专利名称：用于监控并控制发送信号内的增益压制的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星通信，尤其涉及卫星转发器的功率监视和控制的领域。
背景技术：
通信卫星一般通过从基于地面的发射机接收按照各别载波频率调制的通信信号而工作。卫星内的转发器一般在重新发送信号前对它们处理。例如，转发器一般放大并且还可能在频率内转移接收信号，并且在重发前进行滤波。基于地面的接收器然后接收重发的信号。
许多竞争因素可能影响发送卫星通信信号所使用的功率电平。例如，天气模式会干扰卫星通信。更具体地说，雨水会降低通信信号的有效功率。这通常被称为“雨衰落”。因此，下雨时，一般要求信号功率电平比平时高，以确保可靠地接收信号。
典型的卫星可能有多达24个或更多个转发器，而每个转发器可以处理多达100个或更多载波信号。根据通信需求，任一时间，不是所有载波信号都是活动的。因此，总功率要求可以根据通信话务水平而变化。然而，重发可用的总功率要求受到限制。例如，用于卫星的机载功率供给具有有限的输出。
此外，重发载波信号所使用的转发器放大器具有有限的输出功率。更具体地说，在低功率电平下，放大器可能工作在一区域，其中输入信号功率和输出信号功率间呈大致线性的关系。在较高功率电平下，输入信号和输出信号间的关系越来越变得非线性。
图1说明了这种增益特性。如图1所示，在低输出功率电平下(如，低于约15-20瓦)，增益响应相对线性。在较高功率电平下，增益响应变得受到压制。有一些压制是可容忍的。然而，超过某压制程度的操作一般是不希望的，因为所产生的信号会受到损害，譬如具有过度噪声。增益特性曲线上放大器正在工作的位置通常被称为它的“工作点”。
因此，通常希望确定卫星内转发器放大器的工作点。常规技术包括测量从地面站处卫星接收到的通信信号的功率电平。然后，通过估计卫星和地面站间的信号衰减，可以估计卫星处的功率电平。这个所估计的功率电平指示了当时的工作点。该技术有一缺陷是，衰减的估计容易出错。这样就不能准确地确定工作点。
因而，需要一种用于确定卫星转发器放大器工作点的更准确的技术。而且，可能希望根据测得的工作点来控制放大器的功率电平，以便确保不会过度压制重发的信号。这也是本发明试图解决的问题。
发明概述本发明是用于监视并控制卫星转发器放大器工作点的方法和装置。在本发明的一方面，地面站处接收到的时域信号被数字采样。然而，计算接收信号的直方图。为了形成该直方图，按照每个采样落在多个幅度范围的哪个中对数字采样进行分类。当绘成图表时，每个幅度范围内的出现次数形成该直方图。低压制程序下，直方图一般表现为近似钟形的曲线。然而，较高压制程度下，钟形曲线变得失真。通过把获得的直方图与模板直方图相关，可以确定压制量。该压制量指示了转发器放大器的工作点。根据需要，可以调整卫星所使用的发送功率电平，以确保放大器工作在期望的压制程度。本发明优于现有技术的优点在于，可以更准确地确定转发器放大器的工作点。因此，可以更精确地调整工作点。
附图简述图1说明了现有技术的增益压制特性曲线；图2说明了其中可实现本发明的卫星系统；图3说明了从图2的转发器发出的示例性信号；图4说明了图3信号的时域等价形式；图5说明了图4所示时域信号的示例性直方图；图6说明了图5的直方图以及由增益压制产生的不同示例性直方图；图7说明了用于确定卫星转发器工作点的流程图；图8说明了可用作模板的示例性平均直方图；图9-13说明了示例性的所获得直方图以及图8的模板直方图；图14说明了示例性转发器放大器的增益压制相对相关度量的图表；图15说明了转发器放大器的示例性增益曲线；
图16说明了转发器压制相对输入功率的示例图；以及图17说明了转发器压制相对输出功率的示例图。
优选实施例的详细描述综述图2说明了其中可实现本发明的卫星系统。如图2所示，地面站100可以把上行链路信号102发送至卫星系统104。卫星104可以包括接收天线106、转发器108和发射天线110。上行链路信号102可以被天线106接收，并被传递至转发器108。在转发器108内，多路分解器112可以把接收信号分成各别的载波信号。
从多路分解器112可以处理载波信号，譬如通过滤波器114、116和118，并且被放大器120、122和124放大。然后，个别的信号被多路复用器126组合并通过下行链路128传递至天线110用于重发。地面站130可以从下行链路128接收信号。
可以理解，图2的卫星系统104可以是常规的。这样，可以对转发器108作出修改而实现本发明的优点。例如，图2示出用于处理三个单独载波信号的组件，然而可以理解，可以提供一些组件以处理不同数目的载波信号。类似地，可以理解，卫星系统104可以包括多个转发器108。
