CN1332913A - 通信系统中用于交叉偏振隔离的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

采用至少两个信号源,通常是卫星(104,106)以及偏振辐射,将信息信号传送到终端用户或服务客户(116,118)。尽管也可以采用其他的偏振方式,但本发明采用两种偏振模式,其中,较佳的模式是左旋和右旋圆偏振辐射。可以在偏振模式中划分信道的总数,并通过采用在接收机(522)中偏振转换来有选择地在卫星之间进行转换,或者切换卫星(信号源)终端元件从而在用于传输的偏振模式之间进行转换来传送到终端用户。

Description

通信系统中用于交叉偏振隔离的方法和装置
                        背景
I.发明领域
本发明涉及将多信道信息传送到收信人而由收信人有选择地一次仅解调一个信道的无线通信系统。本发明尤其涉及在卫星通信系统中建立或保持信号分集的方法和装置，而在所述的卫星通信系统中，多数字调制信道是同时并且采用相同的频率传送到系统用户的。
II.相关技术
已经有人建议采用新的通信设施向移动服务用户或消费者提供一种付费一接听类型的服务。目前已在美国允许采用的这种新的通信设施是一种称作是数字音频服务(DAS)或数字音频广播(DAB)的用户无线产品。这种类型的服务用来接收一组带有信息的信道，这些信息如，新闻、体育、气象或带有很高声音质量的其他主题娱乐节目。音乐的质量通常是与光储存介质(如致密(声/光)盘，通常称为CD)上所看到的是相同的，尽管通常采用的压缩比为10∶1。这些服务通常是工作在12.5MHz的频带上，其中心频率约为2.3GHz(称为用户接收频率)。
人们已经采用各种各样的通信技术，在这样一些频率下，在大量的系统用户之间传送信息。所采用的技术如时分多路复用(TDM)、频分多路复用(FDM)和码分多路复用(CDM)扩展谱技术。CDM的使用见美国专利4,901,307，其标题是“SpreadSpectrum Multiple Access Communication System Using Satellite OrTerrestrial Repeaters”；以及美国专利5,691,974，其标题是“Method AndApparatus For Using Full Spectrum Transmitted Power In A Spread SpectrumCommunication System For Tracking Individual Recipient Phase Time AndEnergy”。
尽管诸如CDM的技术具有相当高的信号增益，并且克服了多径衰落之类的问题，但这些技术并没有解决所有的问题。所以，这就要求人们具有某种形式的信号分集，以减少与相关用户移动有关的衰落等问题所造成的不利影响。另外，由于建筑物、植物(树木)或地理特征(山峦)所造成的信号阻塞也会引起信号一定程度的衰耗甚至完全阻塞，从而在某些情况下会妨碍信号的正常接收。
信号阻塞问题的另一个重要性在于，人们需要的是长期的信号线路。即，人们需要的不是相对较短的传言信息或呼叫，人们需要的是长达几分钟或更长时间的信号传送。例如，通过卫星进行的无线电传输或音频节目传播，或者大量的专用数据传输，要求接收机一次能接收好几分钟或好几小时的信号。足以中断这种类型的线路的信号阻塞是很糟糕的，会造成经济损失，和长时间的用户板侵蚀(customer base erosion)，而这时的线路是收费服务线路的一部分。
为了确保高质量和不间断的信号接收，需要采用某种形式的信号分集。通常，有三种类型的分集可以用在通信系统中，即，时间分集、频率分集和空间分集。时间分集可以采用数据重复和数据或信号分量的时间交错来得到。一种形式的频率分集是采用如CDM之类的技术来提供的，这时，在一个较宽的带宽上对信号能量进行扩展。空间或路径分集是通过使经过同时线路的多信号路径具有经过两个或多个用于地面系统的基站或者两个或多个的卫星或卫星束用于空间系统的移动或远程信号收信人而得到的。
即，对于卫星通信系统来说，空间分集或路径分集是通过在多信号路径上进行传送和接收并且使在不同路径上到达的信号对于每一路径来说是分开接收和处理的而获得的。多址通信系统中采用路径分集的例子见美国专利5,101,501，其标题是“Soft Handoff In A CDMA Cellular Telephone System”；以及5,109,390，其标题是“Diversity Receiver In A CDMA Cellular Telephone System”，它们均通过参考引入于此。
为了提供强有力的信号和空间分集，卫星通信系统和信息转发服务可以通过两个或多个卫星，在任何时候将信号转发到所要求的收信人。信号是以这样的方式进行编码的，即，使用户接收机能够在它们之间进行鉴别，并对它们作相应的处理。对于TDM系统来说，这意味着分配不同的时隙或时隙组，而对于CDM系统来说，这意味着分配不同的PN码偏移或编码。不同的频率还可以用在某些系统中，尽管这是人们非常不希望的。还可以采用多层或多级编码。通常，用户接收机接着采用一系列的数字接收机或称作是瑞克(rake，分离多径)接收机的接收机，用来完成信号接收。
然而，典型的卫星系统可以具有低于所要求的容限的信号分离。即，除非采用某些技术，否则由于路径的变化等原因，很难保持信号的分离。不幸的是，这些技术使得在某些应用场合下如在用于上述音频系统的易耗产品中，需要的电路或软件使接收机价格昂贵、不实用。例如，当在较大的市场规模下制造用于付费一接听移动电话的接收机时，成本和复杂性是极其重要的。哪怕是很小的成本增加都有可能对信息服务行业的利润产生重大的影响，并且复杂性也会影响成本和可靠性。
人们所需要的技术和装置是通过提供或增强信号分集并且同时提供廉价的和可靠的适合用于大批量生产消耗电子产品的接收机，来保持高质量的通信线路。
