专利名称：卫星通信中层次多维频率的传输方法
技术领域：
本发明是一种利用层次多维频率在卫星通信中的传输方法，即经过重复的层次调制将多个待调制的数据(信号频率)分别调制到指定的频率轴、频率层次和指定频率上，经过线性叠加，构成层次多维频率调制波，经过卫星中继双向传输，再经过线性分支，选频放大、检波滤波，将原来信息还原出来的信息传输方法。
卫星通信具有覆盖面积大，受地理条件限制少，通信频带宽、机动灵活，因而成为现代通信不可缺少的手段。进入90年代以来，卫星通信又跨上了一个新的台阶，卫星向具有传输、交换和信号处理等多种功能的“空间结点”发展，地球站向小型化终端乃至手持式终端发展，使用的频段向更高发展，应用向提供综合业务和移动业务发展。个人通信的需求，把卫星通信带入了移动通信时代。大量的研究表明，0.3-10GHz的频段，大气对电磁波传输的损耗小，这一频段比较适合电磁波穿越大气层，此频段称为“无线电窗口”，在30GHz附近大气有一个对电磁波传输的损耗相对的极小值，该频段称为“半透明无线电窗口”。世界无线电行政大会(WARC)1971年对空间通信使用的频率进行了划分，1979年和1992年世界无线电行政大会根据需要又对频率分配进行了调整。按照世界无线电行政大会规定，我国卫星电视直播使用Ku波段(11.7GHz-12.2GHz)和C波段(3.7GHz-4.2GHz)。以Ku波段为例，频带间隔为19.18MHz，共计24个频道。卫星下发一个频道的模拟电视信号所需要的带宽为27MHz，相邻频道间的信号频带有7.82MHz重叠，这将在服务区内产生干扰。为了防止这种干扰，通常采用的办法是间隔频道使用，这就是说我们能够使用的频道只有12个了。当然，邻区之间空下来的频道资源可以用于卫星广播。由于现代数字视频压缩技术和信道调制技术的发展，使频道的利用率大大提高，原来一路模拟电视信号所占的带宽内可以传送4-6路数字压缩的电视节目，从而降低了每一路节目传输的费用。由此可见，频率资源在卫星通信领域是一种极其重要的资源，具有重要的作用。而频率资源的限制将是卫星通信发展的主要障碍，为了解决关口站和卫星移动通信终端分配使用卫星移动通信系统的信道，确保信道的高利用率和系统低阻塞，人们设计了多址分配技术，其中包括预分配、按申请分配、动态分配和随机分配等。然而这并没有从根本上解决频道资源的利用间题。
本发明的目的就是提供一种对当前一维和单一信道使用而言，利用频率开发和利用资源，在给定的使用波段的范围内，在保持一定带宽和传输速率的前提下，提高单信道的传输能力，使得在一个频道上能够传输若干个多节目，从而大大降低每一路节目传输的费用的卫星通信中应用的层次多维频率的传输方法。
本发明的方案是采用层次调制的方法，经过重复的层次调制将多个待调制的数据(信号频率)分别调制到指定的频率轴、频率层次和指定频率上。这个指定的频率就是一个载波，这样一个经过多层次调制的载波就不是一个信道的概念了，而是层次多维信道的概念，即一个载波可以对应有很多层次多维的信道，他在信道一定和带宽一定的情况下，经过多层次和多维的频率利用，传输的信息量将是十分巨大的。
具体方案是采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制，分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上，再将被调制的载波直接或经过模/数转换后通过天线发射，经卫星接收后再发回地面，在地面接收端直接或经过数/模转换后通过线性分支器，再经与调制相对的逐层次选频放大和检波滤波还原出原信号。层次调制的方法是采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)。调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待调制的频率有“k”个，即f1(1)至f1(k)，在1至k个频率中的第j个频率是f1(j)。相对原频率第n层调制的频率即为fn(1)至fn(k)，第j个频率在n层的调制结果fn(j)(图5)。采用的调制器为调幅波调制器或调频波调制器或调相调制器或频率幅度兼调调制器。接收的方法是采用剥离器，即采用线性接收，带通滤波，检波滤波，分层剥离。本发明的优点在于这一方法使层次多维频率(信道)同时使用一个给定的卫星传输的信息通道，即多组传输信号只占用一个传输信道。
这一方法完全不同于一般意义上的频分复用和频分多址的概念，使用这一方法可以在保持一定带宽和一定传输速率的前提下，大幅度提高信息的传输能力，特别是在解决单信道中大幅度提高信息传输能力的前提下，可以使给定的一个卫星传输通道传输很多路的数据，如广播频道、电视频道、数字通信等。使得只需要非常有限的数颗通信卫星就可以满足全人类对卫星通信的需求。
采用调制(解调)、复用(解复用)技术，在目前的条件下，器件比较便宜，性能也而且可靠，电滤波器可以设计为高效的、近乎理想的多点滤波器。整个设计方法，电路简单。
由于本发明极大地增加了频率资源，在频率资源十分富裕的情况下，我们就可以修改现有频率的分配方案，扩大频段和频道的带宽，从而提高信息传输的速度，从更高层次上提高通信卫星资源的使用效率。
这一方法，不需要改变通信卫星上的设备设施，只需对关口站和接收设备进行改进，可以大大简化现有卫星通信设备和设施的复杂化程度，大大降低通信领域基础设施建设的强度和资金的投入，形成全新的卫星通信系统，对加速信息化进程和推进信息产业的发展将是一个重大的突破。
图1为用多车道、立体交通和多层次车辆来说明层次多维频率的卫星传输原理。
