专利名称：补偿卫星通信的频率漂移的装置和方法
技术领域：
本发明涉及无线移动通信，具体地，涉及无线移动通信中频率漂移补偿装置和方法，特别适用于低轨道卫星通信。
无线通信在以频率定义的信道上进行。通信信道通常是指定的，信号在对应于信道的频率上发射。为实现可靠通信，无线通信装置必须能在预定信道频率上准确发射与接收信号。
振荡器提供参考频率，无线通信装置可由此参考频率产生预定频率的信号。数字调谐振荡器的参考频率可由输入振荡器不同的数字调谐值来调节。压控调谐振荡器的参考频率可由输入振荡器不同的电压调谐值来调节。因此，可用调谐振荡器改变参考频率。
随无线通信通信的发展，地面蜂窝系统难以覆盖全部地球区域或成本难以承担。因此，提出许多低轨道卫星移动通信系统，如铱系统。在这些系统中，相对于现有地面蜂窝系统，卫星相对地面站高速运动，导致频率漂移影响较大。同时，卫星的轨道是较固定的，因此，可知道任何时刻卫星的位置、速度。地面站的运动相对于卫星的高速运动，可看作为相对静止。
卫星移动通信导致在预定信道频率上准确发射的信号在接收时频率漂离原频率，因此，引起信号质量的下降，速度越快，误码率越高。为克服这个下降，需要采取措施补偿这个频率漂移。
补偿这个频率漂离的常规解决方案是在接收初始信号后，提取这个频率漂离，然后补偿。这是一种被动补偿方式，其时间延迟导致补偿效果不好，而且，每时刻的补偿值是上一时刻的。
因此，需要无线卫星移动通信系统的装置和方法来补偿频率漂移，它能克服频率漂移的影响，改善通信质量。特别对于宽带数据通信，由于要求低误码率，本装置和方法可改善系统的误码率特性，实现实时补偿。
图1是根据本发明的移动通信系统的示意框图；图2是根据本发明的移动通信系统的示意图；图3A-B是根据本发明的移动通信系统的无线电的补偿频率的流程图；图4是频率补偿部分的可调谐振荡器的方案一；图5是频率补偿部分的可调谐振荡器的方案二；图6是根据本发明的移动通信系统的无线电的补偿频率的另一方法；图7是调谐振荡器的示例的控制曲线。
图1是优选方案的移动通信系统的示意图，移动通信系统包括收发信机100和其它与其通信的收发信机，如收发信机199。其中，虚线中的部分为可选部件。收发信机100中包括天线101，接收通道102和发射通道104，调制解调器(MODEM)106，微处理器108，频率综合器110，编解码器119，用户接口120。用户接口120包括显示器，键盘，可是并行或串行或两者都有的输入输出数据接口，麦克风和杨声器等。天线101耦合到接收通道102和发射通道104。频率综合器110耦合到接收通道102和发射通道104，以提供用于变频的本振信号LO。收发信机100还包括调谐振荡器114，调谐振荡器114的输出频率可由输入的调谐值控制。调谐振荡器114耦合到频率综合器110以输出调谐的信号。调谐振荡器114耦合到微处理器108以接收用于控制输出频率的调谐值。本例中，调谐振荡器114选择数字调谐振荡器，但也可用压控振荡器与数模转换器合成。接收通道102和发射通道104耦合到调制解调器106，其中，接收通道102处理天线101接收的射频(RF)信号，变频成为可用于解调的中频(IF)信号，如可是215MHZ,70MHZ,140MHZ及任何方便的频率。发射通道104处理调制解调器106调制的中频信号，变频成为可用于由天线101发射的射频信号。调制解调器106的输出端耦合到编解码器119，以向编解码器119传送解调后的基带信号，用于解码产生数据；或从编解码器119接收编码的信号，以调制编码的信号为调制信号。编解码器119耦合到用户接口120，以从用户接口120接收用户接口120收到的要发射的数据和音频信号，或向用户接口120发送接收的数据和音频信号，以由用户接口120直接输出或变换为数据显示、音频输出或其它任何合适类型输出。微处理器108耦合到接收通道102和发射通道104、调制解调器106、频率综合器110、调谐振荡器114、编解码器119、用户接口120，以根据通信协议控制这些部件。图中，未画出所有控制线，以不使图过于复杂。频率综合器110还耦合到调制解调器106、微处理器108、编解码器119、用户接口120，以提供所需的频率信号。图中，未画出所有信号线，以不使图过于复杂。
