可靠的、免维护的射频硬件架构的制作方法

本公开总体上涉及通信系统，并且更具体地，涉及用于通信系统的冗余架构。

背景技术：

许多卫星通信系统被设计为工作很多年。为了维持可靠性并且延长卫星有效负载的工作寿命，有效负载可以安装有被设计为当有源单元发生故障时切入信号路径中的备用或冗余单元。举例说明，有效负载可以包括十个有源低噪声放大器和两个备用低噪声放大器。当有源低噪声放大器中的一个有源低噪声放大器发生故障时，这两个备用低噪声放大器中的一个备用低噪声放大器可以切入发生了故障的低噪声放大器的信号路径中。

将备用单元切入发生了故障的低噪声放大器的信号路径中可能会涉及向机电开关发送射频(rf)命令。例如，机电开关可以有两个位置：在第一个位置中，机电开关可以将有源单元链接到信号路径；在第二个位置中，机电开关可以将备用单元链接到信号路径。如果有源单元发生故障，那么rf命令可以被发送到机电开关，使开关转变到第二位置。发送rf命令可能会涉及操作者干预。

此外，当用备用硬件单元替换发生了故障的有源硬件单元时，发生服务中断。服务中断的长度的跨度在有源硬件单元发生故障时的时间与用于切入并启动备用硬件单元并且重新初始化服务所用的时间之间。因此，需要改善。

技术实现要素：

在一个示例中，描述了一种用于通信系统的冗余架构。该冗余架构包括：多个有源射频(rf)硬件单元；一个或多个rf信号分离器，其被配置为将多个rf输入信号联接至多个有源rf硬件单元；以及一个或多个rf信号组合器，其被配置为将由多个有源rf硬件单元处理后的rf信号联接至多个rf输出路径。所述一个或多个rf信号分离器被配置为使多个rf输入信号中的各个rf输入信号分离成rf输入信号的多个副本，并且将rf输入信号的所述多个副本中的各个副本提供给所述多个有源rf硬件单元中的不同的有源rf硬件单元。针对由所述多个有源rf硬件单元处理后的多个rf输入信号中的各个rf输入信号，所述一个或多个rf信号组合器被配置为将rf输入信号的所述多个副本组合到rf输出信号中，并且在所述多个rf输出路径中的对应于rf输入信号的rf输出路径处提供rf输出信号。

在另一示例中，描述了一种用于通信系统的冗余架构。该冗余架构包括：一系列输入端口；一系列输出端口；并联布置的多个有源射频(rf)硬件单元；至少一个rf信号分离器，其将所述一系列输入端口连接至所述多个有源rf硬件单元；以及至少一个rf信号组合器，其将所述多个有源rf硬件单元连接至所述一系列输出端口。冗余架构被配置为使得：在所述一系列输入端口中的任何给定输入端口处提供的rf输入信号被分离成rf输入信号的多个副本，所述多个副本然后由所述多个有源rf硬件单元中的相应有源rf硬件单元处理，并且在被处理之后，所述多个副本在所述一系列输出端口中的给定输出端口处被组合成rf输出信号。

在另一示例中，描述了一种用于通信系统的冗余架构。该冗余架构包括m个输入端口；m个输出端口；并联布置的n个有源射频(rf)硬件单元；m×n输入矩阵，其将所述m个输入端口连接至所述n个有源rf硬件单元；以及n×m输出矩阵，其将所述n个有源rf硬件单元连接至所述m个输出端口。冗余架构被配置为使得：在所述m个输入端口中的任何给定输入端口处提供的rf输入信号被分离成rf输入信号的n个副本，所述n个副本然后由所述n个有源rf硬件单元中的相应有源rf硬件单元处理，并且在被处理之后，所述n个副本在所述m个输出端口中的给定输出端口处被组合成rf输出信号。

