуска спутника из-за температурных изменений, влияния окружающей среды, изменений в резервной конфигурации каналов передачи и старения. Поэтому система должна время от времени калиброваться заново. Тогда любое отклонение из-за температуры или срока службы может быть замечено при сравнении результата калибровки бортовой аппаратуры на орбите с начальной калибровкой на земле.
Система содержит калибровочную подсистему 17 для нахождения фазового и амплитудного сдвига в трактах. Ниже будет описано определение калибровочной подсистемой смещения фазы и амплитуды в трактах от разделителя 6 до усилителя 9 в цепи прямой связи и от усилителя 11 до объединителя 14 в цепи обратной связи. Однако следует иметь в виду, что это лишь пример, и калибровочные тракты могут включать в себя больше или меньше компонентов.
В цепи прямой связи калибровочная подсистема 17 вводит калибровочный тон в разделители 6 и извлекает калибровочный тон с выбранного выхода усилителей 9 и определяет смещение фазы и амплитуды сигнала. Как будет описано более подробно ниже, смещение фазы и амплитуды может быть определено или относительно другого тракта или относительно чистого калибровочного сигнала. Также измерения фазы и амплитуды в тракте могут проводиться повторно для множества различных частот, чтобы сделать возможной экстраполяцию результатов на любую рабочую частоту многолучевой спутниковой системы. Результаты отправляются на наземную станцию 2, которая вычисляет коррекции, которые необходимо применить в канале передачи на данной частоте. Инструкции для реализации коррекций возвращаются на многолучевую спутниковую систему 1. Например, инструкции могут возвращаться прямо цифровому сигнальному процессору 7 или через калибровочную подсистему 17. Коррекции применяются посредством регулировки фазовых и амплитудных весовых коэффициентов в диаграммообразующей схеме в цифровом сигнальном процессоре 7.
В цепи обратной связи калибровочная подсистема 17 вводит калибровочный тон на вход усилителя 11. Затем калибровочная подсистема извлекает калибровочный тон из объединителя 14 и определяет фазовый и амплитудный сдвиг в тракте. Опять же, фазовый и амплитудный сдвиги могут быть определены или относительно другого тракта или относительно чистого калибровочного сигнала. Измерение фазы и амплитуды в тракте могут также повторяться для множества различных частот, чтобы сделать возможной экстраполяцию результатов на любую рабочую частоту. Опять же, результаты измерений отправляют на наземную станцию 2, которая вычисляет коррекции, которые необходимо применить к сигналу заданной частоты в канале передачи. Инструкции для реализации коррекций для каналов передачи возвращаются на многолучевую спутниковую систему. Например, инструкции могут возвращаться прямо цифровому сигнальному процессору 13 или через калибровочную подсистему 17. Коррекции применяются посредством регулировки фазовых и амплитудных весовых коэффициентов в системе формирования диаграммы направленности антенны в цифровом сигнальном процессоре 13 цепи обратной связи.
Далее со ссылкой на фиг.3 описан поток сигналов в системе согласно первому варианту осуществления изобретения. Калибровочная подсистема 17 содержит прямой калибровочный модуль 18 для измерений относительной фазы и амплитуды опорного и тестового трактов, модуль 19 селекторного переключателя для выбора трактов для измерений, обратный калибровочный модуль 20 для измерений относительной фазы и амплитуды сигнала в обратном опорном и тестовом трактах, блок 21 переключения для ввода обратных калибровочных тонов в выбранные тракты для усилителей 11 и общий модуль 22 генератора частоты (FGU). Прямой и обратный калибровочные модули 18, 20 могут содержать процессоры для коррелирования сигналов в опорном и тестовом трактах для нахождения относительных смещений фазы и амплитуды. Для реализации модуля 19 селекторного переключателя и блока 21 переключения для ввода может использоваться любой тип подходящих элементов связи и переключателей. Элементы связи также могут использоваться для введения калибровочного тона в разделители 6 и извлечения сигналов, содержащих калибровочные тона, из опорного и тестового трактов. Элементы связи для извлечения сигналов из трактов могут содержаться в модуле 19 селекторного переключателя и обратном калибровочном модуле 20.