收发信机100还包括全球定位系统(GPS)140,GPS140可是直接内部耦合到微处理器108的板上或机内GPS或是能耦合到用户接口120的外接的GPS。微处理器108可从GPS140提取收发信机100的位置信息和定时信息等。在本领域内，GPS的实现和接口方式是现有技术。
收发信机100可选地包括频谱分析器2000，其输入端2001耦合到接收通道102以接收IF信号，可选地，输入端2001可耦合到任何输出含有频谱信息的信号的端口，如耦合到MODEM106。频谱分析器2000包括模数转换电路(ADC)2010，耦合到接收通道102以接收IF信号，以对接收的信号采样，ADC2010包括缓存器和采样保持电路；数字信号处理器(DSP)2020，如TI公司的TMS320C30，以处理采样的信号，提取频谱信息，如可用快速付立叶变换(FFT)实现；存储部件2050，包括ROM,RAM，EEPROM或其它存储装置，耦合到DSP2020以让其读取程序和数据；逻辑部件2040，耦合到ADC2010和DSP2020，以提供处理所需的控制和其它逻辑。ADC2010的输出耦合到DSP2020的数据总线，以接收采样的数据，和DSP2020的数据总线还耦合到微处理器108的数据总线，以向其提供频谱分析的结果。
收发信机100还包括存储部件109，包括ROM,RAM,EEPROM或其它存储装置，存储有可能与收发信机100通信的星上收发信机如收发信机199的信息，如位置，运行规律等，且可通过人工或自动更新。存储部件109还存储有运行收发信机100的指令。微处理器108耦合到存储部件109，以接收指令，读取信息，存储信息。微处理器108根据星上收发信机如收发信机199的信息，和GPS140提供的收发信机100的信息，计算多普勒频率漂移。然后，根据调谐振荡器114的控制曲线(如图7的示例曲线所示)，计算补偿多普勒频率漂移所需的控制值。然后，控制调谐振荡器114产生含多普勒频率漂移的频率信号。由频率综合器110产生混频所需的含多普勒频率漂移的本振信号。该信号也可直接由调谐振荡器114产生。接收通道102包括下变频装置，下变频装置可包括一级或多级下变频装置级，和耦合到每级下变频装置级的滤波器。下变频装置通过混频接收的信号与含多普勒频率漂移的本振信号，产生标称频率为不随时间、收发信机100的位置变化的待解调的信号。也可下变频装置固定，在MODEM中提供含多普勒频率漂移的本振信号，解调后产生不随时间、收发信机100的位置变化的待解码的信号。发射通道104包括上变频装置，上变频装置可包括一级或多级上变频装置级，和耦合到每级上变频装置级的滤波器。上变频装置通过混频调制的信号与含多普勒频率漂移的本振信号，产生标称频率为随多普勒频率漂移变化的发射信号。也可上变频装置固定，在MODEM中提供含多普勒频率漂移的本振信号，产生标称频率为随多普勒频率漂移变化的中频信号。使收发信机199接收的信号的频率为不随时间、收发信机100的位置变化信号。补偿措施仅需收或发一端采取，当然，也可根据预定，两端同时采取。
下变频装置的一个输入端耦合到频率综合器110，以接收本振信号LOD。LOD的频率由微处理器108控制，为一固定频率(F0)加或减当时的多谱勒频率(FD)。下变频装置的另一个输入端耦合到天线101以接收收发信机199发射的带多普勒频率漂移的RF信号，下变频装置的输出端耦合到调制解调器106。
类似地，上变频装置包括两信号输入端，分别耦合到频率综合器110，以接收本振信号LOU，和MODEM，以接收调制的信号。LOU的频率由微处理器108控制，为一固定频率(F0)减或加当时的多谱勒频率(FD)。上变频装置的输出端耦合到天线101，以发射带多普勒频率漂移的信号，使收发信机199接收的信号等效于固定频率的信号。
虽然本优选例选择频率补偿装置于同一收发信机中，应该知道，在配对的收发信机组中，任何的收信机和发信机配对中只需补偿一端，当然，也可两端同时补偿，使补偿效果之和为所需。如果在另一收发信机也补偿，此另一收发信机可包括GPS和微处理器，以判断补偿量；也可不包括GPS，而从包括GPS的收发信机接收补偿信息，解码得到补偿量，或其它方法，如通过三角方法，与网络的其它收发信机通过网络定位收发信机100。还可包括GPS，不仅从包括GPS的收发信机接收补偿信息，而且判断补偿量，并选择解码得到补偿量与判断得到的补偿量之一或算术平均或几何平均或任何其它合适的方法。