已经讨论的特征、功能以及优点可以在各种示例中被独立地实施，或者在其它示例中被组合，可以参照以下说明和附图得到这些示例的进一步细节。

附图说明

在随附权利要求书中阐明了图示性示例的新颖特征(被认为是特点)。然而，在结合附图阅读以下本公开的图示性示例的详细说明时，图示性示例、以及优选的使用模式、其进一步的目标和说明将得到最好的理解。

图1和图2图示了常规通信卫星有效负载的一部分。

图3和图4图示了根据示例实施例的用于通信系统的示例冗余架构。

图5图示了根据示例实施例的用于通信系统的另一示例冗余架构。

图6a和图6b图示了根据示例实施例的用于通信系统的另一示例冗余架构。

图7图示了根据示例实施例的用于通信系统的另一示例冗余架构。

图8图示了根据示例实施例的示例卫星通信系统。

具体实施方式

下文将参照附图更全面地描述所公开的示例，其中图示了一些但不是所有公开的示例。事实上，多个不同的示例可以被提供并且不应该被解释为限于本文所阐述的示例。相反，提供这些示例使得本公开是全面的和完整的，并且将本公开的范围充分地传达给本领域的技术人员。

图1从概念上图示了常规通信卫星有效负载的部分的示例配置。如图1所示，通信卫星有效负载可以包括将多个输入路径104连接到多个有源硬件单元106的输入冗余环形开关102。输入冗余环形开关102可以包括六个开关，这六个开关中的各个开关可以位于标称位置、上方位置或下方位置中。起初，输入冗余环形开关102的六个开关可以分别位于标称位置中，从而使得第一开关s1将“输入1”链接到“有源硬件1”，第二开关s2将“输入路径2”链接至“有源硬件2”，以此类推。进一步如图1所示，通信卫星有效负载还可以包括将多个有源硬件单元106连接至多个输出路径112的输出冗余环形开关110。

在操作中，当有源硬件单元中的一个有源硬件单元发生故障时，向上或向下移动输入冗余环形开关102和输出冗余环形开关110的相应的开关，来用备用硬件单元替代发生了故障的有源硬件单元。例如，如图2所示，输入冗余环形开关102的第三开关s3和第四开关s4被切换至下方位置，从而使得第三开关s3将“输入1”链接到“有源硬件4”，并且第四开关s4将“输入4”链接至“备用硬件1”。此外，输入冗余环形开关110的第三开关s3和第四开关s4被切换至下方位置，从而使得第三开关s3将“有源硬件4”链接到“输出3”，并且第四开关s4将“备用硬件1”链接至“输出路径4”。

当使用冗余环形开关(诸如图1和图2的输入冗余环形开关102或者输出冗余环形开关110)时，使用特殊命令来控制冗余环形开关的相应的开关。具体地，通过向开关发送高电压脉冲来单独地控制相应的开关，脉冲使开关转变到不同的位置。因此，当有源硬件单元发生故障时，可能会要求操作者干预。

此外，当移动冗余环形开关的开关来用备用硬件单元替换发生了故障的有源硬件单元时，发生服务中断。例如，当用“备用硬件1”替换“有源硬件3”时，服务在“输入3”与“输出3”之间以及在“输入4”和“输出4”之间发生服务中断。服务中断的长度，跨在有源硬件单元发生故障时的时间与用于切入并启动备用硬件单元并且重新初始化服务所用的时间之间。

本文描述的是用于提供解决上述问题的冗余的系统。如本文所述，该系统允许在一个或多个rf路径中共享一组硬件单元，无需使用冗余开关和相关联的用于命令开关的相关操作者干预。同样，系统可以在发生故障的情况下提供冗余，不产生任何服务中断。

举例说明，提供了一种用于通信系统的冗余架构。该冗余架构包括：多个并联布置的有源rf硬件单元；被配置为将多个输入信号联接至多个有源硬件单元的一个或多个rf信号分离器；以及一个或多个rf信号组合器。

