Предшествующий уровень техники
I. Область, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится вообще к системам подвижной связи. Более конкретно настоящее изобретение относится к системе и способу для оценки мощности сигнала связи или множества сигналов, образующих подлуч. Настоящее изобретение является наиболее применимым в системе подвижной связи, использующей спутники, где постоянное отслеживание мощности спутника является критичным.
II. Предшествующий уровень техники
Система спутниковой связи является средством, с помощью которого информация передается на значительное расстояние. Типичные системы спутниковой связи используют базовые станции, называемые шлюзами, и один или более спутников для передачи сигналов связи между шлюзами и одним или более пользовательскими терминалами. Шлюзы обеспечивают линии связи от каждого пользовательского терминала к другим пользовательским терминалам или к пользователям других подсоединенных систем связи, таких, как коммутируемая телефонная сеть общего пользования. Пользовательские терминалы могут быть неподвижными или подвижными, как, например, мобильный телефон, и располагаются везде, где они могут осуществлять связь со спутником.
Спутниковый ретранслятор является компонентой в спутнике, которая принимает и передает сигналы из шлюзов и пользовательских терминалов в шлюзы и в пользовательские терминалы. Спутниковый ретранслятор должен быть способен обслуживать одновременно большое число абонентов для того, чтобы быть эффективным по стоимости. Различные схемы доступа к спутнику, такие, как множественный доступ с временным разделением (МДВР) и множественный доступ с кодовым разделением (МДКР) с расширенным спектром, дают возможность доступа к ретрансляторам большому числу абонентов. Цифровой МДКР предпочтительнее других схем доступа к спутнику, так как больше сигналов связи могут передаваться при более низкой стоимости и более высоком качестве. Это, в частности, имеет место благодаря тому, что системы МДКР дают возможность использовать сигналы низкой мощности, которые минимизируют межканальные помехи и сохраняют мощность спутника.
В типичной системе связи с расширенным спектром заранее выбранные кодовые последовательности псевдослучайного шума (ПШ) используются для модуляции или "расширения" пользовательских информационных сигналов по заранее определенной спектральной полосе частот перед модуляцией на несущую частоту для передачи в качестве сигналов связи. ПШ расширение является способом передачи с расширенным спектром, который хорошо известен в данной области техники.
В типичной системе связи с расширенным спектром МДКР коды формирования каналов используются для того, чтобы осуществлять различие между сигналами для различения пользователей внутри ячейки или между пользовательскими сигналами, передаваемыми в луче спутника или подлуче по прямой линии связи (т.е. маршрут сигнала из базовой станции или шлюза в пользовательский приемопередатчик).
В системе МДКР каждому потребительскому, абонентскому или пользовательскому терминалу выделяется отдельный ортогональный канал связи с помощью использования "перекрывающих" или "формирующих каналы" ортогональных кодов. Функции Уолша обычно используются для реализации кодов формирования каналов с типичной длиной, равной порядка 64 элементарным посылам кода для наземных систем и 128 элементарным посылкам кода для спутниковых систем. Системы МДКР объединяют отдельные кодовые каналы в один узкополосный канал, так что один канал передает большое число сигналов. В результате множество потребителей или пользователей одновременно совместно используют один и тот же "узкополосный канал", который упоминается в настоящем описании взаимозаменяемо как "канал МДКР", "подлуч" или "канал связи". Поскольку множество потребителей или пользователей совместно используют один тот же подлуч, если один или более потребительских или пользовательских сигналов передаются в канале с более высокой мощностью, чем сигналы, предназначенные для других потребителей или пользователей, могут возникать помехи, которые могут привести к неприемлемому функционированию до тех пор, пока не уменьшится число пользователей в подлуче. Что более важно, такая дополнительная мощность уменьшает мощность, имеющуюся для других пользовательских сигналов и, следовательно, общую пропускную способность.
В типичной системе МДКР шлюз и спутник осуществляют связь через линии связи, которые пространственно разделяются на ряд лучей, например 16, как в прямом, так и обратном направлении, называемых линиями связи. По прямой линии связи информация передается с помощью шлюза обычно с использованием мультиплексирования сигналов с частотным разделением и мультиплексирования сигналов с различной поляризацией. В примере конструкции системы Прямая линия связи использует полосу частот, С-полосу, которая разделяется на 8 отдельных "каналов" или "лучей" по 16,5 МГц с использованием правосторонней круговой поляризации (ПКП), и 8 отдельных "каналов" или "лучей" по 16,5 МГц с использованием левосторонней круговой поляризации (ЛКП). Эти отдельные каналы по 16,5 МГц, в свою очередь, составляются из 13 "подканалов" или "подлучей", каждый с шириной полосы частот 1,23 МГц, которые мультиплексируют с частотным разделением (МЧР) вместе для того, чтобы образовать луч. Эти МРЧ-подлучи являются узкополосными каналами, описанными выше, образуемыми объединением ряда кодовых каналов.