图3说明了从卫星转发器发出的示例信号，譬如从图2的转发器108发出。如图3所示，40MHz转发器可以装载有七个不同的信号，它们有不同的信噪比(SNR)和载波频率。图4说明了图3信号的时域等价形式。换言之，图3表示图4内信号的功率谱密度。通过检查图4的时域信号，可以发现数据不是恒定幅度模量。单个相移键控(PSK)信号可以是恒定幅度模量，然而当多个PSK信号被加在一起时，结果一般不是恒定模量。而且，信号稍微表现为随机。理论上，如果具有不同SNR和带宽的有限数量的信号被加在一起，数据采样的分布会是“白的”或是正态分布的。而且，如果要限制或压制图4的电压，则这会实质上改变该信号的统计分布。例如，如果图2的电压被限制为+/-2mV，则分布的尾部的幅度会增加。
图5说明了图4所示时域电压的示例性直方图500。该直方图500可以如下形成对图4的时域信号进行采样，并把幅度范围分成多个(如，200)相等的范围或“区段(bins)”。接着，可以对落在每个区段内的采样数目进行计数。这样，图5说明了落在这些区段内的采样幅度的分布。图5的分布不是完全正态分布的，然而，它具有“钟形”。因而，直方图500举例说明了一转发器，其放大器大致在线性范围内工作。
假定输出电压受到限制，譬如当转发器放大器进一步在非线性区域内工作时发生，则直方图将与图5的直方图不同。图6说明了图5的直方图500以及不同的示例性直方图600。直方图600可能从限制图4转发器信号的电压而产生。直方图600可以被归一化，使其峰值电平等于直方图500的峰值电平。从图6可见，分布600与直方图500的大致“钟形”曲线不同。特别是，分布的尾部幅度大大增加。
通过把这两幅直方图相关，可以确定转发器放大器的工作点。例如，可以形成相关度量，表示两幅直方图500和600间的差异。然后，该相关度量可以表示转发器放大器的工作点。
工作点确定确定转发器工作点对于在卫星通信系统内控制功率的过程、以及对于确保基于的通信话务和内容的质量和完整性是重要的。功率控制过程必定不准确，除非每次向上或向下的功率调整都知道转发器的当前工作点。本发明的功率控制过程使用了来自频谱监视系统(SMS)的直接测量，其中频谱监视系统存在于大多数卫星通信系统的接收地面站内，从而在每次功率调整期间确定转发器的工作点。
用于确定转发器工作点的算法可以使用多达三条主要数据来确定该工作点。该数据可以包括基于来自SMS的直接测量的转发器压制指数；从SMS测得的转发器下行链路有效各向同性辐射功率(EIRP)；以及来自转发器增益曲线的预测工作点。
这三个数据可以组合在一起以确定转发器在任何时刻的工作点。增益曲线可以仅被用作一种参考框架。转发器下行链路EIRP测量可以提供转发器工作点较可靠的指示符。然而，这种测量的准确性受到许多因素影响，包括如站点校准、天线指向准确度以及当地气象状况。这个度量(下行链路EIRP)自身一般不足以确定转发器的工作点。转发器压制指数是非常可靠的测量，并且对不正确的校准值和天线指向问题所引起的功率误差不敏感。
形成模板直方图可以通过形成下行链路转发器信号的直方图来计算转发器压制指数。该时域过程可以直接在下行链路转发器信号接收到的电压上进行。如上所述，如果转发器工作在其线性区域，那么转发器直方图会有“钟形”分布函数。如果转发器被各种信号完全加载，该密度函数会逼近正态分布函数。随着转发器从线性区域开始移到非线性区域，该分布函数从单峰钟形函数变为多峰“驼背(camel-back)”函数。当转发器工作在非线性区域时，输出电压会受到压制。随着压制增加，“钟形分布”的尾部开始在分布边沿表现为隆起。
图7说明了用于确定卫星转发器工作点的流程图700。可以按照图7的流程图控制卫星地面站，譬如图2的站130。例如，存储在地面站内的软件程序会使地面站的元件执行流程图700的步骤，譬如通用计算系统。或者，硬件或者软硬件组合可以执行图7所示的功能。例如，位于地面站内的硬件系统可能包括近似于图7所示功能的各级。这样，图7还说明了由这种硬件或软硬件组合形成的系统700的示意框图。
程序流程开始于起始方框702。程序流程从方框702移至方框704。在方框704中，可以形成表示那时当前转发器操作的直方图。例如，这可能包括执行(射频)RF到中频(IF)的下变频。此外，IF信号可被滤波，譬如被反混叠(anti-aliasing)滤波器滤波。然后可以对经下变频的IF信号进行模数转换。在优选实施例中，对接收到的时域信号并且在自动增益控制(AGC)下进行模数转换，以确保转换不会对接收信号的数字采样限幅。当对信号进行数字化时，应该注意防止A/D对信号限幅。如果A/D限幅，那么将难以区分增益压制和A/D限幅的效应。因而，通过使用自动增益控制来在对信号进行数字化的同时防止A/D对信号限幅，从而解决了该问题。
