МНОГОПОРТОВЫЕ УСИЛИТЕЛИ В СПУТНИКАХ СВЯЗИ
MULTIPORT AMPLIFIERS IN COMMUNICATION SATELLITES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к многопортовым усилителям, предназначенным для использования в системе спутниковой связи, и, в частности, к способу и устройству для поддержания развязки в многопортовых усилителях.
Уровень техники
В публикации Alan Couchman, Daryl Jones, "Multiport Amplifiers for Ka-band Multi-beam Payloads with Amplitude/Phase Compensation", Proceedings of the The 13th Ka and Broadband Communications Conference, Turin Italy, September 24-26, 2007, pp.527-534 описаны многопортовые усилители (MPA) как средство повышения гибкости нагрузки в множестве лучей Ka-диапазона. Однако в Ka-диапазоне техническое обслуживание отслеживания в MPA становится большой проблемой. Решение состоит в использовании контуров обратной связи, установленных в специфичных точках MPA для детектирования ошибок отслеживания и обеспечения компенсации. Ошибки детектируют путем измерения в "нулевых точках" выходной сети MPA, где нулевая мощность соответствует точному отслеживанию. Контуры обратной связи регулируют фазу/усиление MPA таким образом, что уровни в этих точках поддерживают на нуле. Схема работает с пилотным сигналом для детектирования нуля, вводимым в один из входов MPA. Сигнал может быть сгенерирован на борту спутника и может находиться за пределами пространства нормального трафика, обеспечивая невмешательство в схему.
В то время как это решение является очень эффективным при поддержании развязки, тем не менее, в нем используется существенное количество установленных на борту аппаратных средств, и оно предъявляет значительные требования к объему обработки на борту. Поскольку эти требования относятся к ресурсам, пользующимся повышенным спросом на борту спутников связи, могут потребоваться дополнительные улучшения для поддержания развязки в MPA.
MPA представляет собой хорошо известное устройство усилителя мощности, используемое для спутниковой связи, которое работает в микроволновых частотных диапазонах. MPA включает в себя множество N аналогичных модулей усилителей (на TWT (ЛБВ, лампа бегущей волны) или твердотельных), установленных параллельно, каждый из которых имеет мощность P, таким образом, что каждый входной сигнал усиливают в равной степени каждым усилителем для потенциального повышения мощности выходного сигнала с коэффициентом N до PxN. N входных портов и N выходных портов предусмотрены таким образом, что входной сигнал на одном входном порту направляют в соответствующий выходной порт. Входные порты соединены с модулями усилителей с использованием входной схемы низкой мощности (INET), которая может быть выполнена на основе любой удобной технологии линии передачи, которая соответствует данным обстоятельствам, например, на основе микрополосковой линии, полосковой линии, коаксиального кабеля или волновода. Выходные порты соединены с модулями усилителя с помощью выходной схемы высокой мощности (ONET), которая обычно воплощена с использованием технологии линии с малыми потерями. ONET математически представляет собой обратную величину для INET, таким образом, что сигнал, представленный на n-ом входе, направляют на n-й выход. Каждая схема содержит массив волноводных устройств деления сигнала. Для деления сигнала обычно используют матрицы Батлера или схемы, содержащие только гибридные устройства, поскольку они имеют удобные свойства усиления и сдвига фазы. Гибридная схема представляет собой устройство деления сигнала с четырьмя портами, содержащее два входа и два вывода с избирательным сдвигом фазы на 90°; такую разность фаз можно использовать для улучшения характеристики развязки схемы. Однако можно использовать другие гибридные схемы и другие устройства деления сигнала, которые могут иметь разность фаз 180°.
