CN113676241A - 一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法及系统，系统包括多个单路信号高功率放大单元和多频合路器，单路信号高功率放大单元包括分路器、主功率放大器、备功率放大器和切换器，多频合路器包括多个滤波器和公共节点。方法包括低功率的单路信号通过分路器，将信号分成两路幅度、相位一致的信号；两路信号输入至两台功率放大器，两台功率放大器分别完成对输入信号的功率放大；放大后的信号通过切换器选择其中的主路信号输出，完成单路信号高功率放大后，多频多路信号最后通过多频合路器完成所有信号的功率合成。本发明可靠性高，灵活性好，可操作性强，适用于需要大功率发射的卫星通信测量系统和广域覆盖的地面无线通信系统。

Description

一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星通信信号处理领域，具体的涉及一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法及系统。

背景技术

短报文通信系统是北斗导航系统区别于其它卫星导航系统的特色和亮点，能够为用户提供短报文通信和位置报告服务，参考图4，北斗短报文卫星通信系统主要由空间段、地面控制中心和用户段组成，空间段由包含若干颗卫星的卫星星座组成，这些卫星(出站转发器、入站转发器)转发由地面中心站发出的出站信号和用户机发出的入站信号。地面控制中心完成用户信号收发测量和信息收发处理，并对整个系统的运行进行管理控制。

以出站链路为例，中心站将调制了出站信息的信号经变频、功率放大等系列操作后，生成频率相近的多载波高功率信号，经天线发射至卫星，卫星再通过转发器变换成多个波束广播给用户，其中卫星的不同波束对应不同的覆盖区域。核心难题就是如何实现多载波信号的高功率合成方法，主要表现在：

1)出站信号为连续波信号，功率容量要求高；

2)功率合成效率要求高，损耗小；

3)功率放大在线备份，对于可靠性要求高。

目前北斗二号短报文通信系统有2个频段的出站信号，分别对应2个波束，总功率约为1500W；发展到北斗三号短报文通信系统时，出站信号频段增加至7路，对应7个波束，总功率已达到了约3000W，对于连续波信号，采用单套功放进行功率放大难以实现。考虑到短报文通信系统的进一步发展，系统的出站信号路数及总功率还会进一步提升，需要采用功率合成的方法进行实现。传统的雷达、通信系统中功率合成方法尽管能满足功率容量和合成效率等要求，但可靠性以及时延稳定度指标难以实现；而测量系统中可靠性以及时延稳定度指标能满足要求，但功率容量无法满足需求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法及系统，能够解决北斗短报文系统出站链路高功率信号生成的问题。

根据本发明实施例的一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大系统，包括：

多个单路信号高功率放大单元，所述单路信号高功率放大单元包括分路器、主功率放大器、备功率放大器和切换器，所述分路器的输入端用于输入低功率信号，所述分路器的输出端分别连接至主功率放大器和备功率放大器的输入端，所述主功率放大器和备功率放大器的输出端皆连接至切换器的输入端，所述切换器用于选择其中一路信号进行输出，所述主功率放大器和备功率放大器通信连接以用于实时监测对方的工作状态和主备状态；

多频合路器，所述多频合路器具有多个输入端，分别连接至一个单路信号高功率放大单元的切换器输出端，所述多频合路器用于合成多频多路高功率信号并输出。

根据本发明实施例的一种应用上述系统的北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法，包括以下步骤:

S1、低功率的单路信号通过分路器，将信号分成两路幅度、相位一致的信号；

S2、两路信号分别输入至主功率放大器和备功率放大器，主功率放大器和备功率放大器分别完成对输入信号的功率放大；

S3、两路放大后的信号通过切换器进行主/备路信号的选择，其中一路作为主路信号进行输出，另一路作为备路信号连接至负载，正常状态下主功率放大器设为主状态，此时主功率放大器的信号作为主路信号，当主功率放大器发生故障后备功率放大器切换至主状态，此时备功率放大器的信号作为主路信号；