Для передачи в спутник отдельные МРЧ-подлучи мультиплексируются по частоте вместе для того, чтобы создать один широкополосный канал. Широкополосный канал имеет заранее выбранную ширину полосы частот, предназначенную для специфической спутниковой системы. В настоящем примере используется ширина полосы частот 160 МГц, которая содержит 104 подлуча, 8 лучей по 13 подлучей. Возможность широкополосного канала передавать 104 подлуча зависит от ограничения мощности каждого подлуча до минимальной мощности, необходимой для высококачественной передачи. Следовательно, управление мощностью подлучей требуется для высококачественной передачи и для того, чтобы гарантировать эффективное использование мощности, что дает возможность передавать максимальное число подлучей по широкополосному каналу.
Разработаны система и способ для управления коэффициентом усиления отдельных узкополосных каналов (подлучей) с использованием измерения мощности широкой полосы частот. Эта система и способ используют контур контроля мощности передачи (ККМП) для того, чтобы управлять мощностью отдельных узкополосных каналов (подлучей) с помощью регулирования коэффициента усиления, применяемого для передаваемого сигнала. Эта система и способ раскрыты в заявке на патент США, серийный №09/150545, озаглавленной "System and Method for Gain Control of Individual Narrowband Channels Using A Wideband Power Measurement" включенной в настоящее описание в качестве ссылки. В ККМП используется как управление мощностью без обратной связи, так и с обратной связью. Управление с обратной связью требует управления мощностью каждого отдельного подлуча. Для того, чтобы управлять мощностью каждого подлуча, необходимо определить мощность каждого подлуча. Однако возникают трудности в измерении мощности отдельного подлуча во временных рамках, необходимых для того, чтобы эффективно управлять коэффициентом усиления. Кроме того, выполнение такой оценки мощности может требовать больших вычислительных затрат, особенно для реализации управляющего программного обеспечения. В результате существует потребность в альтернативной системе и способе для определения или оценки мощности отдельных подлучей.
Определение мощности отдельных подлучей может быть также использовано для контроля потребляемой мощности спутника, принимающего подлучи. Спутнику требуется энергия для того, чтобы принимать и передавать подлучи. Спутник обеспечивается энергопитанием с помощью батарей, которые запасают солнечную энергию, собираемую солнечными панелями. Поскольку спутник заряжается только тогда, пока обращен к Солнцу, мощность спутника ограничена падающим излучением Солнца на спутник.
Из-за ограниченной энергии в спутнике возможно, что спутнику может недоставать энергии. Следовательно, для того, чтобы подходящим образом управлять спутником, необходимо знать, какая часть энергии используется каждым передаваемым подлучом. Например, для того, чтобы разделить пропускную способность между провайдерами услуг, необходимо знать используемую при передаче величину мощности, на основе разделения на отдельные подлучи. Также для того, чтобы защитить спутник от повреждения от перегрузки, необходимо знать, какая мощность передается в каждом подлуче.
Правильное управление батареей спутника является существенным для долговечности совокупности спутников. Энергия, потребляемая от батареи для того, чтобы обработать трафик, должна быть пополнена в течение времени заряда, когда спутник освещается солнцем. Если слишком много энергии потребляется для обработки трафика, спутник должен оставаться на Солнце дольше или должен использовать резервную мощность батарей. Срок службы батареи уменьшается, когда осуществляется обращение к резервной мощности батареи. Качество оценки энергии спутника является частично функцией оценки мощности каждого подлуча. Более конкретно, потребление мощности спутника может быть измерено с помощью измерения мощности сигналов, посланных в спутник. Это имеет место из-за того, что ретранслятор спутника передает сигналы с мощностью, которая пропорциональна мощности сигналов, принятых ретранслятором.
Следовательно, существует необходимость оценивать мощность каждого подлуча, который передается из шлюза в спутник. Эти оценки мощности могут быть использованы для определения потребляемой мощности и могут быть использованы в системах управления, которые регулируют мощность каждого подлуча. Более конкретно, существует необходимость оценивать мощность подлучей для того, чтобы отслеживать потребление и возможность использования энергии в спутнике. Кроме того, существует необходимость оценивать мощность каждого подлуча для того, чтобы ограничивать мощность каждого подлуча. Также существует необходимость оценивать мощность подлучей для того, чтобы распределять пропускную способность между провайдерами услуг и для предоставления информации о счетах. Кроме того, существует необходимость оценивать мощность подлучей для того, чтобы избежать перегрузки спутников и избежать нарушения ограничений плотности потока.
Система оценки мощности должна потреблять минимальную величину мощности и иметь малую степень сложности, так, чтобы она занимала минимальный объем в пространстве. Это является следствием того, что размер интегральных схем или микросхем, используемых для реализации системы оценки мощности, и величина мощности, которой может управлять микросхема, могут быть ограничены. Кроме того, чем больше микросхема, т.е. чем больше логических вентилей в микросхеме, тем более дорогим является изготовление микросхемы. Также, чем больше логических вентилей в микросхеме, тем больше мощности требуется для управления вентилями. Поскольку микросхема может только рассеивать такую мощность, микросхема со слишком многими логическими вентилями может также генерировать слишком много тепловой энергии, что вызывает выход микросхемы из строя. Кроме того, чем большая мощность требуется для управления микросхемой, тем более дорого управлять микросхемой. Следовательно, уменьшение числа логических вентилей в микросхеме может уменьшить стоимость создания и энергопитания микросхемы и увеличить надежность микросхемы.