Значительное преимущество MPA состоит в том, что они обеспечивают доступ к каждому входному порту в равной степени для каждого усилителя, при этом достижимая мощность, которая доступна для каждого порта, составляет N x P, где P представляет собой мощность каждого отдельного усилителя. Таким образом, MPA воплощает высокую степень гибкости, обеспечивая широкий диапазон выходной мощности, которую можно динамически и чрезвычайно гибко совместно использовать между N входами (или нисходящими лучами). Однако сопутствующая проблема, связанная с MPA, состоит в высоком уровне перекрестных помех между выходными портами MPA, и, в общем, недостаточной развязки между сигналами, направляемыми через MPA.
Раскрытие изобретения
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить многопортовый усилитель для спутника связи, а также способ и средство для поддержания развязки между сигналами, направляемыми через многопортовый усилитель.
В целях настоящего описания многопортовый усилитель определен как содержащий множество модулей микроволновых усилителей мощности, множество входных портов и множество выходных портов, причем входные порты подключены к упомянутым модулям усилителей через схему деления входного сигнала, и выходные порты подключены к упомянутым модулями усилителей через схему деления выходного сигнала, таким образом, что входной сигнал в любом входном порту усиливается в равной степени в нормальных или типичных условиях всеми модулями усилителей, и затем рекомбинируется в выходной сигнал в выходном порту: такой многопортовый усилитель ниже называется "многопортовым усилителем, согласно определению".
В первом аспекте, изобретение направлено на способ регулирования коэффициента усиления и/или характеристик фазы многопортового усилителя спутника связи для улучшения развязки сигналов в многопортовом усилителе, причем многопортовый усилитель содержит множество модулей микроволновых усилителей мощности, множество входных портов и множество выходных портов, входные порты подключены к упомянутым модулям усилителей посредством схемы деления входного сигнала, и выходные порты подключены к упомянутым модулям усилителя посредством схемы деления выходного сигнала, таким образом, что входной сигнал в любом входном порту усиливается всеми модулями усилителей, и затем рекомбинируется в выходной сигнал в выходном порту, причем способ содержит этапы, на которых:
обеспечивают, по меньшей мере, в одном из упомянутых модулей усилителей средство регулирования усиления и средство регулирования фазы,
предоставляют входные сигналы, по меньшей мере, в некоторые из упомянутых входных портов и детектируют полученные в результате выходные сигналы, по меньшей мере, в некоторых из упомянутых выходных портов,
предоставляют детектированные версии упомянутых выходных сигналов в средство эмуляции многопортового усилителя, причем упомянутое средство эмуляции выполняет эмуляцию характеристик многопортового усилителя таким образом, что обеспечивает возможность оценки составляющих перекрестных помех в упомянутых детектированных версиях, и в ответ на это выдают требуемые команды регулирования в упомянутое средство регулирования усиления и/или средство регулирования фазы.
В дополнительном аспекте, изобретение направлено на устройство многопортового усилителя для спутника связи, содержащее множество модулей микроволновых усилителей мощности, множество входных портов и множество выходных портов, причем входные порты подключены к упомянутым модулям усилителей посредством схемы деления входного сигнала, выходные порты подключены к упомянутым модулям усилителя посредством схемы деления выходного сигнала, таким образом, что входной сигнал в любом входном порту усиливается всеми модулями усилителей, и затем рекомбинируется в выходной сигнал в выходном порту, и, по меньшей мере, один из упомянутых модулей усилителей имеет средство регулирования усиления и средство регулирования фазы, средство для детектирования выходных сигналов в упомянутых выходных портах и для обеспечения детектированных версий упомянутых детектированных выходных сигналов в средство эмуляции многопортового усилителя, причем упомянутое средство эмуляции предназначено для эмуляции характеристик многопортового усилителя таким образом, чтобы обеспечить возможность оценки составляющих перекрестных помех в упомянутых детектированных версиях, и выполнено с возможностью обеспечения команд регулирования в упомянутое средство регулирования усиления и/или средство регулирования фазы.
Поскольку в соответствии с настоящим изобретением состояние многопортового усилителя можно оценивать и регулировать в соответствии с требованиями, используя входные сигналы передачи данных и выходные сигналы, которые получают при использовании многопортового усилителя, нет необходимости обеспечивать и детектировать характерные последовательности пилотных тонов, в отличие от технического решения, представленного в упомянутом выше ссылочном документе. Однако настоящее изобретение может работать с пилотными тонами, если это желательно.