一个或多个rf信号分离器被配置为，使多个rf输入信号中的各个rf输入信号分离成rf输入信号的多个副本，并且将rf输入信号的多个副本中的各个副本提供给多个有源rf硬件单元中的不同的有源rf硬件单元。进一步地，一个或多个rf信号组合器被配置为将由多个有源rf硬件单元处理后的rf信号联接至多个rf输出路径。针对由多个有源rf硬件单元处理后的多个rf输入信号中的各个rf输入信号，一个或多个rf信号组合器被配置为将rf输入信号的多个副本组合到rf输出信号中，并且在多个rf输出路径中的对应于rf输入信号的rf输出路径处提供rf输出信号。

在一些实施例中，冗余架构提供冗余的通信系统可以是：诸如卫星等航天器通信系统。在其它实施例中，通信系统可以是飞行器的通信系统。本文所描述的冗余架构还可以是：高可靠性和/或服务的中断受到关注的任何类型的rf硬件提供冗余，诸如通信网关或集线路。

有利地，本文所公开的冗余架构可以要求比常规通信系统(诸如图1和图2所示的通信卫星有效负载)更少的硬件，并且不如常规通信系统复杂。例如，冗余架构可以减少或消除对用于切入备用硬件单元的开关以及关联数量的用于控制这些开关的命令硬件和软件的使用。此外，冗余架构可以免去对诸如备用硬件单元等任何冗余硬件的需要。作为示例，冗余架构能够具有四个有源硬件单元，并且没有备用硬件单元。然而，提供相同冗余水平的常规通信系统可以具有四个有源硬件单元和两个备用硬件单元。因此，冗余架构将硬件单元的总数量从六个减少到四个。

进一步地，本文中所公开的冗余架构的设计能够在发生故障期间实现从容降级。在具有按照本文所公开的方式配置的冗余架构的通信系统中，一旦有源硬件单元发生故障，通信系统可以在从容降级状态下继续工作。如下文更充分描述的，有源硬件单元发生故障引起分布式信号衰减，而不是引起信号中断。

下文将参照附图来描述系统和方法的各种其它特征。

现参照图3，图示了用于通信系统的示例冗余架构300。如图3所示，冗余架构300包括m×n输入网络302、n个有源rf硬件单元304、以及n×m输出网络306。

m×n输入网络302是包括m个输入和n个输出的输入网络，其中，m是整数，n是整数，并且m大于等于n。例如，n可以是2并且n可以是2或大于2的整数。可替代地，n可以是4、8或16。其它示例也是可能的。m个输入中的各个输入可以通过相应rf输入路径308联接至rf输入信号。在一个示例中，可以存在m个rf输入信号，并且rf输入信号中的各个信号可以通过相互正交的m×n输入网络302。进一步地，rf输入信号可以在同一频段上工作。为了便于解释，图3中只图示了一个rf输入信号和一个rf输入路径。

进一步地，n个输出中的各个输出可以联接至n个有源rf硬件单元304中的不同的有源rf硬件单元。例如，第一输出可以联接至第一有源rf硬件单元，第二输出可以联接至第二有源rf硬件单元，以此类推。

在一个示例中，m×n输入网络302可以被配置为将rf输入信号中的各个信号分离成rf输入信号的多个副本，并且将rf输入信号的多个副本中的各个副本提供给n个有源rf硬件单元中的不同的有源rf硬件单元。可以使用至少一个rf分离器(未示出)来实施m×n输入网络302。例如，在通信系统中可以存在两个rf输入信号和两个有源rf硬件单元，并且m×n输入网络302可以是2×2输入网络。2×2输入网络可以将第一rf输入信号分离成：具有与第一rf输入信号的相位相同的相位的第一功率降低rf信号；和具有与第一rf输入信号的相位不同的相位的第二功率降低rf信号。此外，2×2输入网络可以将第二rf输入信号分离成：具有与第二rf输入信号的相位相同的相位的第三功率降低rf信号；和具有与第二rf输入信号的相位不同的相位的第四功率降低rf信号。2×2输入网络然后可以将第一和第三功率降低rf信号提供给第一有源rf硬件单元，并将第二和第四功率降低rf信号提供给第二有源rf硬件单元。

