CN1768495A - 卫星通信数据数字处理的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于处理在通信卫星[200、1100]上的上行链路波束[204]上接收的子带频谱的数字有效载荷[202、300、500、600]包括数字信道化器[302]、数字交换矩阵[304]和数字合并器[306]。数字信道化器将子带频谱分成多个频率片[310]，可以由数字交换矩阵[304]将频率片路由至一些接收端口[312]中的任何一个。数字合并器[306]接收频率片并且将它们重新组合以便形成一个或多个输出子带，以用于在通信卫星的输出波束[216]上传输。数字有效载荷也可以包括可嵌入式数字再生模块[308]，其被配置为解调子带频谱的一些或全部，以便从其提取数字比特流。可以处理数字比特流以便实现基于码的多路复用、交换、接入控制和其它特征。

Description

卫星通信数据数字处理的系统和方法

优先权

本申请要求在2003年1月28日提交的美国临时申请第60/443,517号的优先权。该申请也要求在2003年1月29日提交的美国临时申请第60/443,664号的优先权。

技术领域

本发明一般涉及卫星，更具体而言涉及用于卫星的数字体系结构。

背景技术

在诸如导航、通信、环境监控、天气预报、广播等之类的各种领域中，卫星已经成为非常重要的工具。目前数百个人造卫星正在绕地球运行，并且每年从世界上的许多国家发射更多的卫星。而且，现在许多家庭、商业和政府组织日常使用卫星系统以用于娱乐、通信、信息收集和其它目的。

一般的现代卫星具有金属或复合结构，用于容纳电源(例如，一个或多个电池、太阳能电池和/或类似的电池)和各种电子元件，以及一根或多根天线。所述元件通常包括一个或多个“转发器”，其为包含一个或多个无线电接收机、频率转换器和发射机的群集(cluster)。由转发器的数目提供卫星的总带宽，每个转发器可以具有一般大约为30-70MHz的带宽。例如，一种在市场可以买到的卫星具有3,528MHz的总可用带宽，该总可用带宽在45个C波段和16个Ku波段的转发器之间进行分配。这些转发器总称为卫星的“有效载荷(payload)”。

如图1所示，一般的模拟转发通信有效载荷经过上行链路天线从地球或另一个卫星接收多个上行链路波束。用低噪声放大器(LNA)放大所接收的波束中的每个并且将其下变频(D/C)以便进一步处理。然后，在对被下变频的波束进行上变频并通过下行链路波束将其传输至地球或另一个卫星之前，对其进行交换、多路复用(MUX)或否则路由和组合。

尽管一些模拟转发卫星可以包括有限的交换和多路复用功能，但是这些特征是受限的，因为交换限于整个上行链路天线波束到特定下行链路天线波束的点对点映射。这导致在卫星带宽的利用中的严重的低效率。在一年或更长的时间内卫星客户一般购买“转发器”或卫星上的专用带宽块。转发器的带宽一般在设计期间被固定于卫星中(例如，在33、50、70MHz等处)，并且在构造卫星之后不可对其进行精细地调整。每个转发器在地球上的两点之间(点对点)，或在一点和广阔的地理区域之间(广播)提供具有专用带宽和功率的连接。尽管对于所承载信号的类型而言，该布置相对灵活，但是就带宽效率和发射功率控制而言，存在较多不利。例如，万一卫星客户需要的带宽比转发器提供的带宽稍微多一些，那么卫星客户通常必须购买另一个30-70MHz的“转发器尺寸的”带宽段。而且，如果卫星客户不使用其转发器带宽的全部，则该额外的容量保持不被使用，因此浪费了有限并贵重的商品。尽管一些客户已经通过将所购买的转发器的带宽经过专用地面终端设备和扩展的特殊布置而细分给其他末端用户，来试图解决该低效率问题，但是细分一般需要卫星客户信任末端用户去控制他们自身的功率和带宽使用，因为没有绝对的控制可用于调节在卫星上(onboard the satellite)的带宽和功耗。此外，卫星“掠夺者(pirate)”经常将信号“搭载(piggyback)”至未使用的转发器的带宽上，因此抢占了发射功率并使合法用户的通信链路性能下降。在很大程度上由于这些低效率和其它因素，而导致与地面通信系统相比卫星通信的费用相对较高，从而限制了将卫星通信广泛用于许多应用。