Изобретение включает в себя свойство средства эмуляции многопортового усилителя, которое имитирует определенные аспекты или, по меньшей мере, один аспект многопортового усилителя для того, чтобы выполнить оценку выходных сигналов. Поскольку хорошо известно, что многопортовый усилитель может быть представлен как множество матриц (см., например, описанный выше ссылочный документ), это обеспечивает основу для составления эмулятора, который может быть выполнен в аналоговой форме, в цифровой форме, или с использованием комбинации этих двух подходов.
В одной компоновке, средство эмуляции может быть расположено внутри спутника связи, и включает в себя обратную матрицу многопортового усилителя, которая принимает упомянутые детектированные версии, и обеспечивает выходные сигналы, соответствующие упомянутым входным сигналам. (В аналоговой форме такая обратная матрица может содержать две матрицы из гибридных схем, соответствующих матрицам INET и ONET для MPA, но без усилителей). Такие соответствующие сигналы, однако, будут в некоторой степени искажены, в зависимости от вклада перекрестных помех, возникающих внутри многопортового усилителя. Такие соответствующие сигналы могут быть поданы в средство обработки сигналов, предпочтительно, процессор цифровых сигналов, в дополнение к фактическим входным сигналам, и может быть выполнена оценка по вкладу перекрестных помех. По существу процессор обработки сигналов может выполнять спектральный анализ составляющих перекрестных помех и оценку условий MPA, которые могут формировать такие составляющие перекрестных помех. С этой целью, процессор сигналов может включать в себя модель MPA, в которую могут быть поданы виртуальные входные сигналы, и виртуальные выходные сигналы могут быть получены вместе с измеряемыми компонентами перекрестных помех. Процессор сигналов, поэтому, можно рассматривать как эмулятор, в том смысле, что он имитирует MPA. Это может привести к некоторым выводам в отношении требуемых регулировок фазы и коэффициента усиления для многопортового усилителя. В настоящем изобретении учитывается, что, поскольку анализ сигнала требуется для реальных сигналов передачи данных, то некоторую форму частотно-зависимого анализа требуется выполнять для обработки появляющихся различных нежелательных составляющих. Эта функция позволила бы обеспечить простое сравнение компонентов в соответствии с возникающими условиями. Частотные компоненты, отсутствующие во входном сигнале, должны поступать из других каналов. Хотя частотное содержание изменяется с течением времени, по мере изменения содержания сигнала, в настоящем изобретении учитывается, что если анализ выполняется на основе сигнала модуляции, преобразованного с RF (РЧ, радиочастоты) с понижением частоты, то можно использовать подход на основе FFT (БПФ, быстрое преобразование Фурье), которым можно управлять в базовой полосе в соответствии с требованиями обработки.
Однако, поскольку обеспечение процессора цифровых сигналов может существенно повысить нагрузку для средств обработки на борту спутника, в соответствии с дополнительным свойством изобретения, является предпочтительным его расположение, по меньшей мере, частично, в наземной станции, для обеспечения средства эмуляции, и для обеспечения телеметрической линии связи в наземную станцию. В предпочтительной компоновке, упомянутое средство обратной матрицы остается на спутнике для выделения составляющих перекрестных помех из выходных сигналов, и эти составляющие передаются через телеметрическую линию связи в средство обработки сигналов, расположенное на наземной станции. На наземной станции, в свою очередь, требуется знать входные сигналы. Эта информация может быть удобно предоставлена путем осуществляемого на наземной станции мониторинга сигналов, передаваемых по восходящей линии связи, которые могут составлять основу для входных сигналов многопортового усилителя.