图1a表示当前在某一个频段分区范围内，各种业务都在争抢着进入信息通道。
图1b表示单一的信息通道变成了层次立体信息通道。
图1c表示取消频段的分区，层次立体信息通道。
图2为频分多址方式示意图。
图3为12路频分多路复用电话信号形成与还原原理示意图，LPF为低通滤波器，BPF为带通滤波器，MOD调制器，DEM为解调器。
图4为电视信号卫星传输原理示意图。
图5为层次多维频率构造示意图。
图6为m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa、fb……fn同时对data1、data2、……datan进行处理和模拟传输的示意图之1。
图7为m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa、fb……fn同时对data1、data2、……datan进行处理和传输的示意图之2。
图8为m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa、fb……fn同时对data1、data2、……datan进行数据处理和数字传输的示意图。
以下结合附图和实施例子对本发明做进一步说明。
如果我们把能够用于卫星通信的无线电窗口看成是一条高速公路，根据世界无线电行政大会对频段的分区，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区，看成是三条信息通道，把卫星通信业务，如卫星广播、卫星电视、卫星移动通讯和卫星数据通讯等看成是各种颜色的汽车。
如图1所示，1a表示当前在某一个频段分区范围内，各种业务都在争抢着进入信息通道，在这条通道上业务十分繁忙，常常会出现信息阻塞，因此，只有通过多址分配技术来进行频道资源的分配与管理，这样严重地限制人们使用信息通道，当一个卫星上的信息通道实在不能满足要求时，再发射其他的通信卫星满足应用需求，更何况同步卫星的发射数量在空间上是有严格限制的，不可能无限发展。
图1b表示，当我们将层次多维频率资源技术应用到卫星通信，使得原来单一的信息通道变成了立体信息通道，在每一条信息通道上的汽车变成了多层次的立体汽车，表示了在一个信息通道的某一个频率上可以同时传输多个电台的节目，电视台的节目，数据中心的数据，也可以在一个信息通道上的某一个频率上同时传输不同电台、电视台和数据中心的数据。
图1c表示，采用层次多维在卫星通信中应用后，频率资源大幅度增加，频段的分区也就可以取消了。
图2、图3、图4中虚框部分是本项发明的重点。
如图2为fa、fb、……fk为k个关口站的信道。图3为12路频分多路分址电话信号的形成与还原的原理图。语音信号1、语音信号2、……、语音信号12分别分别对应调制在各自的载波(64KHz、68KHz、72KHz、76KHz、80KHz、84KHz、88KHz、92KHz、96KHZ、100KHz、104KHz、108KHz)上，被调制的12个载波混频后形成基带信号输出。然而，一个载波只能对应一个语音信号，这是线性一维频道轴上，仅仅是单频的使用，导致频率资源的极大浪费。
我们采用层次多维频率方法，即采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)。调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待调制的频率有“k”个，即f1(1)至f1(k)，在1至k个频率中的第j个频率是f1(j)。相对原频率第n层调制的频率即为fn(1)至fn(k)，第j个频率在n层的调制结果fn(j)(图5)。
图6为我们方案的构架之示意1。
(1)振荡器A与隔离器1、隔离器2、……隔离器n组成了一个载波。
(2)振荡器1与视频信号或语音信号组成了调制器1，调制器1的输出与振荡器A又组成了调制器2，振荡器2与视频信号或语音信号组成了调制器3，调制器3的输出与振荡器A又组成了调制器4，……。
(3)将调制器2、调制器4、……，调制器n的输出频率进行线性叠加。
需要满足的条件为振荡器A的振荡频率应大于等于3倍的调制器1、调制器2、……，调制器n中输出的最高频率。
(4)将若干个载频经过线性叠加，再经过调制，向卫星发射，经过卫星的转发，进入与线性叠加相对应的线性分支器，将线性叠加的语音信号分路处理。
(5)选频放大器1、选频放大器3、……、选频放大器m，进行第一次选频，选频放大器2、选频放大器4、……选频放大器n进行第二次选频，两次选频放大的目的就是增加选频放大的效果。
(6)经过检波滤波器还原出视频信号或语音信号。
图7为我们方案的构架之示意2，表示了在m条频率轴中的某一频率轴上的某一个频率上的n个层次的频率资源层次的的复用方法。这样我们可以形象化地认为是利用一个载波同时传输data1、data2、……、datan，也可以利用其他频率的载波同时传输视频信号或语音信号1、视频信号或语音信号2、……视频信号或语音信号n。
上述方案主要是对模拟信号的传输而言的，由于数字传输有其独有的优势，本项发明同时提出利用层次多维频率方法实现数字传输的方法。
如图8所示，对于data1、data2、……、datan可以是模拟信息，也可以是数字数据。如果data1、data2、……、datan是模拟信息，可以经过模数转换转换成数字数据。图示的虚框第一部分增加层次多维频率形成部分，将载波fa、fb……fk数字化，即经过模数转换，这种模数/数模转换方式有多种，技术比较成熟。再将经过模数转换得到的数字信息送入天线，发送到卫星，经过卫星转发，再发送到各关口站(包括中央站、地方站，乃至企业、家庭)、空中移动站、陆上移动站和海上移动站。在虚框的第二部分，经过数模变换，再进行信息还原。当然，也可以对搭载多层信息(模拟/数字信息)的各层次的载波进行数字化、传输、数/模转换，到信息还原。