在一个示例中，n个有源rf硬件单元304可以是n个低噪声放大器。更通常地，n个有源rf硬件单元304可以是在通信系统上所提供的任何类型的有源硬件单元。

n×m输出网络306是包括n个输入和m个输出的输出网络。n个输入中的各个输入可以联接至n个有源rf硬件单元中的不同的有源rf硬件单元。例如，第一输入可以联接至第一有源rf硬件单元，第二输入可以联接至第二有源rf硬件单元，以此类推。进一步地，m个输出中的各个输出可以联接至不同的rf输出路径。为了便于解释，图3中只图示了一个rf输出路径。

在一个示例中，n×m输出网络306可以被配置为将rf输入信号的多个副本组合到rf输出信号中，并且在对应于rf输入信号的rf输出路径处提供rf输出信号。例如，在具有两个rf输入信号的通信系统中，n×m输出网络306可以被配置为将第一rf输出信号的多个副本组合到第一rf输出信号中，并且将第一rf输出信号提供给第一rf输出路径。进一步地，n×m输出网络306可以被配置为将第二rf输入信号的多个副本组合到第二rf输出信号中，并将第二rf输出信号提供给第二rf输出路径。由n×m输出网络306提供的rf输出信号可以相互正交。

如上述所讨论的，冗余架构300可以被配置为使得n个有源rf硬件单元中的任何一个给定有源rf硬件单元的故障引起分布式信号衰减，而不是引起信号中断。举例说明，如图4所示，当n个有源rf硬件单元304的第二有源rf硬件单元发生故障时，由第二有源rf硬件单元处理后的rf信号可能会被破坏，或者第二有源rf硬件单元可能不会输出任何信号。然而，由于在rf输入路径308处输入的rf输入信号被分离成rf输入信号中的多个副本，所以只有被提供给第二有源rf硬件单元的rf输入信号的副本会受到故障的负面影响；rf输入信号的其它副本仍然可以由其它有源rf硬件单元分别进行处理。因此，在rf输出路径310上提供的rf输出信号尽管处于衰减状态，但仍然存在。相似地，对应于其它rf输入信号中的各个rf输入信号的rf输出信号在对应的rf输出路径处尽管处于衰减状态，但也仍然存在。换言之，冗余架构300仍然可以在rf路径处提供所有的rf输出信号，并且无需切入任何备用硬件(诸如备用rf硬件单元)就可以做到这一点。在某些情况下，多个故障是可以容忍的。例如，冗余架构300可以被配置为使得：在n个有源rf硬件单元中的任何一个或多个给定有源rf硬件单元发生故障时，该冗余架构300仍然在rf输出路径处提供所有rf输出信号，无需切入备用rf硬件单元。

实际上，其中一个有源rf硬件单元的损失的影响随着n增加而减小。在n等于2的通信系统中，发生了故障的有源rf硬件单元将会对在rf输出路径处提供的信号的质量产生负面影响，该负面影响比发生了故障的有源rf硬件单元将会对在n等于8的rf输出路径处提供的信号的质量产生的影响大。因为，当n等于2时，各个rf输入信号被分离成rf输入信号的两个副本，并且其中一个有源rf硬件单元的损失会影响各个rf输入信号的一半的副本。然而，当n等于8时，各个rf输入信号被分离成8个副本，并且其中一个有源rf硬件单元的损失会影响各个rf输入信号中的八分之一的副本。