Дополнительное свойство изобретения состоит в том, что множество многопортовых усилителей можно отслеживать и регулировать, используя такое средство эмуляции. Средство переключателя селектора предусмотрено для последовательного предоставления детектированных версий выходных сигналов различных многопортовых усилителей в средство эмуляции. Аналогично, переключатели селектора обеспечиваются для избирательной подачи команд регулировки маршрута в соответствующие многопортовые усилители.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты воплощения изобретения будут описаны ниже со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг. 1 показана блок-схема 8-портового многопортового усилителя (MPA) известной конструкции, предназначенного для использования на спутнике связи;
на фиг. 2 показана гибридная схема, используемая в MPA по фиг. 1;
на фиг. 3 показана блок-схема, иллюстрирующая концепцию настоящего изобретения;
на фиг. 4 показана блок-схема первого варианта осуществления изобретения, в котором используется телеметрическая линия связи схемы эмуляции наземной станции для многопортового усилителя;
на фиг. 5 показана концептуальная схема наземной станции в соответствии со вторым вариантом осуществления; и
на фиг. 6 показана блок-схема второго варианта осуществления изобретения, использующего бортовые схемы эмуляции для многопортового усилителя.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
Схема 8-портового MPA показана фиг. 1, причем он имеет восемь входных портов p1-p8 и восемь выходных портов q1-q8. Она содержит набор из 3 столбцов t, x, у для 4 входных гибридных схем "а-m", один столбец 8 усилителей A1-A8 и набор из 3 столбцов t', x', y' для 4 выходных гибридных схем "a-m". 3 столбца t, x, у для 4 входных гибридных схем "а-m" относятся к входной схеме, и 3 столбца t', x', y' 4 выходных гибридных схем "а-m" относятся к выходной схеме. MPA также включает в себя набор регуляторов G, Θ усиления и фазы для отдельной регулировки каждого усилителя.
Определение цепи гибридной схемы (входной или выходной гибридной схемы) представлено на фиг. 2. Предполагается, что входной и выходной сигналы, p1 и p2 и q1 и q2 являются комплексными. Гибридная функция передачи представлена таким образом:
(1)
11
12
21
22
где С, С, С, C, все, представляют собой постоянные комплексные коэффициенты, которые могут быть представлены следующим образом:
(2)
В идеальном случае, для идеальной гибридной схемы все r =1√2, и все Θ = 0, и матрица передачи становится следующей:
(3)
Предполагается, что усилители являются идеально линейными с комплексным коэффициентом усиления A, представленным функцией:
(4)
В идеальном случае в ретрансляторе MPA все усилители согласованы и имеют одинаковую величину G и Θ. Однако, на практике, с течением времени величины G и Θ изменяются, и требуется коррекция, в противном случае в выходных сигналах MPA могут присутствовать существенные компоненты перекрестных помех. Схемы регулятора фазы и усиления расположены в отдельных каналах передачи сигналов непосредственно перед усилителями А (не показаны).
Описанные варианты осуществления изобретения относятся к настройке таких регуляторов усиления и фазы. В описанных вариантах осуществления, со ссылкой на чертежи, вместо ввода пилотных тоновых сигналов, используются сигналы передачи данных, которые поступают во время нормального использования MPA, для определения требуемых регулировок усиления и фазы. Эти сигналы измеряются на выходах MPA и преобразуются с понижением частоты для перевода измеренных выходных сигналов MPA в базовую полосу, то есть, таким образом получают только модулированный сигнал, который был пропущен через MPA, без несущей.
Хотя описанные выше варианты осуществления относятся к использованию для определения регулировок коэффициента усиления и фазы сигналов передачи данных, изобретение также применимо к использованию других сигналов, таких как вводимые пилотные тоны, как более подробно описано ниже.
Цифровую модель, работающую в автономном режиме, использовали в предпочтительных вариантах осуществления, и настраивали в соответствии с необходимостью. Эта модель первоначально была основана на идеальной матрице передачи MPA с дополнительными элементами для получения того же результата, что и у лучших MPA, которые можно было бы построить. Во время работы спутника также присутствует фаза настройки на орбите.