S4、多个单路信号高功率放大单元输出的主路信号输入至多频合路器进行多频多路高功率信号的合成。

根据本发明实施例的一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法及系统，至少具有如下技术效果：本发明实施方式通过设置主、备两个功率放大器，任意信号均有两台功率放大器进行在线备份，提升了可靠性；任意信号故障不会影响其它路信号的正常工作，灵活性好；通过减小多频合路器的插损即可提高功率合成效率，可操作性强。广泛适用于需要大功率发射的卫星通信测量系统和广域覆盖的地面无线通信系统，尤其适合功率和可靠性要求极高的北斗短报文通信系统，检修期间不用停止系统服务，同时减小了人员值班管理的负担。

根据本发明的一些实施例，所述多频合路器包括多个滤波器和公共节点，所述滤波器的数量不少于单路信号高功率放大单元的数量，每个所述切换器的输出端连接至一个滤波器的输入端，多个所述滤波器的输出端皆连接至公共节点的输入端，所述公共节点的输出端用于输出合成后的多频多路高功率信号。

根据本发明的一些实施例，所述切换器包括主路信号输出端和备路信号输出端，所述主路信号输出端连接至对应的滤波器，所述备路信号输出端用于连接负载。

根据本发明的一些实施例，所述滤波器的功率容量大于主功率放大器和备功率放大器的最大功率。

根据本发明的一些实施例，所述步骤S3中主功率放大器和备功率放大器实时对内部所有状态参数进行自检，判断自身的工作状态，主功率放大器和备功率放大器实时通过心跳线握手的方式监测对方的工作状态和主/备状态，主功率放大器和备功率放大器这两者的主/备状态始终互斥。

根据本发明的一些实施例，所述步骤S4中合成的具体步骤为

S4a、首先通过滤波器对信号进行滤波，抑制带外干扰以及杂波，同时提升各通道的隔离度；

S4b、滤波后的多路信号在公共节点处进行多频多路高功率信号的合成，最后输出。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例中单路信号高功率放大单元的原理框图；

图2为本发明实施例中主功率放大器和备功率放大器的切换原理图；

图3为本发明实施例中北斗短报文系统的多频出站信号功率放大系统的原理框图；

图4为北斗短报文卫星通信系统的原理示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参考图3，.一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大系统，包括N个单路信号高功率放大单元和多频合路器。

参考图1，单路信号高功率放大单元包括分路器、主功率放大器、备功率放大器和切换器，分路器的输入端输入一路低功率信号，分路器的输出端分别连接至主功率放大器和备功率放大器的输入端，主功率放大器和备功率放大器的输出端皆连接至切换器的输入端，切换器包括主路信号输出端和备路信号输出端，主路信号输出端连接至对应的滤波器，备路信号输出端用于连接负载。切换器用于选择其中一路信号进行输出，主功率放大器和备功率放大器通信连接以用于实时监测对方的工作状态和主备状态；其中主功率放大器和备功率放大器功能和技术状态完全一致，可以实现1：1的备份。

对于北斗短报文通信系统这类测量精度高的系统，功率放大器需工作在线性区，且具备良好的带外抑制能力。假定单路信号的中心频率为F0，带宽为BW，最大输出功率为P，则建议核心指标如下：

1)输出1dB压缩点：≥P；

2)带外抑制：F0±1.5BW以外≥30dBc；

3)带内群时延峰峰值波动：≤10ns；

4)输入输出保护：输入功率≥5dBm条件下，不损坏；

输出反射功率为P条件下，不损坏。

参考图2，本发明通过主/备功率放大器实现主备切换，广泛适用于主备机协同工作的场景。为了实现在线的自动主备切换，功率放大器要求能够实时监控自己的状态参数，各状态参数要求实时地与所设置的门限值进行比较，以了解功放当前状态是否正常。这些状态参数包括：