图2描绘收发信机100和其它在其覆盖范围内的收发信机如收发信机199通信的示意图。根据收发信机100的速度矢量(V1)和收发信机199的速度矢量(V2)及通信频率F0，本领域技术人员能根据周知的公式计算出其多谱勒频率(FD)。图中，设收发信机199的发射信号的方向矢量(O2)，其方向为收发信机199到收发信机100，则V1在收发信机100接收的信号产生的多谱勒频率(FD1)为V1点乘O2乘F0/C，即FD1=V1·O2*F0/C其中C为光速。
V2在收发信机100接收的信号产生的多谱勒频率(FD2)为V2点乘(-O2)，即FD2=-V2·O2*F0/C因此，由运动矢量产生的总的多谱勒频率(FD)为FD=FD1+FD2图3A描绘在接收如收发信机199的收发信机时，收发信机100开机状态时的接收通道补偿多谱勒频率的方法。其中，收发信机100包括GPS，假设收发信机100接收的信号频率为F0+FD，其中F0是通信频率，FD是由于相互移动产生的补偿多谱勒频率。方法开始于步骤400。在优选的方案中，首先，在步骤410，微处理器从存储部件109读取收发信机199和收发信机100的数据包括如线速率、转动速率、轨道参数和方向的运动规律，和天线方向图。同时，在步骤420，微处理器从GPS接收收发信机100的数据，包括位置和时间数据。在本方案中，步骤410和步骤420分先进行，但也可同时进行，取决于系统的特性。然后，在步骤430，根据收发信机100和收发信机300的数据，微处理器108判定收发信机100是否有可与之通信的收发信机如收发信机199，如果没有，在步骤437，以显示、音频或其它方法报告用户，并等待用户指令，然后执行用户指令或自动停止。如果有，在步骤440，根据步骤410和步骤420接收的在发信机100和收发信机300的数据，微处理器计算多谱勒频率FD变化的曲线，包括当时的多谱勒频率。然后，在步骤450，根据收发信机100中可调谐振荡器的预定的频率控制信号变换曲线，微处理器计算多谱勒频率曲线对应的控制值曲线。在优选的方案中，多谱勒频率曲线对应的控制值曲线为计算好后，存储在存储器中，然后以本领域周知的方法由控制调谐振荡器直接访问存储器读取，这特别适用于收发信机100较慢运动或静止时；该控制值曲线也可由其它方法输出给调谐振荡器，如可由微处理器实时计算，然后直接输出，这特别适用于收发信机100较快运动时。然后，在步骤460，向可调谐振荡器发送控制值，可调谐振荡器根据控制值产生基于控制值的补偿多谱勒频率的频率。再后，在步骤470，下变频装置通过混频天线接收的信号和可调谐振荡器产生的补偿多谱勒频率的频率，变频由天线接收的含多谱勒频率的频率为的接收信号为IF信号。在步骤472，判断接收的信号的质量，如可测量信噪比。如果信号的质量可以接受，执行步骤474，自动或人工提取并处理收发信机300发射的含有的收发信机199的更新数据的信息，如更新的线速率、转动速率、轨道参数和方向数据；并存储之于存储部件109。然后返回步骤420。在步骤474还可优化，如比较更新的数据与原数据。如果不同，计数连续不同的次数，如果不同的连续不同的次数小于预定值，然后返回步骤450。如果连续不同的次数大于或等于预定值，同时，每次更新的数据相同，用更新数据更新存储部件109存储的数据，返回步骤420。
图3B描绘在接收如收发信机199的收发信机时，收发信机100的发射通道补偿多谱勒频率的方法。其中，收发信机100包括GPS。如果收发信机100接收的信号频率为F0+FD，那么，收发信机100发射的信号频率为F0-FD，以使收发信机199接收的信号频率为F0。注意，这里假设收发信号同频率，实际中，是不一样的，但可按上法计算FD。方法开始于步骤1400。在优选的方案中，步骤1410到步骤1460与图3A的步骤410到步骤460相同，虽然其计算值不同，但方法相同。因此，可简化为，步骤460后接步骤1470。在步骤1470，上变频装置通过混频发射通道接收的信号和可调谐振荡器产生的补偿多谱勒频率的频率，变频由发射通道接收的信号为含多谱勒频率的信号，频率为F0-FD。