В прямом тракте по инструкции прямого калибровочного модуля 18 модуль 22 генератора частоты генерирует калибровочный тон подходящей частоты. Как правило, для калибровочного тона выбирается частотный канал, не занятый трафиком в прямом тракте. Калибровочный тон подается на разделители 6, которые вводят калибровочный тон в выбранные выходы разделителей 6, ведущие к выбранным входам цифрового сигнального процессора 7. Как правило, цифровой сигнальный процессор 7 имеет по меньшей мере два входа и направляет сигнал и калибровочные тона через многопортовые усилители 9 к 120 различным облучателям 10a в подсистеме 10 рефлектора антенны с множеством облучателей. Модуль 19 селекторного переключателя выделяет сигнал в опорном тракте и тестовом тракте на выходах усилителей 9 и направляет выделенные сигналы к прямому калибровочному модулю 18, чтобы сделать возможным определение прямым калибровочным модулем 18 амплитудной и фазовой разницы между калибровочными тонами этих двух трактов. Опорный тракт может быть трактом, содержащим первый вход цифрового сигнального процессора и тракт от цифрового сигнального процессора до первого облучателя в подсистеме многолучевой антенны. Тестовый тракт может первоначально выбираться как тракт через первый вход цифрового сигнального процессора 7 и выход, ведущий ко второму облучателю в подсистеме 10 многолучевой антенны.
В обратном тракте по инструкции обратного калибровочного модуля 20 модуль 22 генератора частоты генерирует и направляет калибровочный тон подходящей частоты к блоку 21 переключения для ввода. Частота калибровочного тона выбирается так, чтобы не создавать помех трафику в обратном направлении. Затем калибровочный тон вводится блоком 21 переключения в два входа усилителя 11 и объединяется с сигналами, принятыми от двух из 120 различных облучателей. Сигнал от этих 120 облучателей и калибровочные тона усиливаются усилителем 11, обрабатываются и объединяются обратным цифровым сигнальным процессором 13 и объединяются объединителем 14. Затем калибровочные тона и сигналы трафика, полученные в объединителе с двух выходов цифрового сигнального процессора, извлекаются, а обратный калибровочный модуль 20 определяет фазовую и амплитудную разность между калибровочными тонами этих двух трактов. Опорный тракт может быть трактом, начинающимся в первом облучателе подсистемы 10 многолучевой антенны и проходящим через первый выход цифрового сигнального процессора. Тестовый тракт может первоначально выбираться как тракт, начинающийся во втором облучателе и проходящий через второй выход цифрового сигнального процессора.
Чтобы гарантировать, что все тракты в системе откалиброваны, модуль 19 селекторного переключателя в прямой линии связи и блок 21 переключения для ввода выполнены с возможностью выделения/введения калибровочного тона из/в нового тестового тракта. Измерения могут повторяться до тех пор, пока не собрано достаточно данных, чтобы сделать возможным вычисление относительных фазовых и амплитудных разностей всех трактов по сравнению с опорным трактом на тестируемой калибровочной тональной частоте. Согласно некоторым вариантам осуществления в прямой линии связи для данного входа цифрового сигнального процессора измерения фазы и амплитуды могут выполняться для каждого тракта от цифрового сигнального процессора до облучателя. Кроме того, для данного выхода к облучателю измерения фазы и амплитуды могут выполняться для каждого входа цифрового сигнального процессора. Аналогично в обратной линии связи для данного выхода цифрового сигнального процессора измерения фазы и амплитуды могут выполняться для каждого тракта от облучателя до цифрового сигнального процессора, и для данного тракта от облучателя до цифрового сигнального процессора измерения фазы и амплитуды могут выполняться для каждого выхода цифрового сигнала. Различные измерения подробно описаны ниже со ссылкой на фиг.6, 7, 8 и 9.
Как упомянуто выше, измерения также повторяются для двух различных частот, чтобы сделать возможным вычисление относительных фазовой и амплитудной разностей всех трактов по сравнению с опорным трактом на любой рабочей частоте. Измерения на различных частотах описаны более подробно ниже со ссылкой на фиг.4 и 5.
1
1
2
1
2
2
1
2
1
2
Согласно фиг.4 Δθ является разностью фаз между двумя трактами для калибровочного тона частоты ω. В предшествующем уровне техники предполагалось, что разность фаз между этими двумя трактами для калибровочного тона на частоте ω была также равной Δθ. Это может быть удовлетворительным приближением в системах, в которых изменения частоты очень малы. Однако в системах, которые должны быть в состоянии обрабатывать трафик различных частот, это приближение является неудовлетворительным. Если бы применялась коррекция, основанная на калибровочном измерении на одной частоте, примененный корректирующий коэффициент был бы не в состоянии нейтрализовать погрешности фазы в заданных пределах на других частотах в пределах рабочего диапазона частот системы. Изобретение решает эту проблему посредством определения сдвига фаз на другой частоте ω. Согласно фиг.4, Δθ определяется как сдвиг фаз на этой частоте. Используя ω, ω, Δθ и Δθ, сдвиг фаз на любой частоте может быть определен экстраполяцией.