方框704内采样的信号可能包括从转发器108(图2)接收到的多个载波信号，或者可能仅包括一个载波信号。而且，虽然本发明最适用于监视下行链路增益压制，然而可以通过采用本发明的适当修改来获得某些优点，用于监视上行链路102(图2)内的增益压制。
然后，在方框704内，数字采样被存储在机器可读存储设备中，作为有限时间段上接收信号的“快照(snapshot)”。例如，可以以10-20微秒的预定时间段采样接收信号。然而也可以选择另一时间段。
然后，所存储的采样被分类到各“区段”中。更具体地说，采样的总幅度范围被分成多个较小的、相等幅度范围。例如，如果总幅度范围是12.0毫伏，则该范围可被分成两百个“区段”，各为0.06毫伏(mV)。这样，第一区段会包括0.00到0.06mV间的所有采样。第二区段会包括0.06到0.12mY间的所有采样，依此类推，第200个区段会包括11.94mV到12.00mV间的所有采样。显然也可以选择其它的区段数目。
在大多数情况下，对一系列直方图总体取平均以产生直方图的平滑表示。因而，在预定时间段上获得采样的该过程可以重复一定数目(N)次数，并且对结果取平均以获得时间平均的直方图。例如，可以用下列公式来创建平均的转发器直方图TH＝1/N∑Thi其中Thi是单幅直方图，而TH是通过平均N幅直方图而创建的转发器直方图。这个平均步骤类似于巴特利特周期图(Bartlett Periodogram)，除了输出是信号直方图而非功率谱以外，该步骤可以用SMS及其硬件平台完成。
图8说明了可在方框704内获得的示例性平均直方图800。该直方图可以通过在带限转发器上合成多个信号而创建。每个合成信号都可以是正交移键控(QPSK)调制的，并且其接收SNR在10和18dB之间。接收到的信号电压在直方图上被分成200个不同区段。
程序流程从方框704移至方框706。方框706中，可以对平均直方图TH进行中值滤波。中值滤波器用于对平均信号直方图执行附加的平滑操作。中值滤波器比其它滤波器优选，因为它在平滑直方图时趋于保存其形状。
程序流程从方框706移至方框708。方框708中，确定是否要把步骤704和706内获得的直方图存储在存储设备中，作为与以后获得的直方图相比较的模板。例如，在步骤704和706期间，可以把转发器放大器设为已知在线性工作区域内的低功率电平。或者，在各种已知工作点处的增益压制下获得多个模板。假定把当前直方图存储为模板，那么程序流程移至方框710，其中可以把当前直方图存储为模板。
预期会需要较不频繁地存储新的模板。例如，可以在对卫星系统进行改变后获得并存储新模板，譬如添加或禁用转发器的个别载波信号。再例如，可以周期性地获得新模板，譬如每日、每周或每月。
形成附加的测量直方图和压制指数一旦在方框710内适当存储模板，程序流程就会返回到方框704。然后一个新的直方图在方框704中获得，在方框706中被中值滤波，并被存储在存储器中。然而在方框708中，如果最新获得的直方图要与已存储的模板相关，那么程序流程从方框708移至方框712。
方框712中，新获得的直方图可以与已存储的模板相关。如上所述，增益压制趋于使直方图的形状发生改变。图9-13分别说明了示例性获得的直方图900、1000、1100、1200、1300，以及图8的模板直方图800。
如果当前直方图从线性区域内的工作产生，则预期当前直方图类似于模板800。这在图9示出，其中当前直方图900类似于模板800，并且产生接近于一的压制度量(即，1.01)。然而，如果当前直方图从进一步到非线性区域内的工作而产生，那么预期当前直方图与模板不类似。这在图10-13内顺序示出，其中当前直方图1000、1100、1200和1300与模板800越来越不类似。
压制度量指示了当前直方图和模板间的近似程度。因此，作为图10-13内增加的增益压制程度的结果，压制度量逐渐分别下降到0.98、0.91、0.79和0.66。图14说明了一图表，示出示例性转发器放大器的增益压制对相关度量。
方框712中，通过使模板模板直方图和当前直方图的幅度在两幅直方图中央区段处相等而使这两幅图归一化。然后，可由系统700计算两个量。第一个量是模板的自相关，而第二个量是模板与当前直方图的互相关。程序流程从方框712移至方框714。方框714中，可以对方框712内计算的第一和第二个量的比率进行计算。这两数之比得到压制度量。这个压制度量可被转化成分贝形式来得到“压制指数”。
确定转发器工作点参照图7，程序流程从方框714移至方框716。方框716中，可以确定转发器工作点。方框714内所使用的值是通过把模板直方图与当前直方图相关而获得的压制度量，譬如压制指数。该值可以与转发器放大器的增益曲线相比较。