Краткое изложение изобретения
Изобретение относится к системе и способу для оценки мощности сигнала в спутниковой системе связи. Сигнал сравнивается с множеством диапазонов и разделяется на множество диапазонов с помощью средства разделения. Каждому диапазону ставится в соответствие конкретная выходная величина. Выходные величины аппроксимируют квадрат величины входного сигнала на основании известных характеристик входного сигнала. Фильтр нижних частот используется для усреднения множества выходных величин. В одном варианте осуществления фильтр нижних частот содержит фильтр с бесконечной импульсной характеристикой.
Особенностью настоящего изобретения является то, что, когда входной сигнал представляется заранее определенным числом бит, поставленные в соответствие выходные величины представляются числом бит, которое меньше чем удвоенное заранее определенное число бит.
Другой особенностью настоящего изобретения является то, что, когда входной сигнал представляется заранее определенным числом бит, поставленные в соответствие выходные величины представляются числом бит, которое меньше чем заранее определенное число бит.
Другой особенностью настоящего изобретения является то, что, когда входной сигнал образован сигналом канала I или канала Q модулятора, осуществляющего квадратурную фазовую манипуляцию (КФМ), полная мощность сигнала, сформированного модулятором, может быть определена на основании отношения мощности сигнала канала I к мощности сигнала канала Q.
Дополнительной особенностью настоящего изобретения является то, что выходной сигнал средства разделения представляет мгновенную мощность входного сигнала, а выходной сигнал фильтра представляет среднюю мощность входного сигнала.
Еще одной особенностью настоящего изобретения является то, что выходной сигнал средства разделения является пропорциональным мгновенной мощности входного сигнала, а выходной сигнал фильтра является пропорциональным средней мощности входного сигнала.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 иллюстрирует пример реализации линий связи, используемых между шлюзом и пользовательским терминалом в системе подвижной связи.
Фиг.2А - укрупненная блок-схема системы для измерения мощности сигнала в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2В - укрупненная блок-схема системы, которая оценивает мощность сигнала с использованием 12-битовых выборок сигнала в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - укрупненная блок-схема, иллюстрирующая систему для оценки мощности сигнала в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.4 - укрупненная блок-схема, иллюстрирующая систему для оценки мощности сигнала в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления.
Настоящее изобретение посвящено системе и способу для оценки мощности сигнала, представленного изменяющимися во времени либо величинами напряжения, либо величинами тока. Мгновенная мощность сигнала может быть определена возведением в квадрат дискретного представления сигнала. Это имеет место из-за того, что мощность пропорциональна квадрату напряжения. Средняя мощность во времени может быть затем определена на основании этих определенных значений мгновенной мощности. Цифровая схема возведения в квадрат может быть использована для возведения в квадрат значения сигнала. Фильтр нижних частот может быть использован для усреднения выходного сигнала схемы возведения в квадрат.
В цифровых реализациях выходной сигнал схемы возведения в квадрат требует в два раза больше бит, чем входной сигнал, если не должна быть потеряна точность. Этот выходной сигнал, представляющий мгновенную мощность, поступает в фильтр нижних частот для усреднения мощности во времени. В зависимости от числа бит, используемых для представления входного сигнала, схема возведения в квадрат может быть чрезмерно большой в понятиях логических вентилей и может потреблять слишком много мощности. Кроме того, при наличии многих битов, представляющих возведенный в квадрат выходной сигнал, фильтр нижних частот, располагаемый вслед за схемой возведения в квадрат, может требовать большого числа бит, внутренних для фильтра, для того, чтобы удерживать шум квантования от преобладания над выходным сигналом фильтра для всех возможных входных сигналов. Также большая постоянная времени фильтра, связанная с обратной величиной частоты выборки, может привести к нестабильности, если слишком мало бит используются для представления ветвей обратной связи.
Настоящее изобретение использует разреженную просмотровую таблицу (ПТ) для того, чтобы заменить схему возведения в квадрат. Более конкретно, разреженная просмотровая таблица используется для того, чтобы разделить входной сигнал на множество диапазонов, причем каждому диапазону ставится в соответствие конкретная выходная величина. Эти выходные величины аппроксимируют квадрат входного сигнала на основании известных характеристик входного сигнала. Число бит, требуемое для представления этих выходных величин может быть значительно уменьшено с помощью использования известных характеристик входного сигнала при выборе множества диапазонов в разреженной ПТ и знания требуемой точности оценки.
При уменьшении числа бит, которые представляют выходной сигнал, фильтр нижних частот, используемый для усреднения оценок мгновенной мощности, может быть более легко построен на интегральной микросхеме с приемлемым числом бит, являющихся внутренними для фильтра. Кроме того, разреженная ПТ может быть реализована в цифровом виде с использованием меньшего числа логических вентилей, чем схема возведения в квадрат, что приводит к меньшей потребляемой мощности и меньшему общему размеру цифровой схемы. При уменьшении числа логических вентилей в микросхеме стоимость изготовления и энергопитания микросхемы могут быть уменьшены, а надежность схемы или микросхемы может быть увеличена.