Следует иметь в виду, что фиг.4 является только принципиальной схемой, и фазовые различия не обязательно линейно зависят от частоты, поскольку они формируются и из частотно-зависимых и из частотно-независимых относительных временных задержек. Можно положить, что фаза канала передачи имеет три компонента: 1) линейный компонент, пропорциональный частоте, обусловленный частотно-независимыми задержками, 2) постоянное смещение фазы, обусловленное задержками или изменениями фазы сигнала гетеродина повышающего или понижающего преобразователя и 3) нелинейный компонент, который является результатом рабочей частоты и частотно-зависимых задержек оборудования, такого как фильтры, усилители и любое другое нелинейное устройство. Когда каналы передачи содержат компоненты со значительными нелинейными фазовыми и амплитудными характеристиками, значения могут быть скорректированы, как показано на фиг.5, путем поиска технических данных об оборудовании для нелинейных компонентов.
1
2
1
1
2
2
l
2
3
3
3
Согласно фиг.5 нелинейность фильтра в канале передачи приводит к тому, что суммарное изменение фазы в канале передачи сильно нелинейно относительно частоты. Согласно изобретению производятся два измерения 23a, 24a для одного тракта на двух различных частотах ω, ω. Измерения показывают, что фазовый сдвиг в тракте равен Δθ' на частоте ω и Δθ' - на частоте ω. Известно, что на эти измерения влияет нелинейность фильтра. Из технических данных для оборудования производителя, полученных экспериментально или как результат моделирований, для каждой частоты известен фазовый сдвиг, привносимый фильтром. Следовательно, на наземной станции 2 отслеживается фазовый сдвиг фильтра на частотах ω, ω, и измерения 23a и 24a корректируются для получения скорректированных фазовых сдвигов 23b и 24b, как показано на фиг.5. По этим значениям для тракта требуется получить ожидаемый фазовый сдвиг 25a на частоте ω, который принимает во внимание фазовый сдвиг, добавляемый фильтром. Чтобы получить ожидаемый фазовый сдвиг, значения экстраполируются, полагая линейную зависимость между фазой и частотой, для нахождения нескорректированного фазового сдвига 25b на частоте ω. Затем находят фазовый сдвиг фильтра и прибавляют к нескорректированному фазовому сдвигу 25b, чтобы найти скорректированный фазовый сдвиг 25a. Затем наземная станция 2 возвращает на бортовую аппаратуру спутника скорректированное значение 25a фазового сдвига, которое будет применено к тракту в диаграммообразующей схеме. Как показано на фиг.5, если два начальных измерения фазового сдвига были экстраполированы без коррекций (см. пунктирную линию), то прогнозируемое значение для частоты ω было бы некорректным.
Хотя были описаны коррекции для фильтра, следует иметь в виду, что коррекции могут применяться для любого нелинейного устройства или группы нелинейных устройств. Коррекции могут быть получены из технических данных об оборудовании для нелинейных устройств. Технические данные для оборудования могут предоставляться производителем или могут быть получены экспериментально или как результат моделирований до или после запуска. Технические данные для оборудования могут быть сохранены в справочной таблице в памяти на наземной станции. Так как поведение нелинейного устройства может меняться в зависимости от температуры, спутниковая бортовая аппаратура может также содержать датчик температуры, и коррекции могут применяться с учетом температуры, регистрируемой датчиком температуры.
Хотя было описано, что коррекции применяются на наземной радиостанции, также возможно, что коррекции применяются к измеренному значению до отправки на наземную радиостанцию и, аналогично, что коррекция вычисляется в бортовой аппаратуре спутника для ожидаемого значения, посланного наземной станцией 2. Поэтому технические данные для оборудования могут быть сохранены в памяти бортовой аппаратуры спутника в дополнение или как альтернатива сохранению на наземной станции.