图15说明了转发器放大器的示例性增益曲线1500。曲线1500可以是使用从DSCS网络计划系统(DNPS)所获得的近似公式来获得的模拟国防卫星通信系统(DSCSIII)的增益曲线。如果转发器输出响应对于所有输出都是线性的，则这条曲线1500示出转发器响应和规划的响应。系统700可以把类似于图15所示曲线的增益曲线存储在存储器中。这条增益曲线1500可以用实验获得，或者从放大器的制造商公开的说明书中获得。如图15所示，压制程度是实际增益曲线和规划的线性增益响应间的差异。因此，通过比较测得的压制程度，可以确定转发器放大器正在增益曲线1500上的何处工作。这就是工作点。图16和17分别示出转发器压制对输入功率和输出功率。
图15虚线包围的区域表明希望用相关度量方法检测转发器非线性工作的区域。下面的线指示了希望用算法检测到非线性工作的最早点。上面的线表示检测前的最高上限。换言之，该方法会在达到上限前检测到非线性操作。因此，如果压制指数很低(如，小于0.5dB)，则表明放大器可能工作在增益曲线1500的线性区域内。测得的信号压制可被直接重叠在转发器增益曲线上以确定工作点。这样，压制指数与增益曲线1500的比较不会期望产生工作点的准确表示。因此，在这些条件下，用常规技术测得的转发器EIRP可以用来估计转发器的当前工作点。
转发器工作点的计算可以几乎是瞬时的过程。SMS可以同时地确定下行链路转发器的EIRP和压制度量。然后，这个数据可以参照转发器的增益曲线以确定其工作点。
在优选实施例中，连续监视工作点。因此，一旦在方框716中确定了当前工作点，程序流程就会返回方框704，并且顺序再次经过方框706、708、712、714和716。该过程可以一确定了工作点后就重复，或者周期性地重复，譬如每秒一次。
使用测得的工作点来确定最佳转发器操作可以在闭环链路功率控制系统中控制转发器的输出功率。更具体地说，可以使用从地面站130(图2)实现的功率控制来远程调整转发器的下行链路128的输出功率。例如，可以在地面站130内测量信号质量。响应于可能由雨水衰落引起的降低了的信号质量，输出功率可能增加，譬如通过地面站130向卫星104发送一控制信号而实现。相反，响应于增加了的信号质量，功率输出可能降低，而不牺牲信号质量。
如果低信号质量导致功率增加太大而进入转发器放大器增益曲线的非线性区域中，那么功率的进一步增加一般不会增加信号质量。然而，这种增加可能通过增加信号压制和噪声，从而降低信号质量。因而，可以使用方框716内确定的转发器工作点来禁止闭环把发送功率增加到转发器放大器增益曲线上的预定电平之上。例如，测得的工作点可以与该预定电平相比较，并且如果工作点处在或高于该预定电平，则禁止增益的进一步增加。相反，如果测得的工作点低于该预定电平，则允许闭环增加增益(如，当测得的信号质量为低时)。对于每个转发器而言，操作者或DSCS操作控制子系统(ODOCS)或另一实体可以指定转发器的最大工作点。
虽然已经参照本发明特定实施例作出上述描述，然而本领域的技术人员可以理解，可以对这些实施例作出变化，而不背离本发明的原理和精神，该范围由所附权利要求所定义。
权利要求
1.一种用于确定无线发送信号内增益压制程度的方法，所述方法由通信设备实现并且包括以下步骤接收无线发送信号，其中发送信号在发送前被放大器进行放大；对信号进行采样，从而在时域内形成信号的一系列数字采样表示；形成采样所获得的直方图；把所述直方图与预先存储在机器内的可读存储器中的模板直方图相比较；以及形成一相关度量，表示所获得的直方图与模板直方图之间的相似性，其中相关度量指示了由放大器引入到无线信号中的增益压制量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括根据增益压制量进一步禁止增益压制，从而禁止由增益压制引起的信号质量恶化。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于还包括根据接收到的信号质量控制闭链路功率控制环路内的增益。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号由地面站从卫星转发器接收到。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号由卫星从地面站接收到。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括当增益压制低于预定程度时测量有效各向同性辐射功率，并且用所述各向同性辐射功率来确定放大器的工作点。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括把增益压制量与放大器增益曲线相比较以确定放大器的工作点，并且当增益压制低于预定程度时，用测得的有效各向同性辐射功率来确定工作点。