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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein System und ein
Verfahren für
eine Leistungssteuerung in einem Kommunikationssystem und insbesondere
eine Aufwärtsstrecken-Leistungssteuerung
und -erfassung.
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Hintergrund
der Erfindung
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Kommunikationssysteme
wie Satellitenkommunikationssysteme umfassen typischerweise eine oder
mehrere Steuerschleifen zur Leistungsübertragung. 1 stellt
in einem Blockformat ein typisches Leistungserfassungs- und -steuerungsschema
für ein
Satellitenkommunikationssystem dar. Das System 100 weist
eine Innenbereichseinheit (IDU = Indoor Unit) 102 auf,
die über
ein Kabel 103 Signale an eine Außenbereichseinheit (ODU) 104 liefert.
Im Allgemeinen ist die IDU 102 konfiguriert, um den Pegelwert
des HF-Signals (Hochfrequenzsignals) zu steuern, das an einen Satelliten
gesendet werden soll. Durch Erhöhen
oder Verringern der Signale, die an die ODU 104 geliefert
werden, kann die IDU 102 beispielsweise die Ausgangsleistung
des an den Satelliten gesendeten HF-Signals variieren.
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Insgesamt
werden die IDU 102, die ODU 104 und das Kabel 103 allgemein
als „Bodenstation" bezeichnet. Die
Bodenstation kann beispielsweise auf einer stationären Struktur
(z. B. einem Gebäude) oder
einer beweglichen Struktur (z. B. einem Fahrzeug) derart angeordnet
sein, dass eine Kommunikation mit dem Satelliten zulässig ist.
Bei vielen Anwendungen ist die IDU nahe oder innerhalb eines Computers
angeordnet, z. B. eine Karte, die in den Computerprozessor oder
einen Kasten in der Nähe
des Computers passt. Das Kabel oder mehrere Kabel verbinden die
IDU mit der ODU, die in einem Außenbereich positioniert sein
kann, z. B. auf dem Dach eines Gebäudes oder eines Fahrzeugs.
Eine weitere Bodenstation, die allgemein in 1 als eine
Parabolantenne dargestellt ist, stellt eine ähnliche Funktionalität für das entgegen
gesetzte Ende der Nachrichtenverbindung bereit, um den Benutzer
der Bodenstation 100 mit einem Telekommunikations- oder Computernetzwerk
zu verbinden.
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Wie
es bei einer drahtlosen Übertragung häufig der
Fall ist, können
Hindernisse, wie z. B. Wolken, Regen, Bauten und der dergleichen,
den Empfang der Übertragung
des HF-Signals, das am Satelliten empfangen wird, verringern, d.
h. dass das Signal-Rausch-
bzw. Stör-Verhältnis (SNR)
des HF-Signals abnimmt. Der Satellit kann ein Signal zurück zur Bodenstation
senden, wodurch angezeigt wird, dass das am Satelliten empfangene
HF-Signal zu schwach ist, also dass beispielsweise die Stärke (d. h.
der Leistungspegelwert) des empfangenen Signals für eine optimale
Erfassung zu schwach ist. Als Reaktion darauf verfügt die Bodenstation
typischerweise über
zwei Optionen; Reduzieren der Datenbitrate (was im Allgemeinen unerwünscht ist)
durch entweder ein Bandbreitenreduktionsverfahren oder eine erhöhte Fehlerkorrekturcodierung
oder Erhöhung
der HF-Signalstärke.
Zur Erhöhung
der HF-Signalstärke erhöht die IDU
die Signalleistung an die ODU, wodurch die Stärke des an den Satelliten gesendeten HF-Signals
erhöht
wird.
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Die
ODU 104 weist einen Leistungsverstärker (der nicht gezeigt ist)
auf, um das HF-Signal in Vorbereitung auf die Übertragung bzw. Sendung an den
Satelliten zu vergrößern oder
zu verstärken. Leistungsverstärker sind
häufig
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine maximale Leistungsfähigkeit
aufweist. Da beispielsweise einer Verstärkungsvorrichtung eine zunehmende
HF-Leistung zugeführt
wird, steigt die Ausgangsleistung der Vorrichtung dementsprechend
an, bis ein „Sättigungspegelwert" der Vorrichtung
erreicht ist. Bei einer Sättigung
oder maximalen HF-Leistungsfähigkeit
verhält sich
das Verstärkerausgangssignal,
ungeachtet des Betrags der Eingangsleistung, nicht mehr linear zum Anstieg
der Leistung. Im Sättigungszustand
wird die HF-Wellenform „an
der Spitze begrenzt" bzw. „geclippt", und der maximale
Energiebetrag wird im primären
Signal einbehalten. Während
die Eingangsleistung weiter erhöht
wird, erzeugt die überschüssige Signalenergie
eine zusätzliche
Signalverzerrung und Signalharmonien.
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Signalharmonien
können
sich vermischen, um ein Spektralbild des primären Signals in einem benachbarten
Kommunikationssignal zu bilden. Die Interferenz des benachbarten
Kanals, die durch die Leistungsverstärkerverzerrung bewirkt wird,
beginnt das SNR der Signale von anderen Benutzern in benachbarten Übertragungskanälen zu reduzieren.
Um das verminderte SNR zu kompensieren, erhöht die IDU von jenen Benutzern,
die in benachbarten Kanälen
operieren, typischerweise die Leistung an die ODU. Die Erhöhung der
Leistung sorgt für
eine fortlaufende Steigerung der Harmonien und verringert wiederum
das SNR, wodurch sich auf diese Weise sich der Kreislauf fortsetzt.