                     发明概述
本发明的一个目的是通过合适的信号分集，减小由于物理结构而造成的信号阻塞的影响。
本发明的优点是，在不增加接收机复杂性的情况下，保持分集接收。事实上，可以在保持更低成本的RF前端的时候，保持所要求的高质量线路。
采用至少两个信号源(通常是卫星)和偏振辐射将所要求的通信信号转发到终端用户、客户或服务用户，可以实现本发明的特征和优点。采用两种偏振模式，而最好的模式是左手圆偏振辐射和右手圆偏振辐射。然而，在某些结构的情况下，可以采用垂直的和水平偏振的辐射。可以在偏振模式之间划分信道总数，并通过在接收机中进行偏振变换以有选择地在卫星之间切换，或者切换卫星(源)中的元件以在偏振模式之间作转换用于传输而转发到终端用户。
                     附图简述
下面参照附图描述本发明。附图中，相同的标号表示相同的或功能相似的元件，标号中最左面的数字表示该标号第一次出现时的图。附图中，
图1描述的是按照本发明的一个实施例构筑和操作的典型的无线电信息系统；
图2描绘的是图1中所示系统中的无线电接收机内使用的典型分集模式接收机；
图3描绘的是图2中的无线电接收机内使用的典型接收机下变频电路；
图4a描绘的是用于图1所示系统中本发明实施例的典型偏振束方案；
图4b描绘的是用于图1所示系统中本发明另一实施例的另一种典型偏振束方案；以及
图5描绘的是按照本发明的较佳实施例用于图1所示系统中接收图4a和4b所示信号的典型分集模式接收机。
                    较佳实施例的描述
正如上文中所讨论的那样，人们建议采用一种新的数字通信服务提供一种用于车辆(包括汽车、卡车、大型运输车和火车)的称作是CD的高质量无线电接收机。这样一种服务用来提供一系列的信息信道，每一个信道都工作在某一种主题下。即，提供有一系列的(比方说有12个或更多的)音乐或信息频道，如新闻、气象或体育频道，而终端用户可以选择其中的一个。接着，每一频道可以有一种信息主题或音乐风格，确定该频道所携带的节目编排。
为了提供这种类型的服务新的数字通信系统和技术能够提供质量相当好的通信线路。全数字调制和接收方案或系统的使用使得系统的输出能够最大限度地与用作CD质量接收所要求的数字波形匹配。另外，更新型的通信系统应当具备高超的能力，应当可以用来传送音乐服务，或者使这样的一种音乐服务具备比起构筑整个新的基础设施来说低得多的成本。CDMA型的通信系统就是这样一种新系统，这种系统能够很好地传送高质量的数字信号。
可以采用本发明的一种示例的无线信息、娱乐或通信系统100如图1中所示。系统100可以是一种新闻或音乐节目服务设施，它提供10到30个(或者更多，或者更少)频道，使得在任一给定的时间，系统或服务用户、客户或使用者能够进行选择。某些频道与其他的频道相比，可以包含更高的数据速率，这完全视所提供的服务而定，并不要求所有的频道都必须以相同的速率进行工作。系统100的一种典型的预期全数据传送速率是5Mbps的数量级，给出30到40个高数据速率频道，每一频道采用128kbps的传送速率。正象读者知道的那样，根据需要，每一频道还可以细分，给出更低速率的频道。
图1中，通信系统100采用已知的调制技术，如TDM或CDM，来准备或传送带有信息的通信信号至远端系统用户或移动系统用户。在图1中所描述的通信系统部分中，有一个基站102和两个卫星104和106，以及一个相关的汇接局或枢纽108，用来实施与两个移动站或无线电装置116和118或其他这种装置的通信。这样的装置或元件在本领域中通常是众所周知的，尽管在下文的描述中还可以改进，以适用于本发明所提供的信号。
移动站、用户终端或无线电装置116和118都可以包含或具有一个无线通信信号接收机，例如车辆或手持无线电装置所具有的接收机。这里，用户终端116是一种便携式手持无线电装置。尽管这里所讨论的这些无线电装置是移动装置，但读者能够理解，本发明的原理可以适用于要求远程无线服务的固定装置或其他类型的终端，如在许多远端区域中所需要的那样。
为了实现本发明，采用两个或更多个卫星，向所要求的服务区域提供信号。如图1所示，从无线服务用户看来的两个卫星在任一给定的时候都提供最低水平的空间分集。一种典型的卫星配置给出两个地球同步卫星，能够覆盖一个州或所要求的地理区域。例如，通常可以考虑用两个卫星向美国提供服务。它所覆盖的范围称作是CONUS(美洲大陆)，并且定位在80°到110°的高度。当然，正如本领域中的技术人员能够理解的那样，从容量和系统成本的角度考虑，还可以采用更多的卫星。在某些系统中，可以采用LEO或其他的轨道，但这样会要求具备更复杂的电路在卫星之间转换，在使用价格不太昂贵的产品的时候，最好不要这样做。但是，读者将从实施例的描述中看到，本发明的技术并非局限于特定的传送平台，还可以采用将在后文中描述的地面基站。
人们注意到，在本例中，卫星104和106提供的波束能够覆盖一定的地理区域。应当理解，不同卫星的波束覆盖区或服务覆盖区以及地面站的天线图形可以完全或部分覆盖某一给定的区域，这要视通信系统的设计和所提供的服务类型而定。还可以在这些通信区域或装置之间实现空间分集，这将在下文中讨论。
图1中，描述了某些可能的信号路径，用于在用户无线电装置116和118以及地面基站102之间，或者通过卫星104和106至一个或多个汇接局、卫星基站或中央枢纽108建立起通信。基站102和用户无线电装置116和118之间通信线路的基站一用户部分分别用线段120和122表示。汇接局108和无线电装置116和118之间通过卫星104的通信线路的卫星—用户部分分别用线段124和126表示。汇接局108和无线电装置116和118之间通过卫星106的卫星—用户部分分别用线段128和130表示。这些通信线路的汇接局—卫星部分用线段132和134表示。