为了增强的灵活性和控制，卫星有效载荷最近已经演进到利用数字技术。数字卫星有效载荷通常或者以信道化方式或者以再生方式工作。在前一情况下，数字有效载荷模拟传统的固定模拟转发器，但是增加进行精细划分、控制和监控卫星上的带宽和功率分配的能力。数字转发有效载荷一般具有以高度灵活的方式执行输入到输出的交换的能力，因此使得它们像虚拟“电话交换机”那样工作，其中提出对具有特定带宽/功率和天线特性的信道的请求，建立、使用、然后断开该信道。此“电路交换的”能力确保仅提供并且仅当需要其时提供所需的带宽、发射功率和覆盖范围。由于转发信道仅仅为重复的信号，而没有任何改变，所以无论格式或调制方式如何，转发器有效载荷都可以承载任何类型的信号。与转发有效载荷不同，再生有效载荷执行上行链接的信号的解调和再调制，不仅仅恢复和处理用户信号，而且恢复和处理嵌入在该信号中的用户数据，使得该有效载荷以期望的方式对其起作用。所嵌入的数据经常用于在基于分组的系统中的自动路由和用于诸如在许多政府卫星中那样的安全功能，或者用于二者。具体而言，在重新发射所解调的数据之前，可以对其执行错误检测和纠正，由此使得再生卫星有效载荷通常比转发有效载荷具有更好的链路性能。这些特性和其他特性使再生有效载荷就控制、带宽和功率使用而言是最高效可用的。然而，再生系统一般被构建为处理在设计时就固定了的单独一套信号和数据格式。这样的系统一般不提供像从转发有效载荷处理中可以得到的那样的广泛的信号兼容性。

随着卫星有效载荷演进的继续，卫星客户正在从模拟转发发展至数字转发再至数字再生方法，以便从由规则(law)所固定的频谱分配中提取最大收入承载带宽和功率(maximum revenue bearing bandwidth and power)。因为数字转发器系统和模拟转发器系统都不能提供星载(onboard)数据处理，所以可以相对容易地使数字转发器系统向后兼容模拟转发器系统。然而，由于再生系统要求特定信号和数据类型而导致其通常不可向后兼容。尽管从模拟转发有效载荷到高效得多的数字转发有效载荷的过渡是畅通无阻的，但是在不放弃老系统用户或者要求卫星承载极多的处理电子器件的情况下，提供甚至更高效的再生有效载荷的能力的道路一直很难。为了避免运行的浪费并提供连续的收入流，现有的卫星客户通常期望在昂贵的卫星资产的多年生命期中，逐渐将转发末端用户过渡为再生服务。

所以期望提高在商业和/或政府环境中的数据通信中所使用的卫星有效载荷的灵活性和功能性。还期望提供能够将转发和再生方式同时混合进硬件高效有效载荷中的卫星有效载荷，并且提供对于再生信号和数据格式的服务中(in-service)的可编程性。此外，结合附图和本发明的背景，根据随后的详细描述和所附权利要求，其他期望的特征和特性将变得清楚明白。

发明内容

根据各种示例性实施例，在全数字卫星有效载荷中提供数字转发和数字再生功能二者。通过将转发和再生功能合并进普通数字平台中，实现了许多效率等级，并极大地提高了卫星的总效率和功能性。

在一个实施例中，一种用于处理在通信卫星上的上行链路波束上接收的子带频谱的数字有效载荷包括数字信道化器、数字交换矩阵和数字合并器。数字信道化器将子带频谱分成多个频率片，可以由数字交换矩阵将频率片路由至一些接收端口中的任何一个。数字合并器接收频率片并且将它们重新组合以便形成一个或多个输出子带，以用于在通信卫星的输出波束上传输。数字有效载荷也可以包括嵌入的数字再生模块，其被配置为解调子带频谱的一些或全部，以便从其提取数字比特流。可以处理数字比特流以便实现基于码的交换、多路复用、接入控制、输出线性化和其它特征。

在另一个实施例中，一种处理在通信卫星的数字有效载荷上的上行链路波束上接收的子带频谱的方法适应性地包括以下步骤：将子带频谱以数字方式分成频率片；并且在一些接收端口之间路由频率片中的每个。在路由之前、期间和/或之后以数字方式适当地解调、处理和/或再调制频率片中的一些或全部。然后将所路由和/或处理的频率片以数字方式重新组合，从而形成输出子带以用于在通信卫星的一个或多个输出波束上传输。

其它方面以不同方式涉及卫星部件、系统和方法。这里进一步阐述的概念提供使卫星资源商业化的新技术，以及卫星领域中的几个新的商业模型。以下详细阐述各种示例性实施例的这些和其它方面。