Neben dem Verursachen einer disruptiven Interferenz, unterliegen
die Pegelwerte von zulässigen,
benachbarten Kanalinterferenz-Pegelwerten den Einschränkungen,
die allgemein durch maßgebende
Genehmigungsbehörden wie
die FCC erhoben werden.
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Zur
Verringerung der durch Harmonien verursachten Interferenzen ist
es wünschenswert,
den Pegelwert der an die ODU bereitgestellten Leistung zu steuern.
Wenn das Eingangssignal um etwa 1 db (Dezibel) weniger als der kleine
Signalgewinn bzw. -verstärkung
verstärkt
wird, wird es üblicherweise
als der 1-db-Kompressionspunkt (P1db) bezeichnet. Da das Eingangssignal
in den Verstärker über P1db
hinaus erhöht
wird, befindet sich das Ausgangssignal nicht mehr in einer linearen
Beziehung mit dem Eingangssignal und erfährt in Bezug auf den Gewinn eine
rasche Abnahme, wodurch Signalharmonien bewirkt werden. Es ist wünschenswert,
den Betrag der Leistung an eine Komponente, wie beispielsweise einen
Leistungsverstärker,
zu erfassen und auf näherungsweise
P1db der Komponente zu begrenzen, um zu verhindern, dass Signalharmonien
erzeugt werden, die sich auf eine Signalübertragung nachteilig auswirken
können.
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist eine Bodenstation 200 eines
bekannten Aufwärtsstrecken-Leistungserfassungs-
und -steuerungssystems des Stands der Technik dargestellt. Die Bodenstation 200 weist
eine IDU 202, eine ODU 204 und eine Signalübertragungseinrichtung 203 auf.
Die Signalübertragungseinrichtung 203 weist
bei spielsweise ein oder mehrere Kable auf, die für eine Signalübertragung
bzw. -sendung zwischen der IDU 202 und der ODU 204 geeignet
sind, z. B. ein Kabel nach Industriestandard RG-6 (Koaxkabel) wie
das Belden 9114.
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Im
Allgemeinen weist die IDU 202 ein Modem 210 auf,
um ZF-Signale (Zwischenfrequenzsignale) zu empfangen und an die
ODU 204 zu senden, und eine Gleichstromleistungszuführung 212,
um die Gleichstromleistung an die ODU 204 zu senden. Ein typisches
Modem 210 weist einen Demodulator 214, einen Modulator 216,
eine automatische Gewinnsteuerung 218 und eine automatische
Pegelwertsteuerung 220 auf. Der Demodulator 214 wandelt
die empfangenen ZF-Signale in digitale Daten um, die über eine
serielle oder parallele digitale Schnittstelle mit einem Computer
oder einem anderen digitalen Gerät
gekoppelt werden können.
Die automatische Gewinnsteuerung 218 wird verwendet, um
den eingegebenen ZF-Signalpegel (Zwischenfrequenzsignalpegel) nach
oben oder unten anzupassen, um dem Demodulator 214 einen
näherungsweise
konstanten Signalpegelwert bereitzustellen. Der Modulator 216 wandelt
digitale Daten von der seriellen oder parallelen digitalen Schnittstelle
in ein ZF-Signal um. Eine automatische Pegelwertsteuerung 220 wird
verwendet, um den Ausgangssignalpegelwert, der der ODU bereitgestellt
wird, basierend auf Verbindungsbedingungen (z. B. Wetter, Temperatur,
Interferenz etc.) zu erhöhen
oder zu verringern.
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Im
Allgemeinen weist die ODU 204 einen Empfänger 222,
eine Antenne 224, einen Sender und Leistungsverstärker 226,
einen HF-Leistungsdetektor 228 und einen Schnittstellenschaltungsaufbau 230 auf.
Der Empfänger 222 weist
einen rauscharmen Verstärker
auf, um das eingegebene HF-Signal von der Antenne zu verstärken, und
einen Abwärtsmischer
bzw. Abwärtsumwandlungsmischer,
um das HF-Signal in ein ZF-Signalumzuwandeln.
Zusätzlich kann
der Empfänger 222 auch
einen oder mehrere HF-, ZF- oder lokale Oszillator-Verstärker (LO-Verstärker) enthalten.
Die Antenne 224 kann eine beliebige Antenne sein, die zum
Empfangen und Senden von geeigneten Frequenzen geeignet ist, wie
z. B. eine Parabolantenne, eine Dipolantenne, eine phasengesteuerte
Antenne oder eine beliebige andere, geeignete Antenne. Der Sender 226 empfängt das ZF-Signal
von der IDU 202. Ein Signalmischer (nicht gezeigt) innerhalb
des Sen ders 226 erzeugt ein HF-Signal von den empfangen
ZF- und Gleichstrom-Signalen. Der Sender 226 weist auch
einen Leistungsverstärker,
z. B. einen Hochleistungsverstärker
(HPA) auf, der das HF-Signal in Vorbereitung auf eine Übertragung
an einen Satelliten verstärkt.
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Inbegriffen
im HF-Leistungsdetektor 228 ist eine bekannte Technik zum
Erfassen und Begrenzen der Leistung an den Sender 228 mittels
der automatischen Pegelwertsteuerung 220 zum Reduzieren
der Effekte der Signalinterferenz. Der HF-Leistungsdetektor 228 (der
auch als „Vorwärtsleistungsdetektor" bezeichnet wird)
weist im Allgemeinen einen Koppler, eine Detektordiode, einen Komparator
und eine Signalübertragungseinrichtung
(z. B. einen Schnittstellenschaltungsaufbau 230) zum Übertragen
von Signalen zurück
zur IDU 202 auf.