Помимо других применений, настоящее изобретение могло бы найти применение в множестве систем радиосвязи, включающих в себя спутниковые телефонные системы. В предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение относится к оценке мощности подлуча, передаваемого из шлюза в спутник. Более конкретно, предпочтительным применением является применение в системах спутниковой радиосвязи с расширенным спектром множественного доступа с кодовым разделением (МДКР). Ниже представлен обзор системы, в которой может быть использовано настоящее изобретение.
I. Обзор системы
Фиг.1 иллюстрирует пример реализации линий связи, используемых между шлюзом 102 и пользовательским терминалом 104 системы 100 связи. Предполагается, что система 100 связи использует сигналы связи типа МДКР, но это не требуется настоящим изобретением. В части системы 100 связи, проиллюстрированной на фиг.1, спутник 106 и связанный шлюз 102 изображены для осуществления связей с удаленным пользовательским терминалом 104. Общее число шлюзов и спутников в такой системе зависит от требуемой пропускной способности системы и других факторов, хорошо известных в данной области техники.
Линии связи между пользовательским терминалом 104 и спутником 106 называются пользовательскими линиями связи, а линии связи между шлюзом 102 и спутником 106 называются линиями передачи коммутационного узла. Связь происходит в "прямом" направлении от шлюза 102 по прямой линии 110 передачи коммутационного узла, а затем вниз от спутника 106 к пользовательскому терминалу 104 по прямой пользовательской линии 112 связи. В "обратном" или "противоположном" направлении связь происходит вверх от пользовательского терминала 104 к спутнику 106 по обратной пользовательской линии 114 связи, а затем вниз от спутника 106 к шлюзу 102 по обратной линии 116 передачи коммутационного узла.
По прямой линии 110 передачи информация передается с помощью шлюза 102 с использованием мультиплексирования с частотным разделением и, где используется, мультиплексирования сигналов с поляризацией. Как описано выше, в примере варианта осуществления используемая полоса частот разделяется на 8 отдельных "каналов" или "лучей" по 16,5 МГц с использованием правосторонней круговой поляризации (ПКП), и 8 отдельных "каналов" или "лучей" по 16,5 МГц, с использованием левосторонней круговой поляризации (ЛКП). Эти отдельные каналы по 16,5 МГц, в свою очередь, составляются из множества мультиплексированных с частотным разделением (МЧР) "подканалов" или "подлучей", каждый с шириной полосы частот 1,23 МГц. В настоящем примере имеется до 13 таких подканалов, однако могло бы быть использовано больше или, меньше, как хорошо известно. Каждый МЧР подлуч создается с помощью отдельной схемы модулятора и имеет связанную мощность канала или луча. Каждый МЧР подлуч разделяется на пользовательские каналы с использованием ортогональных кодов в системах с расширенным спектром типа МДКР или временных интервалов с использованием систем типа МДВР. Настоящее изобретение не ограничивается специфическим типом модуляции канала. В системе связи МДКР каждый из кодовых каналов, например, один из 128 каналов, закодированных кодом Уолша, представляет мощность, потребляемую для обслуживания пользователя по прямой линии связи. Некоторые из ортогональных кодовых каналов могут также быть использованы пилот-сигналами, которые обеспечивают начало отсчета фазы или начала отсчета синхронизации, и другими дополнительными сигналами.
В обратном направлении пользовательский терминал 104 осуществляет передачу в соответствии со строением пространственно разделенного луча. Спутник 106 принимает эти сигналы и осуществляет их мультиплексирование с частотным разделением для линии 116 передачи коммутационного узла "спутник-шлюз".
II. Шлюз
Шлюз 102 обеспечивает линию связи с использованием спутника 106 между пользовательским терминалом 104 и локальным центром коммутации мобильных телефонов (ЦКМТ) (не изображен), коммутируемой телефонной сетью общего пользования (КТСОП) (не изображена) и другой соединенной системой связи, если необходимо, как хорошо известно. Шлюз 102 принимает телефонные вызовы, данные и/или факсимильные данные, или другую информацию, предназначенную для пользователя системы, из локального ЦКМТ или КТСОП и формирует кодовые каналы, подлучи и лучи, описанные выше, для передачи в спутник 106. Спутник 106 затем повторно передает эти сигналы в один или более пользовательских терминалов 104. В обратном или противоположном направлении линии связи шлюз 102 принимает речь, данные, факсимильные данные или другую информацию, передаваемую от пользовательского терминала 104 с использованием спутника, и осуществляет соединение пользовательской линии связи или вызов с ЦКМТ или КТСОП, которые могут затем соединить пользовательский терминал 104 со стандартной телефонной системой, другой подвижной телефонной системой или другими известными типами соединенных систем связи.
