CN101908895A - 接收机和接收信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及接收机和接收信号的方法。一种接收机包括：相互之间固定并被定位在可移动载体上的多个天线，每一个天线适合于接收信号和输出与接收的信号相应的信号；用来根据所述接收的信号产生总和信号的第一装置；用来根据所述接收的信号产生一个或多个差值信号的第二装置；用来根据所述总和信号获取定时信息的第三装置；以及用来接收所述总和信号、差值信号以及定时信息并输出与天线的方向和信号接收的方向之间的角度有关的信息的第四装置。

Description

接收机和接收信号的方法
技术领域
本发明涉及一种接收机和使用多个天线接收信号的方法，其中信息被从总和信号中获得，并且被用来从差值信号获取信息以估计天线的视轴和信号源之间的角度。
背景技术
在移动的诸如轮船、航天飞机、汽车或火车的交通工具上，在卫星和机载的卫星调制器之间的数据通信依靠的是让天线一直指向卫星的能力。特别地，在接收的信号有低的信噪比的情况下(在卫星覆盖的边缘)，指向的精确性就非常重要。
发明内容
在第一方面，本发明涉及一种接收机，包括：
-相互之间固定并被定位在可移动的载体上的多个天线，每一个天线被用来接收信号和输出与接收的信号相应的信号，
-用来根据所述接收的信号产生总和信号的第一装置，
-用来根据所述接收的信号产生一个或多个差值信号的第二装置，
-用来根据所述总和信号获得定时信息的第三装置，
-用来接收所述总和信号、差值信号和定时信息并输出与天线的方向和信号接收的方向之间的角度有关的信息的第四装置。
在本文中，天线是被用来接收电磁辐射和输出相应信号的元件。相应的信号与接收的信号在幅度、相位和/或频率上相对应。优选地，电磁辐射为无线电波、超声波辐射等，诸如频率在0.1到100GHz，诸如0.5-50GHz、1-5GHz、1-2GHz。天线的优选类型为被用来接收从卫星输出的信号，因而有高度的方向敏感性，典型地使用阵列天线、微带天线和/或用于接收和收集信号的抛物面天线。
在本文中，应当知道，信号天线可以由任意数量的可以被定位在不同的物理位置的天线/传感器构成。因而，如果使用2×2天线/传感器阵列，当确定沿着行的方向的角度时，每一列的两个天线传感器的输出可以被组合(等效于每一列为一个天线)，而为了确定沿着列的角度，各行的两个天线/传感器可以被组合(等效于每一行为一个天线)。于是，每一个单个天线/传感器的输出可以用在超过一个总体天线中。
天线被固定住以便可以通过移动/转动载体而被一起移动/转动。当然，天线可以从载体上分开或移除，可以使用任何合适的方式来实现固定，诸如螺钉固定、焊接、软焊、钳位或者类似的方式。优选地，天线具有方向敏感性，当被固定时至少指向大致相同的方向。
总和信号的产生可以是当被接收时相同类型(例如，电磁辐射)信号的组合，或诸如电子信号的相应信号的组合。为了具有产生不同信号的辐射的部分，电磁辐射的组合可以是接收辐射的部分(例如，一半)的组合，总和信号可以是两个或更多接收(部分)信号的简单叠加或一起发射。
将接收的信号转换为电子信号为产生总和信号开拓了广阔的技术，诸如信号的简单叠加或相加，将各个信号馈送入DSP并执行数学求和。
单个总和信号可能是足够的，但是如果发现有需要，多个总和信号可以被使用，其中每一个总和信号是基于来自不同群组天线的信号。
差值信号的产生通常是基于成对的天线(每一个可以由一个或多个单独的天线/传感器构成)被执行的，因此差值信号涉及从两个天线获得的信号之间的差值。在这种方式下，差值信号包含关于通过天线的线(或两群组天线/传感器的每一个的中心，每一个群组构成一个单独的天线)和朝向信号源/起源的方向之间的角度的信息。
此外，差值信号可以通过许多方式获得，基于接收的信号或者与之对应的信号。
因为差值信号通常比总和信号弱很多，本发明涉及从总和信号中获得定时信息和使用该信息来从差值信号中获取信息。在一个实施例中，想要确定差值信号的信号强度，因此为了在正确的时间点确定信号，需要确定其频率和/或相位，其中在时间点信号或信号比特发生。当信号非常弱时，确定它的相位/频率将很困难，但是因为这些参数在总和信号和差值信号中是相关的，它们可以从总和信号中获取和作为定时信息使用。
两个或更多的差值信号可以被相互独立地处理。