从图1中可以看到，通信系统100通常采用系统控制器或控制中心110，它采用一种交换网(也可以称作是一种信息服务交换局(ISSO))与基站和汇接局进行通信。ISSO 110通常包括接口和处理电路，在时间、同步、信道的建立方面提供系统控制，以及对汇接局或基站实行某些操作，包括正交码的分配、时隙定义和分配等，并且如人们所知的那样，控制信息信道的路由选择。可以采用已知的技术，如高数据速率专用线、光纤线路或微波或专用卫星通信线路，建立起将ISSO 110与各种系统汇接局或基站连接起来的通信线路112。
图中的信息生成或节目(program)控制中心114将要传送的信息提供到控制中心110。音乐或其他的信息可以在中心114处从各种已知的来源得到，也可以从位于远端的来源或实施得到，如从无线电和网络新闻或财政信息服务中心或音乐信号发生或编撰机构或创作室得到。这一输入可通过规定的(高速率)转接网络或其他已知的专用通信线路来提供。通常，汇接局直接与这样的来源介面相连，并且无需采用一种ISSO来实现这种功能。另外，其他的控制和命令中心，如，地面操作命令和控制中心也与卫星直接通信，它们通常是与汇接局相连的。将在下文中讨论的各种时隙和信道序列的分配通常是由汇接局或控制中心100控制的。
图1中所示的每一卫星负责将信息信道传送给用户。即，采用卫星或地面基站(将在下文中讨论)来发送多信道通信信号，这些信号用已知的技术如上文中讨论过的正交CDM码或TDM时隙信道化，根据该时刻要“调谐”到的信道，将不同的信息提供到不同的系统用户。然而，这还不足以简单地传送来自卫星的所要求的信号。为了确保长时间里，在各种条件下都有高质量的信号和接收，如上文中讨论的那样，要求能保持信号中的空间分集，以确保信号阻塞和其他的影响不会严重影响接收，并将信号混合起来，用以使信号质量得到提高。
所以，在卫星通信系统或信息转发设施100中，信号是通过至少两个卫星传送到所要求的收信用户的。准备信号，并将信号从卫星基站或汇接局传送到卫星，或者在某种配置下，大体同时地由地面服务基站来进行。接着，在相同的频率下，这些信号再次从每一个卫星大体同时地传送出去，使得能够使用空间分集。以相同的方式对信号进行编码，使得接收机能够在它们之间作出鉴别，并在接收机中作出相应的处理。对于TDM系统来说，这意味着分配不同的时隙或时隙集合，而对于CDM系统来说，这意味着分配不同的PN码时间或相位偏移或编码。CDM系统通常采用导频信号进行功率监视和解调。某些系统中还可以采用不同的频率，尽管最好不要这样。根据需要，用本领域中众所周知的技术，在系统设计中，可以进行其他的编码交错和数据处理。
典型的分集模式接收用来接收来自一个或多个基站的信号。这是通过在数字“瑞克接收机”中在分开的信号处理图中，接收或处理来自每一来源(卫星或基站)的信号而实现的。每一图中各个数字接收机的输出与其他的输出混合，形成一个输出，用于作进一步的译码等，而呈现给终端用户。已知的技术，如最大比混合可以用于这一过程中。这示于图2中，图中描述了一种典型的瑞克接收机结构200。当从地面基站如远离市中心的郊区中移去一个移动接收机或无线电装置时，信号是从汇接局通过一个或多个卫星接收的。再有，采用瑞克接收机来处理到达所要求的输出的这些信号。
图2中，无线电装置200有一个解调器部分，它带有一个天线，用来接收通信信号，该天线202与模拟接收机204相连，信号在转换成IF或基带频率并作滤波和进一步的放大之前，被下变频、放大和数字化。各种RF—IF—基带频率下变频以及信道信号的模—数转换技术在本领域中是众所周知的。数字化的信号由模拟接收机204输出，并且作为输入提供到至少一个数字数据接收机206A。其他的数字数据接收机(206B-206N)用来得到通过另一些信号路径的信号分集，并形成RAKE设计接收机的手指(finger)。这些数据接收机单独地或组合在一起地沿几种可能的传播路径跟踪和接收用户信号，并提供分集模式处理。本领域中的技术人员将能够理解，这些因素将决定所采用的数字接收机的数目，如通常的分集水平、复杂性、制造可靠性、成本等，所有这些都将用来提供数字接收机数目的初始选择。
无线电接收机或用户单元还包括至少一个控制处理器210，它与数据接收机206A-206N耦合，具有基本信号处理、定时、越区转换控制和协调以及分集组合等等功能。控制处理器210所经常执行的另一个基本控制功能是根据要用于进行接收的技术，选择合适的编码和时隙。
数据接收机206A-206N的输出与分集组合器和译码器208耦合，向无线电装置中的数字基带电路212提供一个输出。这种定时和协调通常是由处理器210来控制的。基带电路包含在无线电接收机中将信息转发到无线电用户的其他处理和显示(presentation)元件。即，信号或数据储存元件，如临时或长期的数字存储器；输出装置，如LCD或视频显示屏、扬声器、A/D元件以及模拟信号处理元件等。所有这些都形成使用本领域中众所周知的元件的用户基带电路的部分。
模拟接收机204中一条处理路径更详细的图示见图3所示，这里，由天线202接收的信号与下变频部分耦合，信号在RF放大器302中经放大，并且随后作为输入提供给信号混合器304。可调谐的频率合成器306的输出作为混合器的第二个输入，并用来将经放大的RF信号转换成IF频率。频率合成器306的输出是受电子控制的，在VCO的情况下，是用频率调节信号来进行的，从而至少部分地补偿了已知衰落以及多普勒频移效应的影响。
IF信号接着传送到带通滤波器(BPF)308进行滤波，以去除噪声和不需要的频谱，随后在传送到可变增益IF放大器310作进一步的放大。图3中，用增益控制元件314对IF放大器310实施增益控制，以补偿长时间的衰落和能量损耗或衰耗，这是电子领域中的普通技术人员知道的。通常，增益控制信号是由解调器的后续部分产生的，这将在下文中作进一步的说明。