Кроме того, фиг.4 и 5 показывают только фазовый сдвиг. Следует иметь в виду, что соответствующие вычисления могут быть выполнены для амплитудного сдвига в каналах передачи.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения измерения также выполняются с учетом преобразования частоты сигналов, выполняемого цифровыми сигнальными процессорами 7, 13. Преобразования частоты в цифровом сигнальном процессоре также влияют на фазовый сдвиг, потому что при изменении частоты сигнала меняются и амплитудные и фазовые сдвиги. Учитывая преобразования частоты в вычислениях заданных фазовых и амплитудных сдвигов, могут быть определены правильные фазовый и амплитудный сдвиги для любой начальной частоты и любого преобразования частоты. Определяя фазовые и амплитудные сдвиги тестового тракта для двух различных начальных калибровочных частот тона и для двух различных преобразований частоты, можно также определить, какая часть фазовых и амплитудных сдвигов имела место до преобразования частоты и какая часть фазовых и амплитудных сдвигов имела место после преобразования частоты.
cal1
DSP1
cal2
DSP1
cal2
DSP2
Далее описан процесс выполнения измерений на различных частотах со ссылкой на фиг.6-9. Процесс описан только для прямой линии связи. Однако очевидно, что соответствующий способ может использоваться для обратной линии связи. Согласно фиг.6 цифровой сигнальный процессор содержит М вводов и N выводов, ведущих к N облучателям. Первая последовательность измерений для различных трактов выполняется для первой калибровочной частоты ω тона и первого преобразования частоты на частоту ω. Затем вторая последовательность измерений для различных трактов выполняется для второй калибровочной частоты ω тона и первого преобразования частоты на частоту ω. Наконец третья последовательность измерений для различных трактов выполняется для второй калибровочной частоты ω тона и второго преобразования частоты на частоту ω. Измерения позволяют вычислить для любой начальной частоты фазовые и амплитудные сдвиги каждого тракта, ведущего к цифровому сигнальному процессору 7, а также вычислить для любого преобразования частоты фазовые и амплитудные сдвиги каждого тракта, ведущего от цифрового сигнального процессора 7 к облучателю 10a. Для всех измерений будет предполагаться, что опорный тракт определяется первым входом к цифровому сигнальному процессору, m=1, и первым облучателем, n=1, как показано на фиг.6.
cal1
DSP1
Далее описана первая последовательность измерений со ссылкой на фиг.7. Измерение начинается на этапе S1. Измерения могут запускаться наземной станцией 2. На этапе S2 модулю 22 генератора частоты дается команда генерировать калибровочный тон частоты ω, и на этапе S3 цифровой сигнальный процессор 7 (DSP) в цепи прямой связи устанавливается в режим преобразования сигнала на частоту ω. Затем калибровочный модуль 18 выбирает тестовый тракт на этапе S4 и дает соответствующие команды разделителям 6 и блоку 21 переключателя для выбора. Как правило, первоначально тестовым трактом выбирается тракт, содержащий второй вход к цифровому сигнальному процессору, m=2, и выход ко второму облучателю, n=2. Затем сигналы извлекаются из тестового и опорного трактов и направляются к калибровочному модулю 18 от модуля 19 селекторного переключателя. Затем на этапе S5 калибровочный модуль 18 определяет фазовую и амплитудную разности между калибровочными тонами двух сигналов. Если на этапе S6 были проверены разности фаз не всех входов, то есть если номер входа m меньше номера последнего входа М, то на этапе S7 калибровочный модуль 18 выбирает новый вход, например, увеличивая m на 1, и дает разделителю 6 команду вводить калибровочный тон в новый вход. В этом случае этап S4 повторяется для нового тестового тракта.
cal2
DSP1
Далее описана вторая последовательность измерений со ссылкой на фиг.8. Измерения начинаются на этапе S9. На этапе S10 модулю 22 генератора частоты дается команда генерировать новый калибровочный тон частоты ω, и на этапе S11 цифровой сигнальный процессор 7 (DSP) устанавливается в режим преобразования сигнала на частоту ω. Затем на этапе S12 калибровочный модуль 18 выбирает тестовый тракт. Тестовым трактом может быть выбран тракт, содержащий второй вход к цифровому сигнальному процессору, m=2, и второй выход от цифрового сигнального процессора, ведущий ко второму облучателю, n=2. На разделитель подается команда ввести калибровочный тон в сигнал для второго входа цифрового сигнального процессора, а на модуль 19 селекторного переключателя подается команда направить сигнал в тракт ко второму облучателю к прямому калибровочному модулю 18. Затем на этапе S13 калибровочный модуль 18 определяет фазовую и амплитудную разности между калибровочными тонами двух сигналов. Если на этапе S14 были проверены фазовые разности не всех входов, то есть если номер входа m меньше номера последнего ввода М, то на этапе S15 калибровочный модуль 18 выбирает новый вход, например, увеличивая m на 1, и дает разделителю команду ввести калибровочный тон в новый вход. В этом случае этап S13 повторяется для нового тестового тракта. Когда фазовый и амплитудный сдвиг всех возможных трактов к выбранному облучателю были сравнены с фазовым и амплитудным сдвигом опорного тракта, процесс переходит к этапу S16 для измерения фазового и амплитудного сдвига всех трактов от одного входа до всех облучателей. На этапе S16 тестовый тракт выбирается так, чтобы он содержал первый вход к цифровому сигнальному процессору 7 и тракт ко второму облучателю. Затем процесс повторяется для трактов от первого входа до всех облучателей и определяется фазовая и амплитудная разность между трактами на этапах S17, S18 и S19. Когда было выполнено сравнение фазы и амплитуды трактов от первого входа до всех облучателей с опорным трактом, то есть номер тракта к облучателю, n, равен общему количеству трактов, N, вторая последовательность измерений заканчивается на этапе S20.