通常，定时信息可以描述或定义与总和信号相关的相对的或绝对的时间点，该时间点可以被用来从差值信号中获取信息和/或变更差值信号，参见下文。频率可以作为许多(等距的)相对的时间点被确定或被定义，相位作为一个或多个绝对的时间点被确定或被定义。
当然，信号接收或发射的方向是信号接收的方向，诸如向着或来自诸如卫星/发射机的信号源的方向。
如上所述，总和信号和差值信号的产生以及定时信息和角度信息的产生可以在诸如处理器、信号处理器、波导、微带或类似的独立元件中被确定或产生，或可以在一个或多个通用处理器、计算机和/或FPGA中被确定，诸如单独的DSP。这是仅仅是一种设计选择。
如上所述，可以使用任意数量的天线。优选地，使用超过两个天线，它们不会被定位在一条直线上。当两对天线(其中一个天线可以构成超过一对的部分)定义了与信号源一起的非并行平面图，天线和载体可以被移动以便直接指向信号源。
在一个实施例中，第三装置被用来获得信号的载波频率作为定时信息的至少一部分。该频率将也确定差值信号的频率和因而被用来从差值信号获取信息。
在那个或另一个实施例中，第三装置被用来获取相位信息作为定时信息的至少一部分。
在第三实施例中，第三装置被用来获取预定的信号符号作为定时信息的至少一部分。通常地，接收的信号将包括载波频率以及编码在该载波频率中或以该频率调制的其他信息。这样的信息可以被用来例如检验或验证信号来自正确的源或具备正确的内容(正确的/期望的编码或类似的内容)。
在优选的实施例中，第四装置被用来根据定时信息调整差值信号。在该方式中，在任伺信息被从中获取之前，差值信号可以被提供想要的特性。
优选地，第四装置也可以被用来根据定时信息调整总和信号。当信息也从总和信号中获取和被用在角度信息的确定中时，这特别地相关。这种调整可以是信号的滤波以减少噪声。在一种情况下，信号首先被转换为给定的频率，例如，随后带滤波被用来将噪声从想要的频带中移除。
在一种情况下，第四装置被用来输出与总和信号的信号电平/振幅以及根据定时信息变更的差值信号的信号电平/振幅有关的信息。
在优选实施例中，接收机具有用来执行以下操作的装置：确定接收的信号是否从预定的信号源输出；如果是，则使第四装置输出角度信息；如果不是，则不输出角度信息或输出诸如使得天线从另一个源接收信号的其他信息。这将在下文详细地描述。
优选地，角度信息被用来使得天线指向信号源。在这样的情况下，接收机可以进一步包括用来移动可移动载体的装置，该移动装置响应于所述与角度有关的信息。
此外，当然地，实际接收的信号可以被检测并用于任何想要的目的，当接收机进一步包括用来输出与总和信号有关的信息时，该目的是可能的。
本发明的一个有用的实施例涉及包括以上提及的接收机和发射机的收发机，发射机用于将要被发射的信号馈送到用于产生总和信号的装置中。因此，总和信号产生装置可以被用来相反地将要被发射的信号分割成许多至少基本上相同的信号并将这些信号馈送到天线以发射。
另一个有用的实施例为如上述的接收机那样适合于接收来自信号提供者的信号的接收机，该接收机包括：
-用来跟踪朝向接收的信号的源的角度或相对于该源的位置的装置，和
-用来确定信号是否由预定的信号源输出，如果不是，则控制接收装置以接收另一个信号。
可以按许多方式根据信号(例如根据信号中的内容)确定信号是否来自预定信号源。源可以提供识别源的标识信息来作为信号的一部分，或者信号可以包含可以用来识别源的编码、符号、载波等。
跟踪可以是断续的或连续的，和可以被用来例如保持接收装置的一个或多个天线朝向信号源的方向。如果另一个信号将被接收，为了接收另一个信号，典型地来自另一个信号源，天线的方向可以被改变。
此外，跟踪可以被用来确定接收装置的位置。因此，对错误信号源的跟踪会获得接收装置的错误位置。
本发明的第二方面涉及一种接收信号的方法，该方法包括以下步骤：
-相互之间固定并被固定在可移动的载体上的多个天线中的每一个接收信号并输出与接收的信号对应的信号，
-根据接收的信号产生总和信号，
-根据接收的信号产生一个或多个差值信号，
-根据所述总和信号获取定时信息，
-基于所述总和信号、差值信号和定时信息，输出与天线的方向和信号接收的方向之间的角度有关的信息。
如上所述，存在产生总和信号和差值信号的许多方式，不同类型的装置可以被使用，从基于多个处理器的波导到单个数字信号处理器(DSP)。