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Während des
Betriebs tastet der HF-Leistungsdetektor 228 das Ausgangssignal
von dem Leistungsverstärker
(vor der Antennenübertragung) ab
und sendet das Signal zurück
zur IDU. Der Schnittstellenschaltungsaufbau 230 ist erforderlich, um
eine automatische Pegelwertsteuerung 220 zu verwenden.
Eine zusätzliche
Signalübertragungseinrichtung 203,
z. B. ein zusätzliches
Kabel oder ein Multiplex-Schaltungsaufbau, ist erforderlich, um
das ausgegebene HF-Signal von der ODU 204 an die IDU 202 (die
im Allgemeinen in 2 als „Vorwärtsleistungstelemetrie" dargestellt ist)
zu senden. Unter Verwendung des abgetasteten Leistungsausgangssignals
an die ODU kann die IDU beurteilen, wie viel mehr Leistung eine
Station 200 senden kann, ohne zu bewirken, dass sich der
Verstärker
in einen Kompressionszustand begibt.
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Bei
dem Vorwärtsleistungsdetektorsystem des
Stands der Technik gibt es erhebliche Nachteile. Zum Beispiel arbeitet
jede der Komponenten in dem Vorwärtsleistungsdetektor-System,
z. B. Diode, Koppler, Operationsverstärker, bei Variationen in der Umgebung,
insbesondere bei Temperaturveränderungen,
unterschiedlich. Um diesen Variationen Rechnung zu tragen, muss
jedes System, das eine Vorwärtsleistungsdetektor-Einheit
verwendet, unter verschiedenen Bedingungen individuell kalibriert werden.
Diese Daten müssen
dann in einer für
jede Einheit zugänglichen
Datenbank für
eine anschließende
Bezugnahme gespeichert werden. Eine derartige Datensammlung ist
arbeitsaufwendig, erfordert Speicherplatz und ist anfällig für Fehlberechnungen.
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Zudem
zieht das Vorwärtsleistungsdetektorsystem
des Stands der Technik Leistung vom Ausgang des Leistungsverstärkers. Jeglicher
Leistungsverlust am Ausgang des Verstärkers muss durch Erhöhen der
Gesamtausgangsleistung des Verstärkers kompensiert
werden. Dies ist jedoch nicht immer einfach. Die Kosten der Leistungsverstärkereinheit
hängen
tatsächlich
häufig
von den Ausgangsleistungskapazitäten
der Einheit ab. Da mehr Ausgangsleistung erforderlich ist, um einem
Verlust Rechnung zu tragen, ist daher im Allgemeinen ein teuerer
Leistungsverstärker
notwendig.
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Außerdem kann
ein schnittstellenmäßiges Koppeln
der Signale von dem Vorwärtsleistungsdetektorsystem
mit der IDU zusätzliche
Kabel oder einen Multiplex-Schaltungsaufbau,
komplexe Schnittstellenkomponenten und einen Schaltungsaufbau oder
eine Kombination von beidem erfordern.
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Ein
weiteres Verfahren zum Erfassen von Leistungspegelwerten umfasst
ein Erfassen der Eingangsleistung in einen FET-basierten Verstärker durch
einen Gate-Stromerfassung.
Da die HF-Leistung in Bezug auf den Verstärker erhöht wird, imitiert der Gate-Source-Übergang
des FET das Verhalten einer Schottky-Diode. Das Eingangs-HF-Signal wird gleichgerichtet,
was einen Netto-Gleichstrom in das Gerät zur Folge hat. Eine Beziehung
zwischen dem Eingangsleistungspegelwert und dem Gate-Strom kann
dann durch eingehendes Überwachen
des Gate-Source-Übergangs
eingerichtet werden.
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Obgleich
das Gatestrom-Erfassungsverfahren einen Teil der Probleme löst, die
dem Vorwärtsleistungsdetektor-System
zugeordnet sind, z. B. dass es die Hardware am Ausgang des Leistungsverstärkers überflüssig macht
und einen Systemverlust reduziert, sind die Nachteile des Gatestrom-Erfassungsverfahrens
ohne weiteres offensichtlich. Aufgrund der Systemvariationen, die
für die
Komponente und die Umgebung der Einheit typisch sind, ist dieses
Verfahren äußerst fehleranfällig. Bei
der Gatestromerfassung wird beispielsweise die Eingangsansteuerungsleistung
in den Verstärker
gemessen, nicht jedoch die Ausgangsleistung, bei der es sich um die
relevante Messung handelt. Obgleich es durchführbar ist, die Ausgangsleistung
anhand der Eingangsleistung und des Gewinns mathematisch zu bestimmen,
kann diese Berechnung aufgrund der Gewinnvariationen, die durch
Umweltveränderungen,
Einheitsvariationen und dergleichen hervorgerufen werden, deutlich
schwanken. Während
sich die Verstärkung
des Verstärkers ändert, wird
sich somit auch die berechnete Ausgangsleistung ändern.
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Außerdem variieren
die Diodeneigenschaften des FET-Verstärkers von Gerät zu Gerät, wodurch
das Risiko von fehlerhaften Ablesungen steigt. Unter einer Ansteuerung
eines hohen HF-Eingangssignals kann der normalerweise in Sperrrichtung
vorgespannte Gate-Drain-Übergang
beginnen, zusammenzubrechen und einen Netto-Stromfluss aus dem Gate
heraus zu bewirken. Exakte Gatestromablesungen können aufgrund der Tatsache
schwierig sein, dass sich ein Teil des oder der gesamte Stromfluss
in das Gate aufhebt.