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括，在所述采样前对信号进行自动增益控制。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括，对无线信号的采样进行中值滤波。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括，通过获得信号采样而形成模板直方图。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于还包括，获得多个模板直方图。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于还包括，对多个模板直方图取平均。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，当放大器工作在线性区域内时获得模板直方图的采样。
14.一种用于确定发送信号内增益压制程度的系统，包括通信设备，其中从接收到的无线发送信号计算直方图，所计算的直方图与模板直方图相关以确定无线发送信号内的增益压制程度。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，通过由通信设备在时域内采样发送信号并且确定落在多个幅度范围的每个内的采样数，从而形成所计算的直方图。
16.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述通信设备基于增益压制量进一步禁止增益压制，从而禁止由增益压制所引起的信号质量恶化。
17.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述通信设备基于接收到的信号质量控制闭链路功率控制环路内发送的信号的增益。
18.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述通信设备包括从卫星转发器接收信号的地面站。
19.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述通信设备包括从地面站接收信号的卫星系统。
20.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述通信设备把增益压制程度与放大器增益曲线相比较以确定放大器工作点。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，当增益压制低于预定程度时，使用有效各向同性辐射功率来确定工作点。
22.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述通信设备在对所发送的信号采样前对接收信号进行自动增益控制来计算直方图。
23.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述通信设备对所发送的信号的采样进行中值滤波来计算直方图。
24.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述通信设备通过获得所发送的信号的采样而形成模板直方图。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述通信设备获得多个模板直方图。
26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述通信设备对多个模板直方图取平均。
27.如权利要求24所述的系统，其特征在于，所述通信设备在放大器工作在线性区域内时获得用于模板直方图的采样。
全文摘要
用于监视并控制卫星转发器放大器(108)的工作点的方法和装置。地面卫星(100)处接收到的时域信号被数字采样。计算接收信号的直方图并绘成图表。低压制程度下，直方图一般表现为近似钟形曲线。较高压制程度下，钟形曲线变得失真。通过把获得的直方图与模板直方图相关，可以确定压制量。该压制量指示了转发器放大器(108)的工作点。根据需要，可以调整由卫星所使用的发送功率电平，以确保放大器工作在期望的压制程度。本发明优于现有技术的优点在于，可以更准确地确定转发器放大器的工作点。可以更精确地调整工作点。
文档编号H04B7/005GK1518806SQ02812548
公开日2004年8月4日 申请日期2002年4月1日 优先权日2001年5月4日
发明者J·C·楚, M·L·多内, R·W·伊斯特斯, J C 楚, 伊斯特斯, 多内 申请人:长联通讯技术公司