可以使用任意数量的天线，每一个天线可以由任意数量的天线/传感器构成。优选地使用多于两个的天线，和他们不位于直线上。事实上，优选一对天线定义平面(穿过天线和信号源)垂直于另一对天线的平面。因此，差值信号可以从每一对这样的天线中获得。
在一个实施例中，获取步骤包括获取信号的载波频率作为定时信息的至少一部分。
在另一个实施例中，获取步骤包括获取相位信息作为定时信息的至少一部分。
在第三实施例中，获取步骤包括获取信号的预定符号作为定时信息的至少一部分。
优选地，输出步骤包括根据定时信息调整差值信号，甚至更优选地，输出步骤还包括根据定时信息调整总和信号。
在优选的实施例中，输出步骤包括输出与总和信号的信号电平/幅度和根据定时信息改变的差值信号的信号电平/幅度有关的信息。
当然，该方法可以进一步包括移动可移动载体的步骤，该移动装置响应于所述与角度有关的信息。
此外，该方法可以进一步包括输出与总和信号有关的信息的步骤。
在优选实施例中，该方法包括：例如根据总和信号，确定接收的信号是否从预定的信号源输出；如果是，则允许角度信息的输出；如果不是，则阻止角度信息的输出和/或方便诸如使得从另一个信号源接收信号的信息的其他信息的输出。这将在下文详细描述。
最后，该方法可以进一步包括将要被发射的信号馈送到用于产生总和信号的装置中以便从天线发射该信号的步骤。
本发明的一个有用的实施例涉及一种从信号提供者接收信号的方法，该方法包括：
-跟踪朝向接收的信号的源的角度或相对于该源的位置，
-确定信号是否已由预定的信号源输出，如果不是，则控制接收装置以接收另一个信号。
附图说明
在下文，本发明的优选实施例将参考附图被描述，其中：
-图1示出了具有基于总和和差值RF信道的双解调器的跟踪接收机；
-图2示出了具有基于A和B RF信道的双解调器的跟踪接收机；
-图3示出了使用提出的跟踪接收机的伺服环路；以及
-图4示出了用于确定角度误差的处理的优选实施例。
具体实施方式
图1示出了接收机10的主要组件，其中两个天线12和14被固定在可移动的公共固定设备(参考图3)上。
来自天线12和14的输出被发射到被用来从输出产生总和信号和差值信号的混合元件16，其中信号被发送到各自的滤波器22和24以及放大器32和34。滤波器22为被用来发射整个(34MHz宽)国际海事卫星组织(Inmarsat)频率范围的宽带双工滤波器。滤波器24对应于滤波器22但是不必是双工滤波器。
解调器26使用总和信号来执行载波频率和载波相位的估算和跟踪。从这些估算值，总和信道可以被解调和在数据传送中的作为导频符号、UW等的已知符号可以被验证。
实际上，在图1中RF前端的设计类似于众所周知的雷达单脉冲跟踪原理。然而，在卫星接收机中，来自卫星的接收信号事先并不知道。接收信号是来自卫星的被调制的和承载未知数据的数据信道。对于调制的类型没有限制，其可以是诸如QPSK QAM、CW、TDMA、DCMA等。当然，信号或数据当来自卫星时可以是连续的，或当被发送到卫星时，可以是突发的。
随后，使用信号产生器46和两个乘法器42和44在频率上调低到更低频率，在第二次滤波后，在滤波器52/54上选择窄频带(诸如100kHz宽)。
总和信号和差值信号都在转换器62和64中被模数转换并被馈送到数字处理器或诸如数字双相干解调器的DSP 66，其被用来确定强的总和信号的幅度和相位并使用该信息来获取差值信号的相位和幅度。
诸如来自总和信道的载波频率、载波相位和符号的估计参数被用来解调差值信道，并且以总和作为参考发现差值信道的幅度和相位。从总和信道和差值信道之间的幅度和相位的差值，能够获得对于接收信号的给定的信噪比的指向误差的最优测量。
更具体地，DSP 66的操作被示出在示出了被执行的主要处理的图4中。
在该处理器DSP的第一级(Ⅰ)中，频率被从总和信号中获得，并且被确定的频率分别与总和信号和差值信号混频，将这些信号向下转换到基带。更特别地，混频元件72和74接收来自估算器76的频率并将其添加到输入信号以便执行下变频。因此，两个信号已经被转换到相同的频率上。
在第二级(Ⅱ)，定时估算器86被用来估算信号的单个符号的定时，并控制滤波器82/84以便获取输入信号的正确定时。
第三级(Ⅲ)包括相位估算器96估算总和信号的剩余相位偏移量和转发该信息到混频元件94和92来消除该偏移量和将两个信号带到相同的相位。