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Dementsprechend
ist ein verbessertes System und Verfahren zur Leistungssteuerung
in einem Kommunikationssystem notwendig. Insbesondere ist ein Leistungssteuerungs-
und Erfassungssystem notwendig, das von schwankenden Umgebungseinflüssen im
wesentlichen unabhängig
ist, um eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit bereitzustellen, ohne
einen wesentlichen Anstieg des Aufwands an Kosten, Komponenten und
Systemverbindungen.
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Die
WO9221291 offenbart ein Verfahren zum Steuern einer Ausgangsleistung
von einer Senderstation durch periodisches Übertragen eines Kalibrierungssignals
von der Senderstation zu einer Empfängerstation und Ableiten einer
für den
Sender charakteristischen Leistung basierend auf einem Kalibrierungssignal.
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Die
WO0025445 offenbart einen Kalibrierungsmodus für eine installierte drahtlose
Ferneinheit bzw. Remote-Unit. Ein Routinebetrieb wird unterbrochen,
um in den Kalibrierungsmodus überzuwechseln.
Im Kalibrierungsmodus wird der Kompressions punkt eines Schaltungsselements
bestimmt, indem eine Reihe von unterschiedlichen Ansteuerungspegelwerten
an das Schaltungselement angelegt wird.
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Die
EP 0473299 offenbart einen
Verstärker mit
einem Steuerschleifen-Steuerungssystem, bei dem die Versorgungsspannung
variiert wird, um einen konstanten Betriebspunkt beizubehalten,
was zu einer konstanten Eigenschaft von Gewinn, Effizienz und Linearität für den gesamten
Halbleiter-Leistungsverstärker
ungeachtet der Variationen der Signalpegelwerte und der Signalzusammensetzung
führt.
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Die
US 5940025 offenbart einen
Radarsender mit zwei Kalibrierungsmodi: einem AM-Rauschkalibrierungsmodus,
der verwendet wird, um einen nominalen Betriebspunkt für den AM-Rauschkalibrierungsmodus
zu bestimmen, und einen anschließende Phasenmodulations-(PM)-Rauschkalibrierungsmodus,
der zum Festlegen eines nominalen Betriebspunkts für den PM-Rausch-Kalibrierungsmodus
verwendet wird.
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Kurzfassung
der Erfindung
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Gemäß den verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung weist ein Bodenstationssystem
einen Signalsteuerungseinheit auf, die konfiguriert ist, um ein
Sendesignal an einen Satelliten bei oder unterhalb des P1db-Punkts
zu modulieren, um eine übermäßige Interferenz
in einem benachbarten Kanal zu verhindern. Der P1db-Punkt wird gemäß einer
Gleichstromerfassungseinrichtung bestimmt. Gemäß einem Verfahren der vorliegenden
Erfindung sendet ein Signalsteuerungssystem ein Signal für eine Übertragung
von einer Steuerungseinheit zu einer Sender-Empfängereinheit. Die Steuerungseinheit
erfasst den Gleichstrom, der durch die Sender-Empfängereinheit
während
der Übertragung
verbraucht wird, und bestimmt einen gewünschten maximalen Signalleistungspegelwert
des Signals basierend auf den erfassten Gleichstrompegelwerten.
Das Signal wird bei oder unterhalb des gewünschten maximalen Signalleistungspegelwerts
gehalten und von dem Sender-Empfängereinheit übertragen.
Bei der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe „Innenbereichseinheit" und „Steuerungseinheit" aus tauschbar verwendet.
Desgleichen werden die Begriffe „Außenbereichseinheit" und „Antenneneinheit" austauschbar verwendet.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnung
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Diese
und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden unter Bezugnahme auf die nachstehende Beschreibung, die angehängten Ansprüche und
die beigefügte
Zeichnung besser verständlich.
Es zeigen:
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1 ein
in einem Blockformat dargestelltes, typisches Leistungssteuerungsschema
für ein Satellitenkommunikationssystem;
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2 eine
in einem Blockformat dargestellte Bodenstation für eine Aufwärtsstrecken-Leistungssteuerung
des Stands der Technik;
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3 eine
in einem Blockformat dargestellte Bodenstation für eine Aufwärtsstrecken-Leistungssteuerung
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 eine
graphische Darstellung des P1db-Punkts gemäß einem Leistungssteuerungssystem
der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein
Algorithmusflussdiagramm für
eine Leistungserfassung und -steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der exemplarischen
Ausführungsformen
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren für eine Leistungssteuerung
in einem Kommunikationssystem. Das Leistungssteuerungssystem gemäß verschiedener
Aspekte der vorliegenden Erfindung setzt die Implementierung einer minimalen
Hardware-Ausstattung ohne eine zusätzliche Telemetrieschnittstelle
voraus. Zusätzlich
ermöglicht
das Leistungsteuerungssystem der vorliegenden Erfindung eine Steuerung
der Ausgangsleistung, die im wesentlichen von Umweltschwankungen
unabhängig
ist. Das Leistungssteuerungssystem gemäß verschiedener Ausführungsformen
der Erfindung stellt ein exaktes und zuverlässiges Verfahren zum Steuern
der Ausgangsleistung von beispielsweise einem Leistungsverstärker bereit.
Insbesondere der Eingangsstrom in den Verstärker wird angemessen erfasst
und verwendet, um den P1db-Punkt
des Verstärkers
zu bestimmen. Die Eingangsleistung kann dann so gesteuert werden,
dass sie bei oder unterhalb des P1db-Punkts bleibt.