Шлюз 102 модулирует и передает сигналы, предназначенные для пользовательских терминалов, которые поступают, например, из КТСОП или ЦКМТ, в пользовательский терминал 104 через спутник 106. Шлюз 102 также принимает и демодулирует сигналы от спутника 106. Схемы или оборудование передачи в шлюзе 102 включают в себя модуляторы, которые формируют подлучи. Эти модуляторы принимают данные канала и модулируют с расширением спектра данные канала. Модулированный сигнал затем посылается в устройство преобразования с повышением частоты. Каждый модулятор в шлюзе 102 соединен с соответствующим устройством преобразования с повышением частоты для преобразования с повышением частоты модулированного сигнала с промежуточной частотой (ПЧ) в сигнал с требуемой радиочастотной (РЧ). Устройства преобразования с повышением частоты соединены с входом сумматора, который суммирует сигналы отдельных подлучей в сигнал широкого луча. Для дополнительной информации о модуляторе смотри патент США №5103459, озаглавленный "System and Method for Generating Signal Waveforms in CDMA cellular Telephone System" ("Система и способ для генерирования форм волн сигнала в сотовой телефонной системе МДКР"), который включен в настоящее описание в качестве ссылки. Не ограничиваясь этим использованием, настоящее изобретение может быть использовано для оценки мощности этих подлучей.
III. Спутник
Спутник 106 является одним из ряда спутников, которые образуют систему движущихся по низкой околоземной орбите спутников (НОО). Планируется, что примерная система НОО спутников включает 48 или более спутников, движущихся по низким околоземным орбитам, на расстоянии приблизительно 763 мили (около 1228 км) от поверхности земли, и наклоненным на 50 градусов от экватора. В дополнение к спутникам НОО любое устройство связи, которое принимает информацию из антенны и передает информацию в антенну, включая спутниковые системы, расположенные на других расстояниях и орбитах, могут быть использованы с настоящим изобретением.
Спутник 106 принимает и демультиплексирует сигналы, которые могут передаваться с использованием двух ортогональных поляризаций, для того, чтобы получить М отдельных сигналов, каждый с заранее выбранной шириной полосы частот, которая соответствует требуемому строению пространственно разделенного луча. Обычно имеются 16 сигналов или лучей (М=16) для следа спутника, причем каждый имеет ширину полосы частот 16,5 МГц. Как упомянуто выше, каждый "луч" содержит, или дополнительно разделяется, на 13 "подлучей", работающих на отдельных частотах. Следовательно, спутник 106 управляет приблизительно 208 (16×13) подлучами. Однако специалисты в данной области техники легко поймут, что меньше или больше лучей и подлучей может быть использовано в соответствии с конструкцией каждой системы связи и совокупности спутников.
Спутнику 106 требуется энергия для того, чтобы принимать и передавать подлучи. Спутник 106 обеспечивается энергопитанием с помощью батарей, которые запасают солнечную энергию, аккумулируемую с помощью солнечных панелей 120. Спутник 106 заряжается только пока обращен к Солнцу. Следовательно, мощность спутника 106 ограничена его освещенностью Солнцем. Поскольку спутник 106 имеет ограниченную энергию, возможно, что спутнику 106 может недоставать энергии. Следовательно, для того, чтобы подходящим образом управлять спутником 106, необходимо знать, какая часть энергии используется спутником 106 в течение любого данного периода времени. Потребление мощности спутника 106 может быть измерено с помощью измерения мощности сигналов, посланных в спутник 106. Это имеет место из-за того, что каждый спутниковый ретранслятор передает сигнал, имеющий мощность, которая пропорциональна мощности сигнала, который был принят спутником или ретранслятором.
Как утверждалось выше, спутник 106 имеет ретранслятор, который передает подлучи вниз в пользовательские терминалы и шлюзы. Мощность, используемая ретранслятором спутника, может быть определена, если известна мощность подлучей, посланных в спутник 106. Поскольку ретранслятор обычно реагирует предсказуемо на величину мощности в сигнале, который он принимает, управление уровнями мощности сигналов, посланных из шлюза 102, позволяет управлять мощностью, используемой спутником 106. Расстояние между шлюзом 102 и спутником 106 может быть определено из информации идентификации местоположения, посылаемой в шлюз 102 спутником 106. Зная это расстояние, коэффициент усиления ретранслятора спутника и коэффициент направленного действия антенны, может быть определена требуемая или оптимальная величина мощности для сигнала, посылаемого из шлюза 102 в спутник 106. Оцененная мощность подлуча, определенная с использованием настоящего изобретения, может быть использована для того, чтобы оптимально регулировать мощность подлуча. Отметим, что специфический способ оптимизации или определения оптимальной мощности подлуча находится за рамками этого изобретения. Кроме того, специфический способ определения потребления мощности спутника на основании мощности подлучей, посылаемых в спутник, находится за рамками этого изобретения и относится к способам, известным специалистам в области конструирования и функционирования спутников.
Также необходимо знать величину мощности, используемой при передаче, для отдельных подлучей для того, чтобы разделить пропускную способность между провайдерами услуг. Поскольку мощность спутника является дефицитным ресурсом в спутниковой системе связи, потребляемая мощность может быть основой для выписки счетов провайдерам услуг за их использование спутника 106 (например, провайдеры услуг могут платить больше за большую мощность). Более конкретно, если провайдерам услуг выделяется пропускная способность на основе разделения на подлучи, измерение мощности каждого подлуча может предоставить полезную информацию для выписки счетов.
Также для того, чтобы защитить спутник от повреждения из-за перегрузки спутника, необходимо знать, какая мощность передается по каждому каналу. Мощность также должна быть измерена и ей необходимо управлять для того, чтобы избежать нарушения ограничений плотности потока.