IF放大器310所产生的经放大的IF信号被传送到模—数(A/D)转换器312，在合适的时钟速率下数字化，尽管A/D转换器可以随意置于解调电路中的任何地方，例如，形成与数字数据接收机紧密耦合的一部分。数字化的IF信号接着从A/D转换器312输出到数据接收机。本领域中的普通技术人员将会理解，A/D转换器312可以构成而提供信道分离和两条分立的A/D转换器路径。
上文中描述的图3中的元件表示由模拟接收机204所接收的信号的一种处理或下变频路径。其他的接收机部分或下变频路径用于在相同时间以不同频率或偏振模式接收的每一信号。这些信号以与图3中所讨论的相似的方式处理。然而，本发明在数字信号处理之前，无需额外的下变频和其他的处理元件。
然而，由于信号路径长度的变化以及多径信号的影响，很难在典型的卫星系统中保持信号的分离(即对它们作出鉴别)。采用某些技术将有助于这一处理，采用分集模式接收，但需要更昂贵的接收机的电路和软件，这已在上文中作了讨论。本发明针对的是这样的情况，即，在产生信号时利用隔离技术，也称作是交叉偏振隔离，以提供具有容限增加了的分集，但无需采用不同的频率，也无需更复杂的多个接收机链。即，本发明实现了一种空间分集，并且在某些实施例中是时间分集处理技术，从而在从不同来源(例如是卫星)接收的信号之间提供了另外的隔离，并且这样做时所采用的廉价硬件数为最少。这样就有效降低了接收机的复杂程度，对于某些商业产品来说提供了更经济的技术方案。
采用某种形式，本发明提供了两个卫星，采用相互间不同的偏振模式，将信号传送到服务用户。即，每一卫星采用圆偏振辐射形成圆偏振波束来辐射通信信号，每一个均采用相互间相反(正交)偏振模式。这可以用各种已知的传输元件、转发器元件和天线元件中的一种元件来完成。采用本发明的原理，还可以采用诸如线偏振波束的其他偏振模式，但考虑到地球表面的曲率和轨道图形，通常很难在长距离范围内将正交性保持在所要求的水平上。所以，在本发明的较佳实施例中，一个卫星用左旋圆偏振(LHCP)辐射而另一个用右旋圆偏振(RHCP)投射圆偏振辐射。
采用圆偏振波束的情况见图4a所示，其中，每一个卫星104和106分别投射波束404或406，这是由无线电装置118观察或接收到的，并且每一个具有明显独立的偏振模式(M1，M2，…，圆偏振或线偏振)。示出的波束404采用的是LHCP辐射，尽管波束406采用的是RHCP辐射。然而，很明显，这些作用可以是可逆的，甚至可以根据需要动态变化，这将在下面讨论。
同时，每一接收机都是用RF部分或天线结构制造的，它们可以调谐成有效接收左旋或右旋偏振信号。所以，偏振隔离或交叉偏振技术用来提供具有提高了容限的分集。
图5中示出了一种典型的接收机，其中的无线电装置或接收机500具有接收通信信号的天线502，它与一模拟接收机504相连，在将信号转换成IF或基带频率并经过滤波作进一步的放大之前，与以前一样，信号被下变频、放大和数字化。注意，模拟接收机504采用一个下变频链来实施本发明。数字化信号由模拟接收机504输出，并提供输入到至少一个数字数据接收机506A。最好用两个或多个数字数据接收机(206B-206N)，通过用两个卫星(和另外将在下文中讨论的用于地面发射机的卫星)提供的信号路径来获得信号分集，并形成瑞克设计接收机的分支。这些数据接收机单独地或组合起来，沿几种可能的传播路径跟踪和接收用户信号，以提供分集模式处理。与以前一样，本领域中的普通技术人员将能够理解决定所采用的数字接收机的数目的因素。
无线电接收机或用户单元500还包括至少一个与数据接收机506A-506N耦合的控制处理器510，该处理器具有基本的信号处理、定时、越区转换控制或协调和分集组合等功能。控制处理器510经常执行的另一基本控制功能是根据所采用的技术选择用于接收的合适的编码或时隙。
数据接收机506A-506N的输出与分集组合器和译码器508耦合，向无线电接收机中的数字基带电路512提供一个输出。该信号传输的定时和协调通常是由处理器510控制的。基带电路包含用在无线电接收机中将信息传送到一个无线电用户的处理和显示元件。即，信号或数据储存元件，如临时的或长期的数字存储器；输出装置如LCD或显示屏、A/D元件和模拟信号处理元件等等，所有这些都形成采用本领域中众所周知的元件的用户基带电路。图中标有“音频输出”的典型的输出装置514代表扬声器，也可以是功率放大器和用来操作如车辆中的扬声器系统的连线。
正如将在下文中讨论的那样，被处理的信号对数据进行时间压缩，以便在更短的时间里传送相同的数据量。为了进行这种压缩，使用一个或多个信号或数据缓存器524。这样的缓存器可以在更高的速率下，在短时间里对数据进行累加，并且随后在更慢的速率下，将该数据传送到接收机中其他的元件。有时也称为时间压缩缓冲。对于本例，一开始在数据速率D下出现的数据在2D的数据速率下传送和接收(速率是ND，这里，D是所采用的信道组数)，但从缓存器传递时，是在速率D下进行的。然而，在缓存器以后的阶段中进行的信号处理可以采用某些配置中除D以外的速率。信号或数据缓冲器524包含本领域中众所周知的元件，如RAM集成电路或各种类型的按块擦除存储器、磁性数据存储器等，这在本领域中是众所周知的。
可以期待将保持有包括几秒数量级的显示材料的数据的缓冲器是要用在DAB系统中的。建议采用一种典型的系统，它采用的缓冲器可以储存8秒钟时间的数据，或可以长出4秒时间。所以，系统设计人员确定的数据速率用于支持正传送的信息，即，将要传送的信息的速率以及应当累加用于分集(以及其他已知用途)的数据的时间，并根据储存该信息量所需的数据位数，计算缓冲器的大小。例如，在128kbps下传送的数据需要大小在1024千位数量级的缓冲器(例如，传统的1兆比的RAM存储器)，以储存8秒的显示材料。