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3 stellt
in einem Blockformat ein exemplarisches Bodenstationssystem 300 für einen
Aufwärtstrecken-Leistungssteuerung
gemäß der vorliegenden
Erfindung dar. Das System 300 weist eine Innenbereichseinheit
(IDU) 302, eine Außenbereichseinheit
(ODU) 304 und eine Signalübertragungseinrichtung 303 auf.
Die Signalübertragungseinrichtung 303 weist
beispielsweise ein Kabel auf, das für eine Zweiwege-Signalübertragung
zwischen der IDU 302 und der ODU 304 geeignet
ist, beispielsweise ein Kabel ähnlich
dem Kabel, das für
eine Signalübertragungseinrichtung 203 beschrieben
wurde. Ungleich der Signalübertragungseinrichtung 203 des
Stands der Technik, die im Allgemeinen ein separates Kabel für eine Vorwärtsleistungs-Telemetrieübertragung
erfordert, benötigt
die Signalübertragungseinrichtung 303 keine Übertragungseinrichtung
für eine
Vorwärtsleistungstelemetrie.
Daher kann die Signalübertragung
zwischen der IDU und der ODU der vorliegenden Erfindung unter Verwendung
eines einzelnen Kabels oder Koaxialkabels erreicht werden.
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Ähnlich der
ODU 204 des Stands der Technik weist die ODU 304 der
vorliegenden Erfindung einem Empfänger 322, eine Antenne 324 und
einen Sender und Leistungsverstärker 326 auf.
Die Elemente 322 bis 326 führen im wesentlichen die gleichen
Funktionen aus und können
die gleichen oder entsprechenden Komponenten wie die Elemente 222 bis 226 der bekannten
ODU 204 aufweisen. Somit sind diese Elemente und ihre Funktionen
in der Branche hinreichend bekannt und werden hierein weder ausführlich beschrieben
noch werden ihre Funktionen erneut aufgeführt.
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Es
ist jedoch zu beachten, dass die ODU 304 der vorliegenden
Erfindung kein Vorwärtsleistungserfassungssystem
(z. B. einen HF-Leistungsdetektor 228 und einen Schnittstellenschaltungsaufbau 230) der
ODU 204 des Stands der Technik aufweist. Die Aufhebung
des Leistungserfassungssystems am Ausgang des Leistungsverstärkers ermöglicht,
dass das HF-Signal bei sehr geringem Leistungsverlust an die Antenne 324 geliefert
werden kann (d. h. dass vom Ausgang zu einem Erfassungssystem keine Leistung
gezogen wird, wodurch der Leistungsverlust erhöht wird). Unter normalen Bedingungen
ist der Leistungsverlust, der der Übertragung des HF-Signals vom
Leistungsverstärker 326 zur
Antennen 324 zugeschrieben ist, tatsächlich ein Verlust, der in
einem beliebigen Signalrangierungs- bzw. Signalrouting-Schaltungsaufbau
typisch ist und über
kurze Strecken im Allgemeinen vernachlässigbar ist.
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Außerdem wird
durch das Entfernen des Leistungserfassungssystems an der ODU die
Notwendigkeit aufgehoben, das Telemetriesignal zurück zur IDU
für eine
Analyse zu senden. Somit ist die Vorwärtsleistungstelemetrie und
der komplexe Schnittstellenschaltungsaufbau, der im Allgemeinen
in der ODU des Stands der Technik erforderlich ist, bei der ODU
der vorliegenden Erfindung nicht notwendig. Dabei wird der Aufwand
an Kabel zwischen der IDU und der ODU reduziert und in vielen Fällen ist
ein einziges Kabel in der Lage, alle Signalübertragungen zu handhaben.
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Die
IDU 302 weist ein Modem 310 auf, um die ZF-Signale
zu empfangen und an die ODU 304 zu senden, und eine Gleichstromleistungszuführung 312,
um eine Gleichstromleistung an die ODU 304 zu senden. Ähnlich dem
Modem 210 weist das Modem 310 einen Demodulator 314,
einen Modulator 316, eine automatische Verstärkungssteuerung 318 und einen
automatische Pegelwertsteuerung 320 auf. Die Elemente 314 bis 320 führen im
Wesentlichen die gleichen Funktionen aus und können die gleichen oder entsprechende
Komponenten wie die Elemente 214–220 des bekannten
Modems 210 aufweisen. Somit sind diese Elemente und ihre
Funktionen in der Branche hinreichend bekannt, und daher werden
sie hierin weder ausführlich
beschrieben noch werden ihre Funktionen wiederholt angeführt.
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Gemäß den verschiedenen
Aspekten der vorliegenden Erfindung weist die IDU 302 einen Stromsensor 332 (z.
B. ein Amperemeter) auf. Die physischen und funktionalen Eigenschaften
des Stromsensors 332 sind in der Branche hinreichend bekannt
und werden hierin nicht ausführlich
erörtert. Der
Stromsensor oder Amperemeter 332 misst den Gleichstrom,
der beispielsweise durch die zwei Anschlüsse des Geräts von der Gleichstromleistungszuführung 312 fließt.
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Die
IDU 302 weist vorzugsweise eine Verarbeitungs- und Speichereinrichtung
zum Verarbeiten von, unter anderem, den Gleichstrommessungen und
zum Speichern der Messungen für
eine anschließende
Verwendung auf. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird,
nutzt die vorliegende Erfindung ältere
und gegenwärtige
Gleichstrommessungen, um einen aktuellen Inflexionspunkt des in
der ODU 304 befindlichen Leistungsverstärkers zu bestimmen.