IV. Устройство оценки мощности
Один из способов оценки мощности формы сигнала напряжения включает дискретизацию формы сигнала, ввод выборок в схему возведения в квадрат, а затем фильтрацию выходного сигнала схемы возведения в квадрат. Фиг.2А - укрупненная блок-схема системы, которая использует такой способ. Как изображено, дискретизированная форма сигнала 202 вводится в схему 204 возведения в квадрат. Выходной сигнал 206 схемы возведения в квадрат из схемы 204 возведения в квадрат, вводится в фильтр 208. Выходной сигнал 210 фильтра из фильтра 208 представляет усредненную мощность дискретного сигнала 202.
Необходимо, чтобы выборки формы сигнала имели достаточное разрешение для того, чтобы отвечать требованиям требуемой точности для оценки. С целью примера, допустим, что 12-битовая выборка формы сигнала обеспечивает достаточное разрешение. 12 бит представляют напряжение (амплитуду) формы сигнала, когда форма сигнала дискретизирована. Поскольку выборки имеют длину 12 бит, имеются 212 (4096) различных уровней, которые могут быть представлены. Эти различные уровни масштабируются до максимального уровня напряжения. Например, если максимальное напряжение равно 2 вольта, а минимальное напряжение равно –2 вольта, тогда существует диапазон 4 вольта. Принимая 4-4096=9,8·10-4, тогда точность выборки равна ±4,9·10-4 вольт. Этот хорошо известный процесс разделения амплитуды формы сигнала на заранее описанное число дискретных уровней амплитуды называется квантованием. Результирующая форма сигнала называется квантованной.
Фиг.2В - укрупненная блок-схема системы, которая оценивает мощность формы сигнала напряжения с использованием 12-битовых выборок формы сигнала. Как изображено, выборка формы сигнала 212, вводимая в схему 214 возведения в квадрат, имеет длину 12 бит. Для того чтобы представить квадрат числа, представленного 12 битами, может потребоваться до 24 бит. То есть, в цифровых реализациях выходной сигнал схемы возведения в квадрат требует в два раза больше бит, чем входной сигнал, если не должна быть потеряна точность. Поэтому выходной сигнал 316 схемы 214 возведения в квадрат представлен 24 битами. Этот выходной сигнал представляет мгновенную мощность. В результате требования о наличии 24 бит схема возведения в квадрат может быть чрезмерно большой в понятиях логических вентилей и может потреблять слишком много мощности. Кроме того, при наличии многих битов, представляющих возведенное в квадрат значение выходного сигнала, фильтр 218 нижних частот, расположенный вслед за схемой 214 возведения в квадрат, требует большого числа бит, являющихся внутренними для фильтра 218, чтобы удерживать шум квантования от преобладания над выходным сигналом 220 фильтра для всех возможных входных сигналов. Как утверждалось ранее, большая постоянная времени фильтра, связанная с обратной величиной частоты квантования, может привести к нестабильности, если слишком мало бит используются для представления ветвей обратной связи.
Фильтр 218, обычно фильтр нижних частот с бесконечной импульсной характеристикой (БИХ), используется для усреднения выходного сигнала 216 схемы 214 возведения в квадрат. Более конкретно, фильтр 218 ограничивает ширину полосы частот сигнала мгновенной мощности, выдаваемого схемой 214 возведения в квадрат. Для того чтобы проиллюстрировать большое число бит, используемых для представления ветвей обратной связи внутри фильтра 218, число бит изображено сверху каждой ветви. Как видно, при 24 битах, представляющих возведенное в квадрат значение выходного сигнала 216, фильтр 218 нижних частот БИХ, расположенный вслед за схемой 214 возведения в квадрат, требует большого числа бит, внутренних для фильтра, для того, чтобы удерживать шум квантования от преобладания над выходным сигналом 220 фильтра для всех возможных входных сигналов. Также, поскольку фильтр 218 может иметь большую постоянную времени, связанную с обратной величиной частоты выборки, использование меньшего числа бит для представления ветвей обратной связи может привести к нестабильности.
Другие типы фильтров нижних частот могут быть использованы помимо фильтра типа БИХ для реализации фильтра 218, как понятно специалистам в данной области техники. Однако в предпочтительном варианте осуществления фильтр 218 является фильтром БИХ, содержащим кратные двум весовые коэффициенты ветвей. При использовании только кратных двум весовых коэффициентов ветвей все каскады усиления, внутренние для фильтра 218 БИХ, могут быть реализованы как сдвиговые регистры. Кроме того, поскольку фильтр БИХ использует обратную связь, меньше логических вентилей требуется для построения фильтра, например, при реализации в виде интегральной схемы. Однако недостатком использования обратной связи является введение вероятности нестабильности. Это имеет место вследствие того, что использование обратной связи подвергает фильтр колебаниям и ограничивает количество контуров, как известно. Для предотвращения нестабильности должно поддерживаться достаточное число бит, внутренних для фильтра, так, чтобы, когда возникнут колебания, они были бы малы по величине.
Другим типом фильтра, который может быть использован, является фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ), который не использует обратную связь. Одним из преимуществ фильтра КИХ является то, что он является более стабильным, чем фильтр БИХ. Однако использование фильтра КИХ может быть бесполезным или, по меньшей, мере, в меньшей степени оптимальным. Поскольку фильтр КИХ не использует обратную связь, для того, чтобы иметь способность усреднения многих выборок (например, тысяч), фильтр КИХ должен быть чрезвычайно большим в понятиях требуемых логических вентилей, опять увеличивая размер, стоимость и сложность.