可以根据接收机所要求的操作特征和要补偿的其他延迟来选择缓冲器输出的其他速率(和大小)。即，缓冲器524或其他的缓冲器(未示出)可以用于通信系统100中所经受的某些路径延迟，并补偿与校正前/校正后、误差调整以及多普勒相关的某些定时问题。有时，也采用称为去偏移(de—skewing)缓冲器的元件。
信道选择元件520如无线电装置上一系列的按钮或其他已知的用户接口装置可以用来将所要求的信道选择接通到控制处理器510，该处理器510接着采用该信息来改变接收机元件的偏振和其他的特征，以调整到所要求的信道。为此，可以用一种偏振选择元件522来选择要由接收机500接收或传送到接收机500内的信号的偏振。用于制造偏振选择器522的电路和元件是人们所熟知的。例如，可以采用一个或多个偏振滤波器，来拒绝除某些偏振模式外的所有偏振模式。这些元件可以贴近天线或者甚至是其一部分，或者根据需要，也可以是模拟接收机504的一部分。
每一卫星将要传送的信息(信号)信道的总数分成相等的两组。为了便于进行讨论，将它们标上‘A’组和‘B’组。每一个卫星发送一个编组内所包含的所有的信道，随后发送另一编组中所包含的所有的信道。所以，一个卫星在预选的时间周期内传送‘A’组信号，随后通常是一预选的保护时间(时段)或空载时间，比方说是几个毫秒的时间数量级，以考虑到由卫星轨道和用户的位置所产生的延迟变化。接着，卫星发送‘B’组信道信号，等等，在两组信号之间交替。第二个卫星采用相同的信道编组，形成‘A’组和‘B’组，但以不同的先后顺序传播之。这里，是从‘B’组开始，随后是‘A’，等等。
本发明的一个特征是，不管采用什么样的波形发生方法(TDM，CDM，等等)或信号多路复用方法，都可以采用这种交替的信道编组和偏振。例如，下面描述和讨论的每一种编组可以包含用已知的PN码或正交码如沃尔什码恰当“包含”或编码的信息信道，以鉴别各个信道，或者要接收和与给定信道相关的信息。也可以是，每一编组可以代表在对应于预选信道的给定时隙内传送数据的时隙编组。不管是哪一种情况下，信息信号是作为数据帧而传送的，并且是用信道和偏振模式随时间而处理和传送的。这就意味着每一信号的一个或多个给定数量的数据帧是以给定的模式，在每一时间周期内传送的，而附加的帧是在下一个合适的周期内传送的，等等。例如，在第一个周期内，一个帧n，随后是n＋1，在下一个周期内，先是帧n＋2，随后是n＋3，等等。
在一种较佳实施例中，在一个卫星上一个编组的传输和下一个卫星上后一次传输之间是不使用空载时间或保护时间的。在这样的情况下，在接收机转换到从另一卫星通过偏振转换进行接收时，是可以丢失几个数据码元的。然而，在通常的信号帧时间标定(持续许多秒)上可以损失的码元数是很小的，并且通常在几个信道上扩展开来。所以，任何一个节目有用的传送都不足以从负面成为一个问题，也不需要进行保护时间的设定。但是，在某些配置下可以采用这样的时间周期，这样可以有其他的好处。
无论什么时候采用时间周期或保护时间，它们都不是没有传输的周期，也不是没有信号，但通常是一个传送“零”数据的周期，使得某些电路如跟踪卫星信号或调整频率调谐或增益等的电路具有检测的信号，并作相应的操作。
信道编组和偏振处理的结果示于表I中，其中，典型的无线电装置1接收编组A中的一个信道，而典型的无线电装置2接收编组B中的一个信道。很清楚，许多的无线电装置或接收机最好在任何时候都接收信号，有些是采用编组A，有些是采用编组B，而有些是在两个编组之间变换，这是人们所知道的。表1中，第一个卫星传送编组A，随后是编组B，而第二个卫星传送编组B，随后是编组A。
                                        表I
 卫星 信道编组传输顺序 无线电装置1接收顺序 无线电装置2接收顺序
 卫星—1     ABABAB…AB  A￠A￠A￠…A￠  ￠B￠B￠B…￠B
 卫星—2     BABABA…BA  ￠A￠A￠A…￠A  B￠B￠B￠…B￠
这里，￠表示在该时间周期内，是不从表中的卫星进行接收的，或者是，将接收的噪声或信号当作是预定的零数据。
如果将实施分集的时延设置在T值，那么全部A组随后是B组的循环时间就是2T。每一无线电接收机中使用的下行转换器链被配置成在两种偏振模式之间转换，因此也就是在两个卫星或信号源之间在每一T秒内进行转换。这是通过在一种模式与另一种模式之间(这里是右旋圆偏振(RHC)模式和左旋圆偏振(LHC)模式之间)简单地改变接收机天线或接收元件来完成的。
这可以采用各种已知的元件如采用圆偏振接插式天线来完成，圆偏振接插式天线有两个不同的馈送连接，分别用于两种模式(RHC和LHC)。每一种馈送方式可以连接到放大电路或放大元件，如人们熟知并且市场上有出售的低噪声放大器(LNA)。通过机械地或电气地将馈送连接切换成接通和断开，即连接/断开或者是衰耗/不衰耗，或者简单地对不使用馈送断开LNA的电连接，可以对模式进行选择。这就使得命令和控制特性很容易，并且可以对天线的工作方式作出选择。否则，可以将两种模式传送到一个位于远端的无线电装置，然后作出选择。
结果是全空间分集和全时间分集。在测试和模拟中，这种技术已经使得工作在双卫星的时候，接收信号提高了几个dB。
采用偏振的方式，减小了源间干扰(即卫星之间的干扰)，而这种源间干扰是基于接收天线的偏振纯度的。该纯度受限于本领域中人们所熟知的几个因素。CONUS方式或上表中列举的高度给出了相当好的偏振纯度，并且称作是低于视轴(low offboresight)(波束中心)劣化。如果典型的隔离是在10dB的数量级上，那么信号传输应当很接近无干扰的情况的。另外，这种方法仅需要采用一个下行转换器链，而保持更多可靠的并且是廉价的接收机。仅仅需要价格稍稍比普通情况下高的天线用于这样有些用户无线电装置，它有某些转换功能，和额外的LNA。