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Wie
zuvor erörtert
wurde, ist es wünschenswert,
den Betrag der HF-Leistung in ein Verstärkungsgerät, wie z. B. in einen Leistungsverstärker 326,
zu erfassen und zu begrenzen, um den Leistungsverstärker in
einem näherungsweise
linearen Betrieb zu halten, um dadurch die Effekte der Signalinterferenz
des benachbarten Kanals zu reduzieren. Der P1db-Punkt, oder an dem
Punkt, wo das Eingangssignal um einen Betrag verstärkt wird,
der um näherungsweise
1 db geringer ist als der lineare Gewinn- bzw. Steigerungsspegelwert,
stellt eine angemessene Begrenzung dar, die dem Leistungssteuerungssystem
auferlegt wird. In anderen Worten wird durch ein Steuern des Verstärkers derart,
dass dem System eine Beschränkung
auferlegt wird, dass es nicht höher
als der P1db-Punkt senden darf, das Risiko der Entstehung von Signalharmonien
sowie das Risiko einer Signalinterferenz des benachbarten Kanals
minimiert.
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Es
wird nun auf 4 Bezug genommen, wo eine graphische
Darstellung des Leistungskompressionspunkts oder des P1db-Punkts
gemäß einem Leistungssteuerungssystem
der vorliegenden Erfindung dargestellt ist. Die Kurven 402 und 404 stellen jeweils
die Ausgangsleistung in Dezibel in Bezug auf 1 Milliwatt (dbm) und
die Veränderung
des Gleichstroms eines im AB-Betrieb arbeitenden, vorgespannten
Leistungsver stärkungsgeräts zur Verwendung
in einer ODU der vorliegenden Erfindung dar. Wie in der Elektroindustrie
hinreichend bekannt ist, werden Leistungsverstärker basierend auf dem Stromleitungswinkel
klassifiziert. Die Vorspannung im AB-Betrieb wird hierin bei einem
bevorzugten Leistungsverstärkungsgerät beschrieben,
jedoch sind andere Klassen gleichermaßen geeignet.
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Die
Ausgangsleistungskurve 403 veranschaulicht, dass die Eingangsleistung
in das Gerät erhöht wird,
wobei die Ausgangsleistung linear ansteigt, bis ein Kompressionspunkt
erreicht ist (z. B. bei einer Eingangsleistung von näherungsweise 18dbm
in 4). Eine rasche Verringerung des Gewinns bzw.
der Verstärkung
des Geräts,
der bzw. die allgemein das Verhältnis
der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung definiert wird, findet
nach dem Kompressionspunkt statt. Außerdem verhält sich das Gerät nicht
mehr linear zu einem Anstieg der Leistung, die nach dem Kompressionspunkt
eingegeben wird.
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Die
Stromkurve 404 ist ein Beispiel, das den Prozentsatz der
Veränderung
des Gleichstroms von dem Nullpunkt bzw. Ausgangspunkt verändert. Die Veränderung
des Gleichstroms wird durch den Betrag der Spitzenbegrenzung bzw.
des „Clipping" der HF-Stromwellenform
am Leistungsverstärker-FET-Drain
(oder am Kollektor eines entsprechenden bipolaren Leistungsverstärkers) bewirkt
oder ist direkt auf diesen bezogen. Bei einer Anwendung unter Verwendung
eines im AB-Betrieb arbeitenden, vorgespannten Leistungsverstärkers wird
die Stromwellenform am Drain des FET-basierten Verstärkers asymmetrisch
an der unteren Seite der Wellenform begrenzt bzw. „geclippt". Dadurch wird eine
rein positive Verschiebung im RMS-Strom verursacht, die zu einer
rein positiven Verschiebung im Vorspannungs-Gleichstrom des Geräts führt. Die
Stromkurve steigt monoton an, während
die Eingangsleistung ansteigt, bis eine maximale Stromfähigkeit
des Geräts erreicht
wird (z. B. bei einer Eingangsleistung von näherungsweise 18 dbm in 4).
Nach dem maximalen Strompunkt stabilisiert sich der Prozentsatz
der Stromveränderung
und die Stromkurve verhält
sich nicht mehr linear.
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Die
allgemeine Form der Kurve 404 in dem linearen Bereich des
Verstärkers
ist konsistent, doch die Kurve kann sich im Sättigungsbereich anders verhalten.
Auf der Abbildung nimmt die Kurve 404 beispielsweise am
Inflexionspunkt ab und beginnt dann erneut anzusteigen; aber bei
unterschiedlichen Betriebstemperaturen kann die Kurve nach dem Inflexionspunkt
flach abfallen oder kann weiterhin ansteigen, jedoch mit einer erheblich
reduzierten Neigung.
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Es
ist im Allgemeinen bekannt, dass die Ausgangsleistung eines Verstärkungsgeräts (d. h.
der Gewinn bzw. die Verstärkung)
durch Temperaturschwankungen beeinträchtigt werden kann, und insbesondere
bewegt sich der P1db-Punkt auf der Ausgangsleistungskurve typischerweise
während
des Auftretens der Temperaturschwankungen. Wie zuvor erwähnt, bestimmt
die vorliegende Erfindung den P1db-Puntk, indem die Beziehung zwischen
dem P1db-Punkt und der Biegung in der Gleichstromkurve ausgenutzt
wird. Weil die Stromkurve eigentlich die Spitzenbegrenzung bzw.
das „Clipping" der Verstärkung bzw.
des Gewinns des Verstärkers
misst, bewegt sich der Inflexionspunkt mit dem P1db-Punkt. Daher
erweist es sich sogar unter extremen Temperaturschwankungen als
ein exaktes und zuverlässiges
Prognoseverfahren, sich auf den P1db-Punkt als den Inflexionspunkt
der Gleichstromkurve zu verlassen.