在第四级(Ⅳ)，依赖于在星座图中他们的位置和专用的调制类型，信号被旋转。QPSK调制信号被划分为四个区域(等于旋转45°、135°、-45°或-135°)，而16-QAM调制信号具有12个区域。另外，幅度调制信号(例如QAM调制信号)应当同样地被电平补偿。在单个点的实际值均值被确定以确定平均符号电平之前，功率计算器102/104执行该旋转和电平补偿。此外，在坐标系统的实轴上差值信号的点或位置的正负号确定之后确定的误差角度的正负号或方向。这在功率计算器102中被确定。
另外，帧验证器106接收带有被确定的符号的总和信号以验证检测到的信号是否是期望的。
将差值信号的平均符号电平除以总和信号的平均符号电平(并乘以合适的常数)现在直接确定由天线感测的信号发射方向和天线方向之间的误差角度，并且当该角度的正负号或方向也已知(其在由两个天线的中心定义的平面内)时，该方法的输出可以被用来操作驱动单元以重定向天线，以便直接指向信号源，如图3所示。该计算在元件108中被执行。
最后，元件110使用来自帧验证器106的信息确认从108接收的误差角度。因此，如果接收的信号不是正确的那个，角度校正不正确，并且天线不需要被相应的旋转。在那种情况下，天线可以被旋转以识别来自另一个源的信号，并且如果这个是正确的源，为了与该源保持通信，天线随后可以跟踪它。
另外地，现在回到图1，当调制解调器26也具有发射部分时，接收机可以是收发机。要被发送的数据被响后”馈送到双工滤波器22或与rx/tx开关结合的滤波器22上，从而通过混合结点16并被相等地划分到天线12和14上，和在天线的视轴上输出。在某些系统中，接收和发射信号在时间上是相互独立的，和在另一些系统中，信号具有不同的频率。
当然，在放大器32之后，接收机不需要接收总和信号，但是可以从或者在帧验证器106中直接获得。Rx信号的解调通常是相同的，且信号处理设备的复制并没有益处。
因此，通常被用于获取Rx信号的相同的处理设备也可以用于本发明的，其适应于将执行总和信号的相应的适用也可以用于执行差值信号，并且也可以从中获取角度。
这种新的跟踪接收机设计的结果是：
1.只要卫星信号能够用于调制解调器，跟踪接收机就能测量指向误差以及天线能够被指向如图3中所示的使用伺服环路的卫星。比较于没有使用相干振幅测量的系统，这种方法给出了相同的精确度，Δθ在大约5dB的更低的信噪比。
2.跟踪接收机仅跟踪想要的信号。它不会跟踪具有不同帧结构等的其它卫星的信号。它也不会跟踪对于使用功率检测器来测量指向误差的现有系统是一个问题的微波噪声源。
代替使用总和和差值信道，跟踪接收机也可以使用如图2中所示的A(左)和B(右)信道来被执行。在双解调器之前，总和和差值信道在数字域中被计算。该方法需要两个双工滤波器122、124，而图1中的总和和差值方法仅需要一个单独的双工滤波器。
更具体地，图3中的接收机110也具有两个天线112和114，其也被相互之间位置固定并被固定在可移动载体上。天线112和114的输出可以被各自的滤波器122和124滤波。
在图2所示的方法中，Tx天线波束的指向依靠在两个双工滤波器的Tx部分的相位差值和Rx天线波束的指向依靠在两个双工滤波器的Rx部分的相位差值。为了使系统的Tx和Rx天线波束指向相同的方向，因而需要测量和使得双工滤波器成对以便在Rx和Tx端口上基于频率和温度来接近地匹配传输特性。因而，在这方面，在图1中的方法比图2中的方案执行的更好和更便宜。
使用总和和差值RF信道代替A和B RF信道使得跟踪接收机更不敏感于两个RF信道之间的幅度和相位差值。
在图2中，从天线112/114接收的信号在双工滤波器122/124中被滤波，在放大器132/134中被放大，使用乘法器142/144和信号产生器146来调低档，随后由滤波器152/154滤波和最后被转换器162/164转换为数字信号。因而，信号处理与图1中的总和和差值信号的处理非常相近。
在图2中，在放大器132/134在加法器136中求和该信号后，接收信号被获得。同样地通过使用功率分割器126和将分割后的信号转发到滤波器122/124，发射能够被实现。
DSP 166的操作与以上在与图4有关的深入描述的DSP 66的操作的相近，区别在于DSP 166开始于利用两个接收的信号产生总和和差值信号。随后的信号处理相同。