图4示出频率综合器110中产生多谱勒频率的调谐振荡器114的方案的示意图。调谐振荡器114包括，压控振荡器(VCO)520，数模转换器(DAC)530。其中，DAC530有耦合到微处理器的数据线，以接收微处理器输出的控制信号，产生控制频率变化的电压信号。DAC530的输出耦合到VCO520，以产生频率受控的信号。根据信道所用频率和FD，也根据VCO的电压频率曲线，微处理器计算出控制值并输出该控制值到DAC530。DAC530转换控制值为模拟信号控制VCO520产生所需的频率。
图5示出了调谐振荡器114的优选方案的示意图。与图3相同的部分，这里不再描述。调谐振荡器114包括存储器650，存储有所需产生的信号的各相位的值，如果信号对称，根据对称性，可仅存储能映射出各相位的值的值，以减少存储器容量；逻辑组件660；和DAC670。其中，逻辑组件660包括耦合到微处理器的数据总线的第一输入端，以接收控制信号，包括每时钟相位变化信号；耦合到频率综合器中的时钟信号输出端的第二输入端，接收时钟信号(CP)；耦合到存储器650的第一输出端组，输出相位信号；耦合到DAC670的第二输出端组，输出控制信号。存储器650根据逻辑组件660的第一输出端组输出的相位信号，输出对应的值。逻辑组件660可包括加法器，以在每时钟周期递增一相位值。存储器650通过数据总线耦合到DAC670，提供对应信号的量化数值。例如，假设为产生正旋信号，设当CP为80MHZ，存储器350中相位的最小分辨率为360度/十六进制“800”，存储器350存储360度正旋信号值，如果微处理器输出的每时钟相位变化信号为十六进制“0FF”，则产生10MHZ的信号；如果微处理器输出的每时钟相位变化信号为十六进制“08F”，则产生5MHZ的信号；如果微处理器输出的每时钟相位变化信号为十六进制“2FF”，则产生20MHZ的信号。
图6示出多普勒频移补偿的另一方法，其中，收发信机100包括谱分析器。方法始于步骤700。在步骤710，收发信机100接收收发信机300的初始信号。在步骤720，对接收信号进行频谱分析，得出多普勒频移FD7。然后，按上文所述的方法控制调谐振荡器，这里不再描绘。也可将图6和图3的方法综合，如在方案中采用的加权平均的方法，计算出最后的多普勒频移为(a1*FD+a2*FD7)/(a1+a2),a1、a2可选任何实数，如选择a1=a2=1。
图7是调谐振荡器的示例曲线。其中，Y轴代表控制值，X轴代表输出频率。虽然本曲线示为线性，应知道，本曲线可为任何调谐振荡器的实际曲线。
虽然上文描绘了本发明，应知道，上述描绘仅通过举例，本领域的技术人员能对本发明作出改进而不脱离本发明的真实精神和范围。如，在接收通道和发射通道中补偿的多普勒频率可在调制解调器中实现。又如，先用GPS方法补偿后，由谱分析得出误差，再补偿。又如收发信机对的两收发信机中可都在发射通道补偿或都在接收通道补偿，或在一发射通道补偿和在一接收通道补偿，即补偿发信机与与其通信的收信机的任一个。也可一端用GPS方法补偿，另一端用谱分析器方法补偿。还如该方法可用于知道运行规律的相互通信的收发信机中的频率漂移补偿。因此，希望本权利要求能覆盖所有这些变形和改进。
权利要求是
权利要求
1．在卫星移动通信系统中补偿多普勒频率漂移的装置，所述卫星移动通信系统包括星上收发信机和地面收发信机，所述装置包括接收通道，耦合到所述天线，以接收所述天线接收的信号；发射通道，耦合到所述天线，以通过所述天线发射信号；调制解调器，耦合到所述接收通道，接收信号以解调，耦合到所述发射通道，以输出调制的信号到所述发射通道；频率综合器，耦合到所述接收通道、所述发射通道、所述调制解调器，提供本振信号；微处理器，耦合到所述接收通道、所述发射通道、所述调制解调器和所述频率综合器，以控制之，和接收它们的状态信息，所述微处理器还耦合到所述频率综合器，以接收时钟信号；调谐振荡器，耦合到所述微处理器，以接收调谐控制值，输出调谐的信号，所述调谐振荡器还耦合到所述频率综合器，使所述频率综合器产生受控频率的信号。
2.如权利要求1所述的装置还包括存储器，存储有所述星上收发信机信息，所述存储器耦合到所述微处理器，以向所述微处理器提供所述星上收发信机信息，所述星上收发信机信息包括速率、方向和高度，位置；全球定位系统(GPS)，耦合到所述微处理器，以提供所述装置的信息，包括位置，时间。