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Unter
Fortsetzung der Bezugnahme auf 4 ist der
Inflexionspunkt der Stromkurve 404 dort, wo die Wölbung der
Kurve sich von der Aufwärts-
in die Abwärtsrichtung
verändert.
Ein Bestimmen des Inflexionspunkts der Gleichstromkurve kann durch
ein beliebiges geeignetes Verfahren, eine Technik, eine mathematische
Berechnung, Gleichung, Software, Algorithmus, graphische Darstellung
oder dergleichen ausgeführt
werden. Desgleichen gehört
zum Extrapolieren des Inflexionspunkts in der Gleichstromkurve ein
Vergleichen der Neigung der Funktionskurve, ist aber nicht auf diesen
Schritt beschränkt.
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Bei
einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet
die IDU einen geeigneten Algorithmus, der auf einer Verarbeitungs-
und Speichereinrichtung gespeichert ist. Der Algorithmus kann beispielsweise entsprechende
Anweisungen und/oder ein Program mieren zum Extrapolieren des Inflexionspunkts
in der Gleichstromkurve (wie hierin beispielsweise ausführlich angeführt ist),
und ein Steuern des Pegelwerts der Eingangsleistung in die ODU umfassen.
Ein beispielhafter Algorithmus kann beispielsweise die Speicherung
von einer Mehrzahl von Stromwerten bewirken, die von einem Stromsensor
empfangen werden; bestimmen, ob der Inflexionspunkt erreicht worden ist,
einen Anstieg der Eingangsleistung in die ODU bewirken, wenn der
Inflexionspunkt nicht erreicht worden ist; und Bewirken, dass das
Leistungssteuerungssystem ein alternierendes Verfahren verwendet,
um die Signalübertragung
an den Satelliten zu verstärken,
wenn der Inflexionspunkt erreicht worden ist.
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5 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte eines beispielhaften Algorithmus
darstellt, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,
um den P1db-Kompressionspunkt
zu bestimmen. Ein beliebiger Algorithmus, der auf einer Verarbeitungsvorrichtung
gespeichert ist, kann in der IDU verwendet werden, um die Leistungszuführung in
den Verstärker
(z. B. in die ODU) zu steuern; somit sollen 5 und die
nachstehende Beschreibung keine Einschränkung, sondern vielmehr ein
Beispiel für
ein in Betracht gezogenes Verfahren darstellen. Wie zuvor ausführlich angeführt, ist
es wünschenswert,
die Ausgangsleistung einer Verstärkungsvorrichtung
auf den P1db-Kompressionspunkt
zu beschränken,
um eine Interferenz im benachbarten Kanal zu minimieren. Indem die
Gleichstromänderung
des Verstärkers gemessen
wird, kann P1db bestimmt werden, und die HF-Signalleistung in den
Verstärker
kann dementsprechend gesteuert werden.
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5 wird
treffend zur Verwendung in einem Satellitenkommunikationssystem
mit einer Bodenstation zum Senden und Empfangen von Signalen zwischen
der Station selbst und einem Satelliten beschrieben; es sollte jedoch
beachtet werden, dass die Anwendung nicht derart beschränkt ist.
Die IDU beinhaltet vorzugsweise eine Verarbeitungseinrichtung und
eine Datenbank zur Verwendung beim Steuern der Signalzuführung zur
ODU. Anfänglich
stellt die IDU der ODU ZF- und Gleichstromsignale bereit, um ein
niedriges HF-Signal zu erzeugen (Schritt 502). Die IDU
wird dann angewiesen, die Signalzuführung an die ODU zu erhöhen, um
ein höheres
Ausgangs-HF-Signal zu erzeugen (Schritt 504). Bei einer speziellen
Ausführungsform
kann der Anstieg in einem sich anschließenden Schritt erfolgen, z.
B. Schritten von 1db. Ein Stromsensor, z. B. ein Stromsensor 332 von 3,
der innerhalb der IDU angeordnet ist, erfasst den Gleichstrom, der
der ODU zugeführt
wird (Schritt 506). Unter Verwendung von zwei oder mehr
Stromerfassungsmessungen kann eine entsprechende Stromkurve aufgetragen
werden, und die Neigung der Kurve kann bestimmt werden (Schritt 508).
Das Bestimmen der Neigung einer Kurve kann durch eine geeignete
Formel, Gleichung, Ableitung oder dergleichen, die allesamt weithin
bekannt sind und an dieser Stelle nicht ausführlich erörtert werden, gleichermaßen ausgeführt werden.
Wie zuvor erwähnt,
kann die Neigung der Stromkurve dann in einer geeigneten Datenbank
für einen
anschließenden
Abruf gespeichert werden (Schritt 510). Der vorhergehende
Verfahrensschritt (Schritte 504–510) wird dann nach
Bedarf wiederholt, um zum Vergleich zwei Neigungswerte zu erzeugen
(Schritt 512). Es erfolgt eine Abfrage, um zu bestimmen,
ob der letzte Neigungswert größer ist
als der zu diesem Zeitpunkt zuallerletzt gespeicherte Neigungswert (Schritt 514).
Wenn der letzte Wert größer ist
als der gespeicherte Wert, dann wird die IDU angewiesen, die Signalleistung
an die ODU zu erhöhen
(Schritt 504), was in der Abgabe eines höheren HF-Signals resultiert.