移动站或无线电装置需要使它们的接收/转换同步，加上某些接收机定时功能，例如用作信道多路复用、交错、延迟元件或缓冲器处理、天线转换、编码定时等，以便使来自卫星的ABABA或BABABA方式匹配。这可以通过采用包括(但并非局限于)系统通用时间基准如GPS定位系统已有的时间基准、采用校正本地时钟以及用于频率误差或频率漂移的反馈元件、采用同步信道等等的几种已知的技术来实现。例如，读者可参见美国专利申请08/723,724，其标题是“DeterminationOf Oscillator Error In Satellite Communication System”；以及美国专利申请08/733,490，其标题是“Method And Apparatus For Precorrecting Time AndFrequency In Communications Systems”，它们均通过参考引入于此。
另一种实现所要求的空间和时间分集的方法采用了本发明的技术，见下面的表II和表III所示。在表II和表III中，采用的是相同的编组A和B，但它们采用的是按照各种随时间而变的进展(progression)或传送来标记的。即，在t—1时刻开始形成A组的信道传送提供信道A1，而在t—2时刻开始形成A组的信道传送提供信道A2，在t—3时刻开始形成A组的信道传送提供信道A3，等等。对于B组，形成B1，B2，B3等等时的情况也是这样。
在表II中，当从相对的卫星或信号源传送出来时，在序列(1，2，3，…)中相同相对时间开始的每一对或每一组A和B信道是相互间以某种预选的方式置换或转换而形成的。所以，信道组A1从一个卫星传送而来，而B1从另一个卫星传送而来，A2从一个卫星传送而来，而B2从另一个卫星传送而来，等等、等等。
                               表II
 卫星 信道组传送顺序 无线电装置1接收顺序 无线电装置2接收顺序
 卫星—1 A1B1A2B2A3B3…AnBn A1￠A2￠A3￠…An￠ B1￠B2￠B3￠…Bn￠
 卫星—2 B1A1B2A2B3A3…BnAn ￠A1￠A2￠A3…￠An ￠B1￠B2￠B3…￠Bn
在表III中，模式的不同点在于，与以前相比，两组不发生了置换，但相互间发生了时延。所以，信道编组A1是从一个卫星传送出去的，而信道编组B0是从另一个卫星传送出去的(这等效于在一开始时，全零数据或没有信道从第二个卫星传送出去)，A2从一个卫星传送出去，而B1从另一个卫星传送出去，A3从一个卫星传送出去，而B2从另一个卫星传送出去，等等、等等。如下所述，这一处理过程可以扩展成更大数量的编组。
                              表III
 卫星  信道编组传送顺序 无线电装置1接收顺序 无线电装置2接收顺序
 卫星—1 A1B1A2B2A3B3…AnBn A1￠A2￠A3￠…An￠ B1￠B2￠B3￠…Bn￠
 卫星—2 B0A1B1A2B2A3…Bn－1An ￠A1￠A2￠A3…￠An ￠B1￠B2￠B3…￠Bn
当每一卫星以两种偏振模式中不同的一种模式进行传播时，增加了在各信道上传送的信号的定时或码元速率或数据位速率，从而能够在更短的时间里传送相同数量的信息。即，为了能够在时间周期2T里与往常一样以一种有效数据速率传送给定数量的信息或数据，实际上是在更短的周期T里以两倍于该速率的速度进行传送的，作为任何一个信道编组的一部分。每一编组中形成信道的数据或信息是以相对于原始传输速率的2∶1的定时或加速倍数(对于一种有两个编组〔A/B〕配置)进行传输的，而如果需要，后面是预选的保护时间或空载时间。信道其他的编组方式，如M个总信道中N个编组将采用N∶1加速倍数，或更高的速率比值，以便在分配的合适的周期内传送数据。即，将总数分成N个编组，而每一个编组以N种不同的相位顺序传送，从而在N倍速度下，在每一编组中传送1/N个信道。
随后，当接收在一个或更多个相当大但廉价的缓冲器内时，将接收的信号累加或储存在每一无线电接收机(112，114)中。这使得合成的信号能够以更高的传送速率储存起来，而在低于传送速率的原始的较低的速率下重现。在一种典型的应用场合，可以期望缓冲器将累加或寄存约4秒或以上的输入信号，从而以任何一种偏振模式接收4秒或更多的信道信号。这就能够提供一种大体恒定通过偏振而旋转并保持分集模式的能力。
另一种将信号从卫星传送到无线电装置的方法包含将偏振模式留给在任何时候都固定的无线电接收机输入，并随时间的推移转换卫星的输出。信道的选择用于接收，并且将再次落在编组A或编组B内。但是，该编组决定要使用的偏振模式，即，是LHCP还是RHCP，或者是采用其他的模式(如垂直(V)还是水平(H)的)。每一卫星将要传送的信息信道分成两个相同的编组A和B。每一卫星以一种偏振方式M1(比方说是RHCP)发送所有包含在编组A中的信道，以及以另一偏振模式M2(比方说是LHCP)发送所有包含在编组B中的所有的信道。这里，偏振模式是交替的。这示于下面的表IV和表5中。
                                表IV
 卫星     偏振传输方式   无线电装置1接收顺序    无线电装置2接收顺序
 卫星—1     M1M2M1…M2M1   M1￠M1￠…M1￠    ￠M2￠M2…￠M2
 卫星—2     M2M1M2…M1M2   ￠M1￠M1…￠M1    M2￠M2￠…M2￠
                                   表V
 卫星  偏振传输方式 无线电装置1接收顺序 无线电装置2接收顺序
 卫星—1  RHLHRHLH…RHLH  RH￠RH￠…RH￠  ￠LH￠LH…￠LH
 卫星—2  LHRHLHRH…LHRH  ￠RH￠RH…￠RH  LH￠LH￠…LH￠
根据要接收的娱乐频道的不同，无线电接收机选择是RHCP还是LHCP偏振模式用于要接收的信号，并在收听期间保持这种接收方式。这种技术可以使得接收机中所使用的硬件较少，复杂性较低(一个LNA)。