如上所述，在一些示例中，可以使用至少一个rf分离器来实施m×n输入网络302，和/或可以使用至少一个rf组合器来实施m×n输出矩阵。图5示出了用于通信系统的另一示例冗余架构500。具体地，图5示出了具有rf信号分离器502、两个有源rf硬件单元504、以及rf信号组合器506的示例冗余架构500。

rf信号分离器502将在两个输入端口508处提供的两个rf输入信号分别联接至两个有源rf硬件单元504。具体地，rf信号分离器502将图5中被指定为“rf信号1”的第一rf输入信号分离成第一功率降低rf信号和第二功率降低rf信号，第二功率降低rf信号相对于第一功率降低rf信号相位偏移90度。然后将第一功率降低rf信号提供给图5中被标记为“rf硬件1”的第一有源rf硬件单元，并且然后将第二功率降低rf信号提供给图5中被标记为“rf硬件2”的第二有源rf硬件单元。相似地，rf信号分离器502将图5中被指定为“rf信号2”的第二rf输入信号分离成第三功率降低rf信号和第四功率降低rf信号，第四功率降低rf信号相对于第三功率降低rf信号相位偏移90度。然后将第三功率降低rf信号提供给第二有源rf硬件单元，并且然后将第四功率降低rf信号提供给第二有源rf硬件单元。

然后rf信号组合器506将由两个有源rf硬件单元504处理后的信号联接至两个输出端口510。具体地，在第一有源rf硬件单元处理第一功率降低rf信号和第三功率降低rf信号之后，rf信号组合器506将第一有源rf信号分离成第一副本和第二副本，第二副本相对于第一副本相位偏移90度。相似地，rf信号组合器506将第三功率降低rf信号分离成第一副本和第二副本，第二副本相对于第一副本相位偏移90度。进一步地，在第二有源rf硬件单元处理第二功率降低rf信号和第四功率降低rf信号之后，rf信号组合器506将第二功率降低rf信号分离成两个副本，并且将第四功率降低rf信号分离成两个副本。

由于rf信号分离器502和rf信号组合器506实施了相位偏移，所以在两个输出端口510中的第一输出端口处提供的“rf信号1”的副本相对于彼此的相位差是180度，因此，可以有效地相互抵消。另一方面，在两个输出端口510中的第二输出端口处提供的“rf信号1”的副本的相位相同，并且可以被建设性地组合在一起。进一步地，在第一输出端口处提供的“rf信号2”的副本的相位相同，并且可以被建设性地组合在一起，然而在第二输出端口处提供的“rf信号2”的副本相对于彼此的相位差是180度，因此，可以有效地相互抵消。

图5中输出端口510所示的信号的振幅可以不同，取决于由两个有源rf硬件单元504执行的处理类型。例如，有源rf硬件单元504可以包括放大器，该放大器放大由rf信号分离器502输出的rf信号，从而放大在输出端口510处提供的信号的振幅。

在一些示例中，可以使用输入矩阵实施图3和图4的m×n输入网络302，和/或使用输出矩阵实施图3和图4的n×m输出网络306。图6a和6b图示了用于通信系统的另一示例冗余架构600。具体地，图6a和图6b图示了具有输入矩阵602、四个有源rf硬件单元604、以及输出矩阵606的示例冗余架构600。

输入矩阵602是将在四个输入端口608处提供的四个rf输入信号分别联接至四个有源rf硬件单元的4×4巴特勒矩阵(butlermatrix)。为了便于解释，图6a和图6b中只示出了指定为“rf信号1”的信号rf输入信号。如图6a所示，输入矩阵602包括4个rf信号分离器，它们被布置为使得输入矩阵602将“rf1”分离成分别提供在4个有源rf硬件单元处的4个功率降低rf信号。