cal2
DSP2
Далее описана третья последовательность измерений со ссылкой на фиг.9. Измерения начинаются на этапе S21. На этапе S22 модулю 22 генератора частоты дается команда генерировать новый калибровочный тон частоты ω, и на этапе S23 цифровой сигнальный процессор 7 (DSP) устанавливается в режим преобразования сигнала на частоту ω. Затем на этапе S24 калибровочный модуль 18 выбирает тестовый тракт. Тестовым трактом может быть выбран тракт, содержащий первый вход к цифровому сигнальному процессору, m=1, и второй выход от цифрового сигнального процессора, ведущий ко второму облучателю, n=2. Затем извлекаются сигналы из тестового и опорного трактов и направляются к калибровочному модулю 18, который на этапе S25 определяет фазовую и амплитудную разность между калибровочными тонами из этих двух трактов. Если на этапе S26 были проверены фазовые и амплитудные разности не всех трактов между первым входом и облучателями, то есть если номер тракта к облучателю, n, меньше, чем общее количество облучателей, N, то на этапе S27 калибровочный модуль 18 выбирает новый тракт, например, увеличивая n на 1, и дает модулю 19 селекторного переключателя команду направить сигнал в другой тракт. В этом случае этап S25 повторяется для нового тестового тракта. Если выполнено сравнение фазового и амплитудного сдвига всех возможных трактов от первого входа до облучателей с фазовым и амплитудным сдвигом опорного тракта, процесс переходит к этапу S28, и третья последовательность измерений заканчивается.
В результате относительные фазовые и амплитудные сдвиги в трактах, ведущих до цифрового сигнального процессора, измерены для двух различных частот, а также для двух различных частот измерены относительные фазовые и амплитудные сдвиги в трактах, ведущих от цифрового сигнального процессора к облучателям. Следовательно, может быть вычислен фазовый и амплитудный сдвиг в любом тракте с любой начальной частотой и для любого преобразования частоты. Следует иметь в виду, что хотя опорный тракт и начальные тестовые тракты были описаны как заданные тракты со ссылкой на фиг.6-9, в качестве опорного тракта и начального тестового тракта могут быть выбраны любые два тракта.
Наземная станция 2 получает измеренные фазовые и амплитудные сдвиги и вычисляет фазовые и амплитудные коррекции, которые должны быть применены в каждом тракте, чтобы откалибровать систему на основании измерений, полученных от калибровочных модулей. Расчеты не описываются здесь подробно, так как специалистам в данной области техники известно, как вычислить требуемые фазовые и амплитудные коррекции, если результаты измерений, описанных выше, были получены. Измерения могут посылаться на наземную станцию после каждого измерения или после того, как все измерения, описанные со ссылкой на фиг.7-9, были завершены.
Следует иметь в виду, что компоненты калибровочной подсистемы 17 могут быть реализованы как аппаратные средства или как программное обеспечение или как комбинация аппаратного и программного обеспечения.
При некоторых обстоятельствах вместо применения калибровочного тона к каждому тракту последовательно тон может быть применен ко всем трактам одновременно. Аналогично два тона различных частот могут быть применены одновременно.
Следует иметь в виду, что хотя выше было описано, что расчеты для нахождения фазовых и амплитудных коррекций выполняются на наземной станции, расчеты могут также выполняться на борту спутника.