Во время использования цифровая модель может работать на основе наземного компьютера и может быть отрегулирована для имитации работы проверяемого MPA. Входные сигналы, соответствующие сигналам, подаваемым в проверяемый MPA, могут быть введены в цифровую модель, и модель адаптируется для определения необходимых регулировок характеристик усиления и фазы проверяемого MPA. Во время работы модели на земле, в общем, может требоваться передавать на спутник только требуемые установки усиления и фазы для каждого MPA через телеметрическую линию связи, которая может представлять собой линию связи спутника, зарезервированную для функций системы. В частности, сигналы передачи данных, подаваемые в MPA, являются доступными на наземной станции, поскольку они должны передаваться по восходящей линии связи на спутник. Единственным компонентом, необходимым на спутнике, является средство измерения, с помощью которого измеряют параметры выходных сигналов MPA. Однако в предпочтительных вариантах осуществления изобретения, для сведения к минимуму объема передаваемых данных в наземную модель, на борту спутника размещают модель обратной матрицы, которая принимает выходные сигналы проверяемого MPA и применяет к ним функцию обратного преобразования, соответствующую идеальным характеристикам MPA.
Спутники могут работать, используя множество MPA, каждый из которых имеет входную схему, группу усилителей и выходную схему. В таких обстоятельствах, вместо использования обратной матрицы для каждого MPA, схема коаксиальных переключателей (переключателей для малого уровня сигнала) "опрашивает" единственную обратную матрицу по кругу каждого из MPA, для которых требуется регулировка. Это сводит к минимуму схемы преобразования с понижением частоты и схемы обратной матрицы.
Путем измерения выходных сигналов, и благодаря работе процесса эмулятора в автономном режиме, процесс автоматической настройки не влияет на нормальную работу спутника. В случае отказа системы настройки не произошла бы какая-либо катастрофическая потеря пропускной способности при передаче данных.
На фиг. 3 схематично демонстрируется принцип работы изобретения, где входы A-D подаются в MPA 2. Выходные сигналы D-A, которые представляют собой усиленные версии входных сигналов, измеряются, как показано ссылочной позицией 4, и подаются в модель 6 MPA 2, в том смысле, что она представляет собой обратную функцию обратной матрицы, которая принимает измеренные входные сигналы D-A, и передает, в качестве выходных сигналов, сигналы, соответствующие первоначальным входным сигналам A-D, за исключением того, что они искажены составляющими перекрестных помех a, b, c, d от других входных сигналов. Таким образом, эти соответствующие сигналы можно представить, как А + b + c + d, B + а + c + d, C + a + b + d, D + a + b + c. Обратная матрица 6 состоит из гибридных цепей, но в ней не предусмотрены усилители. Матрицу 6 можно рассматривать как часть механизма эмуляции, в том смысле, что она имитирует требуемую операцию MPA 2 для воспроизведения сигналов, соответствующих входным сигналам, с добавленными компонентами перекрестных помех.
На фиг. 4 и 5 показаны блок-схемы для первого варианта осуществления изобретения, на которых элементы, аналогичные показанным на фиг. 3, обозначены теми же ссылочными позициями. Входные сигналы A-D представляют собой сигналы передаваемых данных, которые возникают во время обычного использования спутника связи и которые модулированы на РЧ несущей таким образом, чтобы они располагались в соответствующем микроволновом диапазоне. Для отслеживания измеренных выходных сигналов D-A эти сигналы преобразуются с понижением частоты в модуле 8 для преобразования сигналов обратно в базовую полосу и для уменьшения требований к схемам обработки. Схема обработки, в общем, обозначенная как эмулятор 10, представлена пунктирными линиями. В случае, когда требуется отслеживать и регулировать несколько MPA в спутниках связи, переключатель 12 селектора подключает выбранные MPA 2 к эмулятору 10, используя последовательную обработку, при которой регулируется каждый MPA.