1)工作电压、电流：对功放内部的工作电压、电流进行实时监测和对比；若工作电压、电流出现异常，则功放应关闭功率输出并告警以自我保护；

2)工作温度：对功率放大模块内部的温度进行实时监控和对比；若工作温度出现异常，则功放应关闭功率输出并告警以自我保护；

3)输入信号功率、输出信号功率：对功放的输入信号、输出信号功率进行检测，通过比较输入、输出信号功率以及功放的动态范围来判断是否出现过功率和欠功率等异常，若出现异常，则功放应关闭功率输出并告警以自我保护；

4)输入驻波：对功放的输入反射功率进行检测，结合输入信号功率可计算出输入驻波，若出现异常，则功放应关闭功率输出并告警以自我保护；

5)输出反射功率：对功放的输出反射功率进行检测，若出现异常，则功放应关闭功率输出并告警以自我保护。

主功率放大器和备功率放大器首次开机时的主备身份为初始默认值，两台功率放大器实时通过心跳线握手的方式监测对方的工作状态和主备状态，主功率放大器和备功率放大器的主备状态始终互斥，即同一时间只允许一主一备状态。两台功率放大器的主备切换可分为手动模式和自动模式两种，手动模式即通过人为设置功放的主备状态，自动模式即是两台功放通过相互检测进行主备状态切换，不需要人工干预。

主备切换的流程为

101)主功率放大器和备功率放大器实时对内部所有状态参数进行自检，判断自身的工作状态；若状态正常，则不进行任何操作；

102)当主功率放大器检测到状态参数异常后即刻关闭功率输出并告警，同时会控制切换开关进行切换；备功率放大器同步检测到主功率放大器异常，则将自己从备份状态切换成主状态，同时打开功率输出开关，原主功率放大器则切换至备份状态；

103)当备份功放检测到状态参数异常后即刻关闭功率输出并告警，保持切换开关和主备状态不变；

104)对于告警的功放，需进行人工的故障排除和消除，在功放修复后清楚告警信息，恢复至正常状态，再重复步骤201～203。

为了减少切换过程对系统的影响，系统可以通过以下核心指标进行约束：

1)切换时间：≤100ms；

2)切换开关插损：≤0.2dB；

3)开关隔离度：≥70dB。

参考图3，多频合路器具有多个输入端，分别连接至一个单路信号高功率放大单元的切换器输出端，多频合路器用于合成多频多路高功率信号并输出。

多频合路器包括多个滤波器和公共节点，滤波器的数量不少于单路信号高功率放大单元的数量，滤波器的功率容量大于主功率放大器和备功率放大器的最大功率。每个切换器的输出端连接至一个滤波器的输入端，多个滤波器的输出端皆连接至公共节点的输入端，公共节点的输出端用于输出合成后的多频多路高功率信号。

单路信号经过单路信号高功率放大单元放大后输入至多频合路器，首先要经过滤波器，滤波器完成对多频出站信号的滤波，抑制带外干扰以及杂波，同时提升各通道的隔离度；最后所有滤波后的N路信号在公共节点处进行合成，即完成了多频多路高功率信号的合成。

多频合路器是整个高功率合成系统的核心，为了保证北斗短报文通信系统的性能，多频合路器的核心指标应满足：

1)单通道功率容量：≥1.2*P；

2)总功率容量：≥1.2*N*P；

3)带内群时延峰峰值：≤10ns；

4)插损：≤1dB；

5)通道隔离度：≥30dB。

本发明的一种应用上述系统的北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法，包括以下步骤:

S1、低功率的单路信号通过分路器，将信号分成两路幅度、相位一致的信号；

S2、两路信号分别输入至主功率放大器和备功率放大器，主功率放大器和备功率放大器分别完成对输入信号的功率放大；

S3、两路放大后的信号通过切换器进行主/备路信号的选择，其中一路作为主路信号进行输出，另一路作为备路信号输入至负载，正常状态下主功率放大器设为主状态，此时主功率放大器的信号作为主路信号，当主功率放大器发生故障后备功率放大器切换至主状态，此时备功率放大器的信号作为主路信号；主功率放大器和备功率放大器实时对内部所有状态参数进行自检，判断自身的工作状态，主功率放大器和备功率放大器实时通过心跳线握手的方式监测对方的工作状态和主/备状态，主功率放大器和备功率放大器这两者的主/备状态始终互斥。