Со ссылкой на фиг.10 показан другой вариант осуществления, который обеспечивает преимущества, когда нет запасных частотных каналов, чтобы выбрать их для калибровочного тона, или когда на калибровочной частоте тона есть помехи. В случае этого варианта осуществления прямой калибровочный модуль 18 содержит модуль 26 корреляции, соединенный с модулем 22 генератора частоты и модулем 27 сравнения. Кроме того, обратный калибровочный модуль 20 содержит модуль 28 корреляции, соединенный с модулем 22 генератора частоты и модулем 29 сравнения. Другие показанные компоненты такие же, как на фиг.3, а потому их подробное описание опущено. Прямой модуль 26 корреляции получает чистый калибровочный тон, преобразованный так, чтобы иметь частоту, на которую преобразуется сигнал в тестовом и опорном трактах в прямом цифровом сигнальном процессоре 7 (DSP). Затем модуль 26 корреляции коррелирует тестовый и опорный сигналы в прямой линии связи с чистым калибровочным тоном для нахождения фазового и амплитудного сдвига тестового и опорного сигналов. Затем, как и прежде фазовый и амплитудный сдвиг тестового и опорного сигналов сравниваются в модуле 27 сравнения для нахождения относительных фазового и амплитудного сдвигов. Аналогично, обратный модуль 28 корреляции получает чистый калибровочный тон, преобразованный так, чтобы иметь частоту, на которую преобразуется сигнал в тестовом и опорном трактах обратным цифровым сигнальным процессором 13 (DSP). Затем модуль 28 корреляции коррелирует тестовый и опорный сигналы с чистым калибровочным тоном для нахождения фазового и амплитудного сдвига тестового и опорного сигналов. Затем, как и прежде, фазовый и амплитудный сдвиг тестового и опорного трактов в обратной линии связи сравниваются в модуле 29 сравнения для нахождения относительных фазовых и амплитудных сдвигов. Посредством коррелирования опорных и тестовых сигналов с чистым калибровочным тоном эффекты помех и другого трафика на калибровочной тональной частоте могут быть минимизированы.
Еще один вариант осуществления показан на фиг.11. В этом варианте осуществления вместо фазового и амплитудного сдвига относительно тестового тракта ищется фазовый и амплитудный сдвиг тестового тракта относительно фиксированного эталона. Фиксированный эталон может быть чистым калибровочным тоном от модуля 22 генератора частоты, не прошедшим через цифровой сигнальный процессор 7, 13. Прямой калибровочный модуль 18 соединен напрямую с модулем 22 генератора частоты, а селекторный модуль 19 устроен так, чтобы только направлять сигнал от одного тракта, тестового тракта, к прямому калибровочному модулю. Аналогично обратный калибровочный модуль 20 соединен напрямую с модулем генератора частоты, модуль 21 ввода выполнен с возможностью только вводить калибровочный тон в один тракт, тестовый тракт, а обратный калибровочный модуль 20 выполнен с возможностью только получать калибровочный тон из тестового тракта. Другие показанные компоненты такие же, как на фиг.3, поэтому их подробное описание опущено. Прямой и обратный калибровочные модули 18, 20 коррелируют извлеченный калибровочный тон с чистым калибровочным тоном, преобразованным так, чтобы иметь такую же частоту, как извлеченные калибровочные тона, и определяют фазовый и амплитудный сдвиг тестового тракта. Найденный фазовый и амплитудный сдвиг для тестового тракта отправляется на наземную станцию 2, чтобы сделать возможным вычисление наземной станцией фазового и амплитудного сдвига для тестового тракта на других частотах.
Следует иметь в виду, что способ коррекции смещений амплитуды и фазы, привнесенных нелинейными компонентами в канале передачи, который был описан со ссылкой на фиг.5, может также использоваться в варианте осуществления по фиг.10 и 11. Кроме того, способ по фиг.6-9 может также использоваться в вариантах осуществления по фиг.10 и 11. В варианте осуществления по фиг.11 способ по фиг.6-9 модифицируется так, чтобы определять фазовое и амплитудное смещение всех трактов на этапах S5, S13, S17 и S25 относительно фиксированного эталона вместо фазового и амплитудного смещения относительно опорного тракта.
Хотя выше были описаны конкретные примеры изобретения, объем изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и не ограничивается примерами. Поэтому изобретение может быть реализовано иными способами, что очевидно специалистам в данной области техники.
Например, хотя была описана реализация изобретения в многолучевой спутниковой системе, изобретение может также использоваться в других системах обработки сигнала.