Фиг.3 - укрупненная блок-схема, иллюстрирующая вариант осуществления настоящего изобретения. Существенной разницей между фиг.2В и фиг.3 является то, что схема 214 возведения в квадрат фиг.2В заменяется схемой, работающей как разреженная, или крупная, просмотровая таблица (ПТ) 304. Пример передаточной функции для ПТ 304 изображен в таблице 1.
Передаточная функция может быть установлена посредством экспериментирования и полного знания статистики входной формы сигнала 302. Для настоящего примера использование 10 бит для того, чтобы представлять возведенный в квадрат выходной сигнал 306, основывается на сокращениях, которые могут быть приняты, и на знании системы. Например, если входная форма сигнала 302 является формой сигнала МДКР и известно, что форма сигнала имеет распределение Гаусса, может быть создана передаточная функция, имеющая требуемую точность. Более конкретно, зная, что распределение является Гауссовым, может быть создана передаточная функция, где большая точность назначается для величин около среднего значения, а меньшая точность назначается для величин, удаленных от среднего значения. Кроме того, передаточная функция может учитывать, что формы сигналов с малыми дисперсиями потребляют малые величины мощности спутника и, следовательно, допустимая погрешность для этих малых форм сигнала больше, чем для форм сигналов более высокой мощности.
Передаточная функция в таблице 1 представлена для входного сигнала X, имеющего среднее значение 0. Как видно из таблицы 1, шесть различных выходных значений существуют для входных сигналов, имеющих абсолютную величину в диапазоне между от 0 и 120, только два выходных значения существует для входных сигналов, имеющих абсолютное значение в диапазоне от 120 до 320, и только одно выходное значение существует для входных сигналов, имеющих абсолютную величину, большую или равную 320. Следовательно, можно сказать, исходя из таблицы 1, что наиболее вероятно, что абсолютная величина входного сигнала Х находится между 0 и 120, и наименее вероятно, что сигнал Х выше 320.
Каждый диапазон в таблице 1 может быть назван “бином” (интервалом). То есть, 
является одним интервалом, а 
является другим интервалом. Таблица 1 состоит только из девяти интервалов. При усреднении оцененной мощности большого числа выборок точность оценки мощности каждой выборки не обязательно не должна быть большой, поскольку интегральная сумма оценок обеспечивает требуемую точность. Это позволяет использовать малое число интервалов или диапазонов (например, девять интервалов в вышеприведенном примере). Чем меньше интервалов, тем меньше логических вентилей требуется для реализации функции.
Как описано выше, таблица 1 обычно оптимизируется для входных форм сигналов с гауссовым распределением. Поскольку входные сигналы представляют большое число пользователей (условие, которое приводит к существенному потреблению мощности), допущение гауссовой формы сигнала является оправданным. Однако настоящее изобретение не ограничивается сигналами, имеющими распределение Гаусса. Настоящее изобретение может быть использовано для любых сигналов, имеющих распределение, которое является предсказуемым. Примеры других распределений включают синусоидальное распределение и равномерное распределение. Используя любые из этих распределений, ПТ, подобная таблице 1, может быть оптимизирована для создания требуемой точности с использованием относительно малого числа логических вентилей.
Схемная реализация таблицы 1, т.е. ПТ 304, может быть построена в виде одной интегральной схемы или "микросхемы" с использованием устройств сравнения и/или других, известных логических вентилей, называемых встроенными "внутри микросхемы". В одном варианте осуществления схема может быть спроектирована и построена с использованием языка описания аппаратных средств (ЯОАС, VHDL) сверхскоростных интегральных схем (ССИС). ЯОАС является известным языком сверхвысокого уровня для проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС), используемым для определения теоретически оптимальной компоновки вентилей для построения схемы в микросхеме.
Уменьшение представления выходного сигнала только до 10 бит по сравнению с 24 бит позволяет построить фильтр 308 нижних частот в микросхеме с приемлемым числом бит, внутренних для фильтра 308. Для того чтобы проиллюстрировать уменьшение числа бит, используемых для представления ветвей обратной связи внутри фильтра 308, по сравнению с фильтром 208, упомянутым выше, для каждой ветви внутри фильтра 308 изображено число бит. При уменьшении числа логических вентилей в микросхеме стоимость изготовления и снабжения энергопитанием микросхемы могут быть уменьшены, а надежность микросхемы может быть увеличена.
Настоящее изобретение не ограничивается числом бит, которые представляют входные сигналы и выходные сигналы. Скорее настоящее изобретение ограничивается только требуемой или желаемой точностью оценки мощности и требуемым числом бит для поддержания стабильности внутри конкретного используемого фильтра.
Настоящее изобретение может быть использовано для оценки мощности любого сигнала. Однако в предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение используется для оценки мощности подлуча, или канала МДКР в системе связи, такой, как система, использующая спутники. Фиг.4 - блок-схема предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения. Фиг.4 аналогична фиг.3 в том, что ПТ 404 является, по существу, такой же, как ПТ 304, а фильтр 408 является, по существу, таким же, как фильтр 308. Перед описанием фиг.4 предоставляется краткое описание системы МДКР.