使用转换的圆偏振波束见图4b所示，其中，每一卫星104和106分别投射两个波束404、408和406、410，这些波束是由无线电装置118接收到和观察到的。波束404、408以及406、410中的每一个都具有一种独立的偏振模式，图中，波束404和410是LHCP，而波束406和408是RHCP。但是，它们的作用是可以反向的，可以根据需要动态改变。
后一种技术的一个方面在于很难将其扩展或一般化成其他的工作方式。即，如果采用其他的偏振模式，如线性的，或其他由每一卫星用来产生其他隔离模式的参数，那么就更难使接收机在不会增加无法容忍的复杂性和成本的情况下在模式中作出选择。
可以使上述系统用户的信道或信号编组一般化。在其他的实施例中，每一卫星将要传送的M个信息信道的总数分成N个相等的编组，这里，M是可以被N除尽的。每一个卫星接着顺序发送这些编组。例如，在一种实施例中，每一个卫星将信息(信号)信道分成三个相等的编组(N＝3)，为便于讨论，标以A、B、C。每一卫星以一种如下的方式发送所有包含在这三个编组中的信道：
                 A B C A B C A B C A B C A B C
                 C A B C A B C A B C A R C A B
                 B C A B C A B C A B C A B C A
在又一种典型的实施例中，每一卫星将信息信道分成4个相等的编组(N＝4)，为便于讨论，以A、B、C、D标记之。每一卫星以一种如下的方式发送这4个编组中所包含的所有的信道：
            A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
            C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B
            D A B C D A B C D A B C D A B C D A B C
            B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A
或
            A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D
            B A D C B A D C B A D C B A D C B A D C
            C D A B C D A B C D A B C D A B C D A B
            D C B A D C B A D C B A D C B A D C B A
这里，M个信道被分成N个编组，并进行置换，以便实现所要求的传输方案。
这些方案或方式可以用C的周期或C和D的周期组合起来，从低高度源，比方说是25度或更低的地方接收信号。这可以用来从地面基站接收信号，而更高高度的信号是从卫星到达的。这就改进了地面发射机和卫星发射机之间的隔离，而这二者是用于通信系统中的。在这种结构中，如果一个天线端口或输出采用在25°以上接收到的RHCP信号，第二个LHCP信号是在25°以上接收到的，而其余的一个或两个端口用于低于25°的信号，那么在N-3的情况下，所要求的信号接收方式可以从端口1、端口2、端口3加以接收等等；在N＝4的情况下，是端口1、端口3、端口2、端口4，等等。
这种类型的天线方案利用了天线在25°以上时增益增大而低于该高度时增益降低的优点。采用一个RHC和一个LHC端口。当第三个端口低于25°时，卫星被隔开，而地面将被更有效地与卫星隔开。另外，这样一种多端口结构可以用来从多个轨道中的卫星进行接收，这些轨道相互间比较高或低。此外，根据需要，可以采用独立的天线，采用这些天线可以在某些预选的高度角度上具有更小或更大的增益，从而能够覆盖卫星和/或地面发射机所要求的所有或每一个范围。分扇区的或扇区化的天线可以用于地面接收，以减小发射机之间的干扰。
另外，可以要求采用非偏振的辐射用于线路的地面部分。这时，上述多端口结构可以使用最后两个端口用于该辐射，或者可以采用在较低高度角时具有更高增益的独立地面天线。
对于从一个或多个天线以及一个或多个地面发射机接收信号的那些区域或应用场合，可以用不同的技术方案来确保恰当的分集。这里，将频带再细分成一些部分，将卫星分配给一个部分，而地面发射机分配给其他的部分。例如，整个12.5MHz可以被简单地一分为二，两个(或更多个)卫星使用一半(约占6.25MHz)，而地面发射机占用另一半。由于偏振隔离用于卫星，它们可以享有总带宽中属于它们的一半，而不需要单独的专用部分用于每一个卫星，而其余的用于地面发射机。其余的频带根据需要可以分配给具有已知频率重复使用的地面发射机。例如，3倍的重复使用计划应当使要使用的大量地面基站能够覆盖较大的范围，而不会有显著的干扰。
另外，可以用更复杂的带宽分配方法来进一步改进隔离。例如，可以使用表VI中所示的方案。
                         表VI
     ←---------------------12.5MHz总带宽--------------------→
    地面1   卫星1/2     地面2  卫星1/2   地面3
    2.08MHz   3.13MHz     2.08MHz   3.13MHz   2.08MHz
采用上述过程有几个优点。一个优点是根据不同的卫星可以采用不同的速率和编码用于地面发射机。另外，一个卫星和一个或多个地面发射机可以用在从其他卫星进行的接收受到阻塞等的时候进行分集组合。如果需要，特别是在分配给这一应用场合的总频带的独立部分中进行传播时，地面发射机可以采用再生和不同的调制形式(卫星受到限制而不能在另一半或非地面部分中进行工作时频带的一半或其他的部分)。