3.如权利要求2所述的装置，其中，所述微处理器根据GPS提供的信息和所述存储器存储的信息，能计算所述多普勒频率漂移，根据所述调谐振荡器控制曲线，能计算产生含所述多普勒频率漂移的信号的控制值。
4.如权利要求1所述的装置还包括频谱分析器，以分析所述接收的信号的频谱，所述频谱分析器耦合到所述微处理器，以提供分析的结果。
5.在卫星移动通信系统中用于补偿多普勒频率漂移的方法，所述卫星移动通信系统包括相互通信的相对运动的收发信机，包括星上收发信机和地面收发信机，所述地面收发信机包括全球定位系统(GPS)，存储有与之通信的星上收发信机的运动规律的存储器，所述方法包括步骤从所述GPS提取所述地面收发信机的信息，包括位置，时间；从所述存储器读取所述星上收发信机的运动规律的信息，包括方向，速率，高度，位置；根据所述提取的所述地面收发信机的信息和所述读取的所述星上收发信机与所述地面收发信机的相对运动规律的信息，计算由于所述星上收发信机的运动引起的多普勒频率漂移；分别补偿发射和接收信号的所述计算的多普勒频率漂移。
6.在如权利要求1所述的装置中补偿补偿多普勒频率漂移的方法，所述地面收发信机包括频谱分析器，所述方法包括步骤从所述地面收发信机接收的信号中提取频谱信息，包括通信频率和多普勒频率漂移；分别补偿发射和接收信号的所述计算的多普勒频率漂移；其中从所述地面收发信机接收的信号中提取频谱信息步骤包括对所述接收的信号进行快速付立叶变换，得到所述接收的信号的数字谱，得到所述数字谱中的多普勒频率。
7.如权利要求5或6所述的补偿多普勒频率漂移的方法，还包括步骤判断所述补偿多普勒频率漂移的接收的信号质量是否达到要求；如果未达到要求，以音频或其它方法报告用户或中止运行；如果达到要求接收所述星上收发信机发射的关于所述星上收发信机的运动规律的信息为更新信息；判断所述更新信息是否与存储于所述存储器的所述星上收发信机的运动规律的信息相同，如果所述更新信息不同于存储于所述存储器的所述星上收发信机的运动规律的信息，存储更新信息于所述存储器，更新所述存储于所述存储器的所述星上收发信机的运动规律的信息。
8.如权利要求5和6所述的在移动通信系统中用于补偿多普勒频率漂移的方法，所述移动通信系统包括调谐振荡器，其中所述分别补偿发射和接收信号的所述计算的多普勒频率的步骤包括基于所述计算的多普勒频率，产生控制所述调谐振荡器的控制值，基于所述控制值产生本振信号，其中包括所述计算的多普勒频率；用所述本振信号与所述发射和接收信号混频，产生所述补偿的信号；其中，混频接收的信号与带有所述计算的多普勒频率漂移的本振信号，产生补偿了所述计算的多普勒频率漂移的接收信号；混频编码的信号与带有所述计算的多普勒频率漂移的本振信号，产生发射频率为所述计算的多普勒频率漂移频率与预定信道发射频率之和或差的信号。
9.如权利要求8所述的在移动通信系统中用于补偿多普勒频率漂移的方法，其中所述调谐振荡器包括数控振荡器，所述数控振荡器包括存储有三角正旋或余旋函数的各对应相位的数字值的存储器、时钟信号源、相位产生器、数模转换电路D/A，其中所述产生本振信号的方法包括根据所述数控振荡器的时钟频率和所述计算的多普勒频率及本振的中心频率，计算每时钟翻转所需变化的相位；输入所述相位产生器所述所需变化的相位，产生变化的相位；输入所述存储器所述产生的变化的相位，产生对应所述产生的变化的相位的数字值；输入所述D/A所述产生的数字值，产生所述本振信号。
10.在如权利要求1所述的装置中补偿补偿多普勒频率漂移的方法，所述地面收发信机包括频谱分析器，所述方法包括步骤从所述地面收发信机接收的信号中用频谱分析器提取已接收信号的频谱信息，得出频率误差；分别补偿发射和接收信号的所述频率误差。
全文摘要
卫星无线移动通信为保证通信质量,需要补偿运动产生的多谱勒频率。补偿多谱勒频率的装置包括微处理器,收发通道,调制解调器,调谐振荡器和全球定位系统(GPS)。利用GPS的信息和卫星信息可得到多谱勒频率。装置还可包括谱分析器,通过频率变换,如FFT,得到频率偏差。根据多谱勒频率、频率偏差,控制调谐振荡器产生可补偿误差的振荡频率,然后混频补偿多谱勒频率。
文档编号H04B1/16GK1219037SQ9810092
公开日1999年6月9日 申请日期1998年3月19日 优先权日1998年3月19日
发明者高淑媛 申请人:高淑媛