在以上实施例中，仅有两个天线12/14/112/114被阐述。这给出了一个总和信号和单个差值信号。在该信息的基础上，在由天线的对称轴所定义的平面中的角度误差可以被确定。在该平面之外的信号源(典型地，卫星)的任何移动不会被考虑。
为了获得用于确定也在该平面之外的角度误差的接收机，以便能够跟踪天线相对于源的任何移动，三个或更多的天线可被使用。在这种情况下，单个总和信号但是许多差值信号可被获取。每一个差值信号涉及两个天线(或天线/传感器群组)的信号和从而涉及由这两个天线的轴所定义的误差角度。因而，如果两对天线的平面(如可以使用没有定位在一条直线上的三个天线而获得的)相交，则朝向信号源的任何角度都可以被确定。
在图3中，天线12/112和14/114由伺服发动机210被固定在可旋转的载体(未示出)上。如图1或2所示，天线的输出被接收机10/110接收，关于信号发射的方向与天线的大概方向之间的角度的输出被产生。该信号被馈送到发动机控制器220，其用来操作发动机以使该角度减小或优选地被消除。
因此，指向误差测量原理适用于如图3所示的伺服环路中以制作完全跟踪天线。

Claims (15)

1.一种接收机，包括：
-相互之间固定并被定位在可移动载体上的多个天线，每一个天线适合于接收信号和输出与接收的信号相应的信号，
-用来根据所述接收的信号产生总和信号的第一装置，
-用来根据所述接收的信号产生一个或多个差值信号的第二装置，
-用来根据所述总和信号获取定时信息的第三装置，
-用来接收所述总和信号、差值信号以及定时信息并输出与天线的方向和信号接收的方向之间的角度有关的信息的第四装置。
2.如权利要求1所述的接收机，其中所述第三装置适合于获取所述信号的载波频率作为所述定时信息的至少一部分。
3.如权利要求1或2所述的接收机，其中所述第三装置适合于获取相位信息作为所述定时信息的至少一部分。
4.如以上任一权利要求所述的接收机，其中所述第四装置适合于输出与所述总和信号的信号电平/幅度和根据所述定时信息变更的所述差值信号的信号电平/幅度有关的信息。
5.如以上任一权利要求所述的接收机，进一步包括用于移动所述可移动载体的装置，所述移动装置响应所述与角度有关的信息。
6.如以上任一权利要求所述的接收机，所述接收机包括：
-用于跟踪朝向接收的信号的源的角度或相对于该源的位置的装置，
-用于确定所述信号是否已由预定的信号源输出，如果不是，则控制接收装置以接收另一个信号的装置。
7.一种收发机，包括如以上任一权利要求所述的接收机和发射机，所述发射机适合于将要被发射的信号馈送到用于产生所述总和信号的装置中。
8.一种接收信号的方法，所述方法包括以下步骤：
-相互之间固定并被定位在可移动载体上的多个天线中的每一个接收信号并输出与接收的信号对应的信号，
-根据接收的信号产生总和信号，
-根据接收的信号产生一个或多个差值信号，
-根据所述总和信号获取定时信息，
-基于所述总和信号，差值信号和定时信息，输出与天线的方向和信号接收的方向之间的角度有关的信息。
9.如权利要求8所述的方法，其中所述获取步骤包括获取所述信号的载波频率作为所述定时信息的至少一部分。
10.如权利要求8或9所述的方法，其中所述获取步骤包括获取相位信息作为所述定时信息的至少一部分。
11.如权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述输出步骤包括输出与所述总和信号的信号电平/幅度和根据所述定时信息变更的所述差值信号的信号电平/幅度有关的信息。
12.如权利要求8-11中任一项所述的方法，进一步包括移动所述可移动载体的步骤，所述移动装置响应所述与角度有关的信息。
13.如权利要求8-12中任一项所述的方法，进一步包括输出与所述总和信号有关的信息的步骤。
14.如权利要求8-13中任一项所述的方法，进一步包括将要被发射的信号馈送到用于产生所述总和信号的装置以便从天线发射所述信号的步骤。
15.如权利要求8-14中任一项所述的方法，该方法包括：
-跟踪朝向接收的信号的源的角度或相对于该源的位置，
-确定所述信号是否已由预定的信号源输出，如果不是，则控制接收装置以接收另一个信号。
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