在频率资源得到极大开发的情况下，对分配给每个关口站的频段可以分割为上行频段和下行频段，发射端又是接收端，以达到双向高效通信的目的。如果我们将上述方案视为上行方案，那么下行方案与上行方案一致。
本发明的接收系统的关键点是在接收端利用“剥离器”，对层次多维频率调制波采用线性接收，带通滤波器(如选频放大器)，逐层将层次多维频率剥离出来，最后经检波滤波取出数据(信息)。
为了证明上述的设计方案，我们进行了m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa同时对data1、data2、……、datan进行处理和传输样机研制。
振荡器产生的振荡频率为1.4MHz，振荡器1、振荡器2、振荡器3、振荡器4产生的振荡频率分别为100KHz、150KHz、200KHz、250KHz。data1、data2、data3、data4为可以为视频信号也可以为音频信号。
data1调制在100KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data2调制在150KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data3调制在200KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data4调制在250KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；1.4MHz调制波都满足100KHz、150KHz、200KHz、250KHz调制波中的最大值的3倍。
再将data1调制在100KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波与data2调制在150KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波，data3调制在200KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波，以及data4调制在250KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上形成的调制波进行线性叠加。
将1.4MHz载波(1)直接通过天线发射，(2)将载波数字化后再通过天线发射，经过卫星中继双向传输。
选频放大器1和选频放大器2分进行两次选频选出100KHz的频率；选频放大器3和选频放大器4分进行两次选频选出150KHz的频率，选频放大器5和选频放大器6分进行两次选频选出200KHz的频率；选频放大器7和选频放大器8分进行两次选频选出250KHz的频率。(6)100KHz的频率、150KHz的频率、200KHz的频率和250KHz的频率的调幅波检波滤波分别还原出data1、data2、data3和data4。这样就完成了层次多维频率在卫星通信系统中的传输过程。
权利要求
1．一种卫星通信中层次多维频率的传输方法，其特征在于采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制，分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上，再将被调制的载波直接或数字化后通过天线发射，经卫星接收后再发回地面，在地面接收端，利用“剥离器”，采用线性接收，带通滤波器，逐层将层次多维频率剥离出来，最后经检波滤波还原出原数据。
2．根据权利要求1所述的卫星通信中层次多维频率的传输方法，其特征在于层次调制的方法是采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2-f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)，调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。
3．根据权利要求1或2所述的卫星通信中层次多维频率的传输方法，其特征在于采用的调制器为调幅波调制器或调频波调制器或调相调制器或频率幅度兼调调制器。
4．根据权利要求1所述的卫星通信中层次多维频率传输方法其特征在于采用剥离器，即采用线性接收，带通滤波，检波滤波，分层剥离。
全文摘要
卫星通信中层次多维频率的传输方法是一种通信信号的传输方法,该方法的特征在于采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制,分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上,再将被调制的载波直接或数字化后通过天线发射,经卫星接收后再发回地面,在地面接收端,利用“剥离器”,采用线性接收,带通滤波器(如选频放大器),逐层将层次多维频率剥离出来,最后经检波滤还原出原数据(信息)。
文档编号H04B7/15GK1305273SQ0110801
公开日2001年7月25日 申请日期2001年1月5日 优先权日2001年1月5日
发明者闾国年, 朱灿生, 袁惠仁, 叶春, 吴平生 申请人:南京师范大学, 朱灿生, 袁惠仁, 吴平生