Wenn die Abfrage bestimmt, dass der letzte Wert nicht größer ist
als der gespeicherte Wert, dann hat die Neigung der Stromkurve aufgehört anzusteigen,
und die HF-Signalleistung wird nicht gesteigert, da der P1db-Kompressionspunkt
erreicht worden ist (Schritt 516).
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Das
folgende, einschränkungslose
Beispiel ist vorgesehen, um das Verständnis der vorhergehenden Beschreibung
von 5 zu erleichtern. Bei einem gegebenem HF-Signalwertpegel A
kann der erfasste Strom z. B. A' sein.
Der Prozentsatz der Veränderung
des Stroms von null (oder Bezugnahme) auf A' kann als A'' bestimmt
werden und auf eine theoretische Kurve aufgetragen werden, wie z.
B. die Kurve 404. Bei einem nächsten HF-Signalwertpegel B
kann der erfasste Strom B' sein
und der Prozentsatz der Veränderung
von null auf B' kann
bestimmt werden und als B'' aufgetragen werden.
Die Neigung der Kurve zwischen den Punkten A'' und
B'' kann dann ermittelt
und als Neigungswert (AB)'' gespeichert werden.
Bei einem gegebenen HF-Signalwertpegel C kann der erfasste Strom
C' sein, und der
Prozentsatz der Veränderung
von null auf C' stellt
sich als C'' heraus. Die Neigung
der Kurve zwischen den Punkten B'' und C'' kann als Neigungswert (BC)'' bestimmt werden. Der Wert der Neigung
(AB)'' kann dann mit dem
Wert der Neigung (BC)'' verglichen werden,
um zu bestimmen, ob (BC)'' größer ist
als der gespeicherte Wert (AB)''. Wenn (BC)'' größer ist als
(AB)'', dann steigt die
Stromkurve (d. h. der Prozentsatz der Stromveränderung) an, und der HF-Pegel
kann weiter erhöht
werden. Wenn jedoch (BC)'' nicht größer ist
als (AB)'', dann steigt die
Stromkurve nicht an und der Inflexionspunkt der Kurve ist erreicht worden.
Wie zuvor erwähnt,
handelt es sich bei dem Inflexionspunkt der Stromkurve um eine exakte
und verlässliche
Messung des P1db-Kompressionspunkts. An diesem Punkt wird der gewünschte maximale
Pegel der HF-Signalleistung erreicht (um eine Kompression zu verhindern),
und die IDU kann die ODU nicht mit erhöhten Signalen versorgen, um
ein stärkeres
HF-Signal zu erzeugen.
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In
dem Fall, dass der P1db-Kompressionspunkt erreicht worden ist, hört die IDU
auf, die Signalstärke
für die
ODU zu erhöhen.
Wenn jedoch der Satellit an die Bodenstation sendet, dass das empfangene
HF-Signal zu schwach ist und ein stärkeres Signal benötigt wird,
dann kann die IDU sich dazu entscheiden, die Bitrate der Daten,
die an den Satelliten übertragen
wird, zu reduzieren (durch Verwendung einer Fehlerkorrekturcodierung,
reduzierten Bandbreitenübertragung
oder ein anderes geeignetes Mittel). Wie zuvor erwähnt wurde
kann ein geeigneter Algorithmus verwendet werden, um zu bestimmen,
ob der P1db-Punkt erreicht worden ist, und um die IDU anzuweisen,
ein alternatives Verfahren zu verwenden. um die Signalübertragung
an den Satelliten zu verstärken.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die speziellen Implementierungen,
die hierin gezeigt und beschrieben sind, verschiedene Ausführungsformen der
Erfindung einschließlich
deren beste Art und Weise der Ausführung darstellen und den Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. Obgleich die Beschreibung
in geeigneter Weise in Zusammenhang mit einem Satellitenkommunikationssystem
erfolgt, könne
verschiedene andere Anwendungen ebenso davon profitieren. Im Allgemeinen
können
verschiedene andere Systeme, bei denen eine Leistungserfas sung und -steuerung
erforderlich ist, für
die vorliegende Erfindung sehr gut geeignet sein, beispielsweise
Mikrowellenkommunikationssysteme wie eine zelluläre Basisstation.
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Daneben
können
herkömmliche
Verfahren zur Signalverarbeitung, Datenübertragung, für einen Signalbetrieb
und eine Netzwerksteuerung und andere funktionale Aspekte der Systeme
(und Komponenten der individuellen Betriebskomponenten der Systeme)
hierin nicht ausführlich
beschrieben werden, um die Beschreibung kurz zu halten. Ferner sollen
die Verbindungslinien, die in den verschiedenen, hierin enthaltenen
Figuren gezeigt sind, exemplarische funktionale Beziehungen und/oder
physikalische Verbindungen zwischen den verschiedenen Elementen
darstellen. Es ist zu beachten, dass viele alternative und zusätzliche
funktionelle Beziehungen oder physikalische Verbindungen in einem
praktischen Kommunikationssystem vorhanden sein können.
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Die
vorliegende Erfindung ist vorstehend unter Bezugnahme auf beispielhafte
Ausführungsformen
beschrieben worden. Fachleuten, die die Offenbarung gelesen haben,
wird klar, dass Veränderungen
und Modifizierungen an den Ausführungsformen vorgenommen
werden können,
ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese
und andere Veränderungen
oder Modifizierungen sollen im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beinhaltet
sein, der in den nachstehenden Ansprüchen ausgedrückt werden
soll.