输出矩阵606是输入矩阵602的逆矩阵的4×4巴特勒矩阵。输出矩阵606将由4个有源rf硬件单元604处理后的rf信号联接至4个输出端口610。如图6b所示，输出矩阵606包括四个rf信号组合器，它们被布置为使得输出矩阵606进行如下操作：(i)将由第一有源rf硬件单元处理后的信号分离成在四个输出端口610中的第一输出端口处提供的四个功率降低rf信号，(ii)将由第二有源rf硬件单元处理后的信号分离成在四个输出端口610中的第二输出端口处提供的四个功率降低rf信号，(iii)将由第三有源rf硬件单元处理后的信号分离成在四个输出端口610中的第三输出端口处提供的四个功率降低rf信号，(iv)将由第四有源rf硬件单元处理后的信号分离成在四个输出端口610中的第四输出端口处提供的四个功率降低rf信号。

由于输入矩阵602和输出矩阵606所实施的相位偏移，在四个输出端口610中的第一、第二、以及第三输出端口处提供的“rf信号1”的副本相互抵消，而在四个输出端口610中的第四输出端口处提供的“rf信号1”的副本具有相同的相位并且被建设性地组合在一起。

从图6a和图6b所示的冗余架构600可以明显看出，例如，如果一个有源rf硬件单元发生故障并且未输出任何rf信号，那么在第四输出端口处提供的信号的振幅将由于四分之一的rf硬件的损失而降低，这会引入振幅降低和相位校准误差。

进一步地，如果一个有源rf硬件单元发生故障，那么另一rf输入信号的副本(诸如在第四输出端口处提供的“rf信号2”(未示出))可能无法完全消除。然而，“rf信号2”的副本总和的振幅将会较低。假设a1等于a2，则“rf信号2”的副本总和的振幅将会相对小于“rf信号1”的副本总和的振幅。因此，通过使用信号处理，可以从在第四输出端口处提供的rf信号抵消“rf信号2”的副本总和。

图6中输出端口610处所示的信号的振幅可以有所不同，取决于由四个有源rf硬件单元604执行的处理类型。例如，这四个有源rf硬件单元604可以包括放大器，这些放大器放大由输入矩阵602输出的rf信号，从而放大在输出端口510处提供的信号的振幅。

图7示出了用于通信系统的另一示例冗余架构700。如图7所示，示例冗余架构700包括m×n输入矩阵702、n个有源rf硬件单元704、以及n×m输出矩阵706。

m×n输入矩阵702将在m个输入端口708处提供的m个rf输入信号分别联接到n个有源rf硬件单元704。为了便于解释，图7中只示出了指定为“rf信号1”的信号rf输入信号。如图7所示，m×n输入矩阵702可以包括多个rf信号分离器，它们被布置为使得：m×n输入矩阵702将“rf信号1”分别分离成在n个有源rf硬件单元704处提供的n个功率降低rf信号。

n×m输出矩阵706是m×n输入矩阵702的逆矩阵。n×m输出矩阵706将由n个有源rf硬件单元704处理后的rf信号联接至m个输出端口710。如图7所示，n×m输出矩阵706可以包括多个rf信号组合器，它们被配置为使得：由n个有源rf硬件单元704处理后的rf输入信号被分离成副本，并且在m个输出端口710处被提供以便进行组合。

图8图示了卫星通信系统800的示例。如图8所示，卫星通信系统800包括通信有效负载820。通信有效负载820进而包括冗余架构830。冗余结构包括m×n输入网络832、n个有源低噪声放大器834、以及n×m输出网络836。m×n输入网络832可以根据本文描述的任何输入网络进行配置(诸如图3和图4的m×n输入网络302或图6a的输入矩阵602)。n×m输出网络836可以根据本文描述的任何输出网络进行配置(诸如图3和图4的n×m输出网络306或图6b的输出矩阵606)。

对不同的有利布置的说明是为了图示和说明的目的而提出的，并非详尽无遗，也不局限于所公开形式的示例。在参阅和理解上述的公开之后，对于本领域的普通技术人员而言，许多修改和变化将是明显的。进一步地，与其它示例相比，不同的示例可能提供不同的优势。选取并描述所选的示例或多个示例是为了最好地解释原理、实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解为适合所设想的特定用途而进行了各种修改的各种示例的公开。