Системы МДКР с расширенным спектром хорошо известны в данной области техники. С помощью использования расширения кода ПШ (псевдошумом), способа передачи с расширенным спектром, который хорошо известен, система МДКР формирует сигнал для передачи, который имеет ширину полосы частот, значительно большую, чем ширина полосы частот сигнала данных. Более конкретно, для того, чтобы создать подлуч, одна или более заранее выбранных кодовых последовательностей псевдошума (ПШ) используются для модуляции или "расширения" пользовательских информационных сигналов по заранее определенной спектральной полосе перед модуляцией на несущую частоту для передачи в качестве сигналов связи. Подробности формирования подлуча описаны в ранее упомянутом патенте 5103459. Однако с целью полноты пример системы МДКР с расширенным спектром описан ниже.
В типичной системе МДКР с расширенным спектром ортогональные коды формирования каналов используются для того, чтобы осуществлять различие между различными пользовательскими сигналами, передаваемыми в подлуче по прямой линии связи (т.е. маршрут сигнала от шлюза до ретранслятора пользовательского терминала). Функции Уолша обычно используются для реализации кодов формирования каналов. Каждый ортогональный, закодированный кодом Уолша пользовательский сигнал затем соединяется с элементом управления коэффициентом усиления. После элемента управления коэффициентом усиления все эти сигналы затем суммируются вместе для того, чтобы образовать составной поток данных. Этот составной поток данных затем разделяется на два потока данных, один для синфазного канала (канал I) и один для канала с квадратурной фазой (канал Q) модулятора квадратурной фазовой манипуляции (КФМ). Модуляторы КФМ хорошо известны в данной области техники. Однако для полноты описания модулятор КФМ кратко описан ниже. Каждый поток данных (один в канале I, один в канале Q) умножается на отдельные последовательности ПШ. После умножения на последовательности ПШ каждые данные канала I и каждые данные канала Q преобразуются с повышением частоты и сдвигаются на 90 градусов по фазе друг от друга с помощью умножения на косинусоидальный и синусоидальный сигналы, соответственно, а затем суммируются вместе для того, чтобы создать один составной сигнал. Эта составная форма сигнала является подлучом.
Как изображено на фиг.4 и как описано выше, сигнал синфазного канала (канал I) 414 и сигнал канала квадратурной фазы (канал Q) 412 формируются внутри модулятора. Результирующие сигналы суммируются для того, чтобы образовать подлуч. Для сигналов КФМ, если соотношение мощности между каналами I и Q известно, измерения мощности сигнала канала I (или канала Q) достаточно для того, чтобы оценить полную мощность сигнала. В предпочтительном осуществлении мощность подлуча определяется с помощью оценки мощности сигнала только канала I 414 или канала Q 412. Затем, используя известное или измеренное соотношение между мощностью канала I 414 и канала Q 412, может быть определена полная мощность объединенного сигнала 416 (то есть, подлуча). В предпочтительном варианте осуществления отношение канала I 414 к каналу Q 412 равно 1:1. Следовательно, в предпочтительном варианте осуществления общая мощность была бы удвоенной оцененной мощностью сигнала либо канала I 414, либо канала Q 412. Конечно, отношение может быть не равным 1:1, как понятно специалистам в данной области техники, и зависит от каждой требуемой конструкции системы связи.
Более конкретно, как изображено на фиг.4, 12-битовые выборки, представляющие напряжение сигнала канала Q 412, вводятся в разреженную ПТ 404. Выходной сигнал 406 ПТ 404, представленный с помощью 10 бит, вводится в фильтр 408 нижних частот. В предпочтительном осуществлении фильтр 408 является фильтром БИХ, эквивалентным фильтру 308, обсужденному выше. Выходной сигнал фильтра 408 представляет среднюю мощность канала Q 412. Мощность суммированного сигнала 416 обоих каналов, канала I 414 и канала Q 412, может быть затем определена на основании отношения между двумя каналами 414, 412. Этот суммированный сигнал 416 является подлучом.
Несмотря на то, что различные осуществления настоящего изобретения описаны выше, следует понимать, что они представлены только в качестве примера, а не ограничения. Следовательно, объем и форма настоящего изобретения не должны быть ограничены любым из вышеописанных примерных осуществлений, а должны быть определены только в соответствии со следующей формулой изобретения и ее эквивалентами.
Система и способ для оценки мощности сигнала. Сигнал сравнивается с множеством диапазонов и разделяется на множество диапазонов. Каждому диапазону ставится в соответствие конкретная выходная величина. Выходные величины аппроксимируют квадрат значения входного сигнала на основании известных характеристик входного сигнала. Фильтр нижних частот используется для усреднения множества выходных величин. Технический результат заключается в избежании перегрузки спутников и нрушения ограничений плотности потока. 5 с. и 16. з.п., ф-лы.4 ил.
| US 5301364 A, 05.04.1994 | |||
| RU 94015235 A, 20.03.1998 | |||
| Моментный электропривод | 1979 |
|
SU828352A1 |
| US 4920496 A, 24.04.1990. | |||