S4、多个单路信号高功率放大单元输出的主路信号输入至多频合路器进行多频多路高功率信号的合成。

合成的具体步骤为

S4a、首先通过滤波器对信号进行滤波，抑制带外干扰以及杂波，同时提升各通道的隔离度；

S4b、滤波后的多路信号在公共节点处进行多频多路高功率信号的合成，最后输出。

综上，本发明实施例通过设置主、备两个功率放大器，任意信号均有两台功率放大器进行在线备份，提升了可靠性；任意信号故障不会影响其它路信号的正常工作，灵活性好；通过减小多频合路器的插损即可提高功率合成效率，可操作性强。广泛适用于需要大功率发射的卫星通信测量系统和广域覆盖的地面无线通信系统，尤其适合功率和可靠性要求极高的北斗短报文通信系统，检修期间不用停止系统服务，同时减小了人员值班管理的负担。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大系统，其特征在于，包括：

多个单路信号高功率放大单元，所述单路信号高功率放大单元包括分路器、主功率放大器、备功率放大器和切换器，所述分路器的输入端用于输入低功率信号，所述分路器的输出端分别连接至主功率放大器和备功率放大器的输入端，所述主功率放大器和备功率放大器的输出端皆连接至切换器的输入端，所述切换器用于选择其中一路信号进行输出，所述主功率放大器和备功率放大器通信连接以用于实时监测对方的工作状态和主备状态；

多频合路器，所述多频合路器具有多个输入端，分别连接至一个切换器的输出端，所述多频合路器用于合成多频多路高功率信号并输出。

2.根据权利要求1所述的北斗短报文系统的多频出站信号功率放大系统，其特征在于：所述多频合路器包括多个滤波器和公共节点，所述滤波器的数量不少于单路信号高功率放大单元的数量，每个所述切换器的输出端连接至一个滤波器的输入端，多个所述滤波器的输出端皆连接至公共节点的输入端，所述公共节点的输出端用于输出合成后的多频多路高功率信号。

3.根据权利要求2所述的北斗短报文系统的多频出站信号功率放大系统，其特征在于：所述切换器包括主路信号输出端和备路信号输出端，所述主路信号输出端连接至对应的滤波器，所述备路信号输出端用于连接负载。

4.根据权利要求2所述的北斗短报文系统的多频出站信号功率放大系统，其特征在于：所述滤波器的功率容量大于主功率放大器和备功率放大器的最大功率。

5.一种北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1、低功率的单路信号通过分路器，将信号分成两路幅度、相位一致的信号；

S2、两路信号分别输入至主功率放大器和备功率放大器，主功率放大器和备功率放大器分别完成对输入信号的功率放大；

S3、两路放大后的信号通过切换器进行主/备路信号的选择，其中一路作为主路信号进行输出，另一路作为备路信号输入至负载，正常状态下主功率放大器设为主状态，此时主功率放大器的信号作为主路信号，当主功率放大器发生故障后备功率放大器切换至主状态，此时备功率放大器的信号作为主路信号；

S4、多个单路信号高功率放大单元输出的主路信号输入至多频合路器进行多频多路高功率信号的合成。

6.根据权利要求5所述的北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法，其特征在于：所述步骤S3中主功率放大器和备功率放大器实时对内部所有状态参数进行自检，判断自身的工作状态，主功率放大器和备功率放大器实时通过心跳线握手的方式监测对方的工作状态和主/备状态，主功率放大器和备功率放大器的主/备状态始终互斥。

7.根据权利要求5所述的北斗短报文系统的多频出站信号功率放大方法，其特征在于：所述步骤S4中合成的具体步骤为

S4a、首先通过滤波器对信号进行滤波，抑制带外干扰以及杂波，同时提升各通道的隔离度；

S4b、滤波后的多路信号在公共节点处进行多频多路高功率信号的合成。

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