1
2
3
4
Эмулятор 10 включает в себя обратную матрицу 6 MPA, причем сигналы вход А + f(B+C+D), вход В + f(A+C+D), вход С + f(B+A+D), вход D + f(B+C+A), выводимые из матрицы 6, соответствующие входным сигналам A-D, подают в телеметрическую линию 14 связи для передачи на наземную станцию 16. Линия 14 связи может представлять собой линию связи, зарезервированную для функций системы. Перед передачей, входные сигналы A-D подают в линию 14 связи по линии 18, и эти сигналы преобразуются с понижением частоты в базовую полосу, как показано ссылочной позицией 19. Функция измерения ошибки (не показана) рассчитывает % значения для желательных и нежелательных сигналов. Их передают по телеметрическим линиям связи в наземную станцию.
1
4
Наземная станция 16 более подробно показана на фиг. 5 и включает в себя антенну 20 восходящей линии связи для передачи сигналов по восходящей линии связи, по линиям 22, и для поддержки телеметрической линии 14 связи. Восходящие сигналы, передаваемые по линии 22, и сигналы, представляющие собой составляющие перекрестных помех, подают по линии 14 в цифровой сигнальный процессор 24. Процессор 24 включает в себя процессор 26 БПФ для анализа спектра, который анализирует составляющие перекрестных помех с учетом их частотных компонентов. Процессор 24 также включает в себя модель 28 MPA 2. Процессор работает, изменяя характеристики модели 28 для определения, какие характеристики MPA могли бы привести к возникновению фактически наблюдаемых компонентов f-f перекрестных помех. Эти характеристики включают в себя коэффициент усиления и фазу усилителей в MPA 2 в пределах рабочего диапазона MPA 2.
1
4
После определения текущих характеристик MPA 2 могут быть определены регулировки для улучшения характеристик развязки MPA 2 и для снижения компонентов f-f перекрестных помех. Необходимые сигналы команд для регуляторов усиления и фазы в MPA 2 подают через телеметрическую линию 14 связи в линию 30 команды на спутнике, как показано на фиг. 4. Переключатель 32 селектора подает сигналы команд в текущий проверяемый MPA, который в данном примере представляет собой MPA 2. В данном примере обеспечиваются регулировки усиления и фазы для каждого из усилителей в MPA 2, хотя в альтернативных примерах могут регулироваться характеристики усиления и/или фазы только одного или некоторого поднабора усилителей в конкретном MPA 2.
Рассмотрим теперь второй вариант осуществления, показанный на фиг. 6, на которой элементы, аналогичные представленным на фиг. 4 и 5, обозначены теми же ссылочными позициями. В этом втором варианте осуществления всю обработку выполняют на борту спутника, и процессор 24 цифровых сигналов непосредственно подключен для приема выходных данных обратной матрицы 6. Кроме того, процессор 24 DSP принимает входные сигналы A-D через линию 18 и переключатель 34 селектора, который работает синхронно с переключателями 12, 32. Входные сигналы А-D преобразуются с понижением частоты в блоке 36 перед подачей их в цифровой сигнальный процессор 24. Процессор 24 DSP (ЦСП) работает так же, как описано в первом варианте осуществления, и предоставляет сигналы, полученные в результате анализа, в функцию 38 управления и регулирования MPA, которая преобразует результаты анализа в сигналы регулировки усиления и фазы для регуляторов фазы и усиления в MPA 2.
Хотя описанные варианты осуществления изобретения относятся к использованию сигналов передачи данных в определении регулировок усиления и фазы для проверяемого MPA, изобретение также применимо в случае использования других сигналов, таких как инжектируемые пилотные тоны. В этом случае генератор сигнала может быть предусмотрен на спутнике и выполнен с возможностью подачи пилотных тонов в качестве входных сигналов А-D. Это может осуществляться на частоте, которая не создает помеху трафику передач данных, обрабатываемому проверяемым MPA. Поскольку характеристики усиления и фазы пилотных тонов известны, такие варианты осуществления не требуют подачи выборки входных сигналов А-D в DSP 24.