采用CDM波形方法时可以有一个潜在的优点。这时，不同的PN码可以用于地面发射机(可能是一个编码组使用相移或时移来产生用于每一个的不同的“编码”)和卫星(可能是另一组采用相互间的相移)，这使得能够检测不同的PN码，并用来自动调节接收机中用于导频信号恢复环路等的环路带宽。将环路扩展参数或设置建立在来源的PN上可以提供一种强有力和有效的控制机制来改进这些环路的运行。
注意，多端口(如2-端口或3-端口)天线或天线结构的使用是具备优点的。在某些应用场合，可以使用多个天线，这些天线在某些高度或方向上有更大的增益。另外，可以使用对偏振模式敏感的专用天线。例如，天线502可以用对偏振模式敏感的元件构成，它可以有选择地选择接收所需的信号(在其间进行转换)。
前文较佳实施例的描述使得本领域中的普通技术人员能够制造和使用本发明。尽管本发明的描述是针对较佳实施例来描述的，但本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和发明范围的基础上，还可以对实施例的细节和形式作各种修正。

Claims (18)

1.一种隔离来自多个信号源的通信信号多信道传输的方法，其特征在于，它包含下述步骤：
将所述信道分成N组信道；
用第一偏振模式从一个信号源传送N组信道中的一组信道；以及
用大体与第一种模式正交的第二种偏振模式从第二信号源传送所述N组信道中的另一组信道。
2.一种隔离来自多个信号源的通信信号多信道传输的方法，其特征在于，它包含下述步骤：
将所述信道分成N组信道；
用第一偏振模式从一个信号源传送N组信道中的一组信道，并且大体同时地用大体与第一种模式正交的第二种偏振模式，从第二信号源发送所述N组信道中的第二组信道；以及
用所述第一偏振模式从所述一个信号源发送所述N组信道中的第三组信道，并且大体同时地用所述第二种偏振模式，从所述第二信号源发送所述N组信道中的第四组信道。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述N是2，而所述第一和第三组包含相同的信道，所述第二和第四组包含相同的信道。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述N是4，并且所述第一和第三组包含相同的信道。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号源包含两个或更多的卫星。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述卫星处于地球同步轨道中。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号源包含两个或更多的地面发射机。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号包含CDM类型的通信信号。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号源包含TDM类型的通信信号。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述信号源包含两个或更多的卫星和两个或更多的地面发射机。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述卫星传送整个分配的带宽中一个或多个预定部分中的信号，并且所述地面发射机发送所述分配的带宽中一个或多个其余预定部分中的信号。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述卫星和所述地面发射机发送CDM类型的信号，这些信号采用位于所述卫星和所述发射机之间不同的PN扩展码。
13.一种隔离来自多个信号源的通信信号多信道传输的装置，其特征在于，它包含：
将所述信道分成N组信道的装置；
用第一偏振模式从一个信号源传送N组信道中的一组信道的装置，并且所述装置大体同时地用大体与第一种模式正交的第二种偏振模式，从第二信号源发送所述N组信道中的第二组信道；以及
用所述第一偏振模式从所述一个信号源发送所述N组信道中的第三组信道的装置，并且所述装置大体同时地用所述第二种偏振模式，从所述第二信号源发送所述N组信道中的第四组信道。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，它还包含用带有偏振模式选择元件的接收机从一个所述信号源接收所述N组信道中的一组信道的装置。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，它还包含构成所述偏振元件而在一个预选的时间周期内从所述一个信号源接收N组信道中的一组信道的装置，并且所述装置还在后续的预选时间周期内从所述一个信号源接收N组信道中的第二组信道。
16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，它还包含一个构成第一和第二信号源的装置，用以采用第一种偏振模式，在一个预选的时间周期内发送N组信道中的所述一组信道，以及用第二偏振模式，在后续的预选时间周期内，从所述一个信号源发送所述N组信道中的第二组信道。
17.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述N组信道中的每一组信道是在总信道数的1/N倍的速率下，在一个预选的时间周期内传送的。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N组信道中的每一组信道是在总信道数的1/N倍的速率下，在一个预选的时间周期内传送的。
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