附图说明

以下将结合后面的附图来描述本发明，其中相同的标号表示相同的部件，以及

图1是示例性现有技术卫星有效载荷的方框图。

图2是具有灵活转发器有效载荷的示例性卫星的方框图；

图3是示例性数字卫星有效载荷的方框图；

图4是分组处理数字有效载荷的示例性实施例的透视图；

图5是分组处理数字有效载荷的示例性实施例的方框图；

图6是多片数字有效载荷的示例性实施例的方框图；

图7是具有模块化数据处理能力的示例性卫星的方框图；

图8是具有示例性全数字有效载荷的卫星的方框图；

图9是在数字卫星有效载荷中分配带宽的示例性过程的流程图；

图10是分配卫星资源的示例性过程的流程图；和

图11是示例性数字卫星实现的概念性图解。

具体实施方式

下面详细的描述本质上是示例性的，并且目的不在于限制本发明或本发明的应用和使用。此外，没有由在前面的本发明的背景或后面的详细描述中所给出的任何理论来限制的意图。

根据各种示例性实施例，一种新的数字体系结构为通信卫星提供后向兼容的、宽带的、交换的信道化数字有效载荷。因为从数字有效载荷中可得到的可用带宽量可能比由相应的模拟有效载荷提供的可用带宽量大得多，所以由卫星提供的带宽的费用适应性地降低，由此使得对消费者降低定价和/或给予带宽提供者更大的利润率。而且，该集成数字体系结构使先前从其它卫星有效载荷中不可得到的附加特点和功能得以实现。作为一个示例，各种实施例允许有效载荷资源(例如，带宽、功率、频率规划、天线覆盖范围等)在卫星的设计或制造期间，或者甚至在轨道上容易地被重新指定，由此，极大地提高了卫星设计的灵活性。通过允许在轨调整带宽和其它资源，卫星可以适合于消费者要求的改变，由此提高卫星实现的风险评估并实现销售或再销售卫星带宽的新的市场战略。这些新战略在对消费者增进服务的同时，进而为带宽提供商提供新的收入流。

新体系结构的各种实施例导致模块化的、可重新配置的和可编程的全数字卫星有效载荷。尽管使用诸如“灵活的转发器”、“模块化数据自动处理器”和“灵活的卫星”之类的术语来描述新体系结构的各种实施例，但是使用这里所阐述的一般的概念可以形成大量等同的实施例。

现在返回附图并参照图2，所示为适合用于卫星通信的示例性卫星有效载荷200。在图2所示的实施例中，有效载荷200适应性地包括任何数目的输入放大器206A-n、可选的下变频器(D/C)208A-n、输出放大器210A-I、输出交换机212A-j和输出多路复用器214A-k，它们被布置成与数字转发器单元202进行互操作，以便提供对输入波束204A-n的数字处理并且产生输出波束216A-n，通过适合的天线将输出波束216A-n发射至在另一个卫星上或在地球表面上的接收机。

在操作中，通过适合的天线(图2中未示出，但是在下面更充分地描述)接收每个输入波束204。可以对每个波束进行滤波以分离出适合的频带(即，“子带”或“信道”)，由低噪声放大器(LNA)或其它输入放大器206对其进行放大以提高接收信号的强度。然后将放大的子带从接收频率下变频至适合的中频(IF)以便进行数字处理。尽管图2中所示的实施例示出输入带宽的250-750MHz部分的块下变频(block down-conversion)和24-72MHz信道的交换和滤波，但是在大量替换实施例中可以使用任何其它频带或范围。例如，可以使用高质量的模拟-到-数字转换器，以550MHz或更高的速率对进入的子带进行采样，由此如在以下更充分地描述的那样，在许多实施例中减小或消除对所放大的子带进行下变频的需要。尽管传统的卫星最常用C和Ku波段的接收或发射频率，但是这里所描述的技术可以扩展到UHF、L、S和Ka波段频率，以及任何其它频率。

尽管传统的电路交换体系结构(例如图1中所示的那个)在输入和输出波束之间简单地交换和多路复用全部信道，但是数字转发器单元202的各种实施例能够将每个子带以数字方式分成频率片(slice)，如在以下更充分地描述的那样，在输出子带中可以对频率片进行单独交换、处理、路由和重新组合。所以，数字转发器单元202在提供在现有系统中得不到的附加功能和效率的同时，替换图1中所示的输入多路复用器和相关的交换机、线缆等。该数字处理实现了先前得不到的一些新特征，包括单个片的重建滤波、业务(traffic)监控、发射线性化、最优化、接入控制等。而且，数字转发器202使得带宽的定制(tailoring)和其它资源分配得以实现，由此极大地提高了有效载荷200的效率。例如，在操作期间可以实时地调整在上行链路204和下行链路216上的带宽分配，以便为正在经历增长的业务需求的波束或子带的重新指定额外的带宽。以下更详细地描述数字转发器单元202的各种实现、部件和相关的处理技术。

用行波电子管放大器(TWTA)、固态功率放大器(SSPA)或其它适合的输出放大器210，来适当地放大由数字转发器单元202所组合(assembled)输出子带。尽管在实施例之间特定输出功率随诸如地球上的纬度、所使用的发射频率等那样的因素而变化，但是一般在C波段频率可以使用约50W的输出功率，并且在Ku波段可以使用约80-120W的功率。在输出多路复用器214处可以一起交换、多路复用输出放大器210的一些或所有输出，然后通过发射天线将其重新发射以形成输出波束216。在多路复用之前，可以使用可选的可变功率分配器(图1中所示)来将功率适当地分配至各个覆盖区域。

图3示出示例性数字卫星系统300的一幅逻辑布图。现在参考图3，示例性数字转发器单元202适应性地与任何数目的上行链路天线303A-N和任何数目的下行链路天线315A-N通信，以便分别对上行链路波束204A-N和下行波速216A-N进行数字处理。如上所述，尽管在各种替换实施例中可以除去下变频器208或者将其并入转发器单元202中，但是在各种实施例中可以对上行链路波束204进行下变频以便允许以适当的频率进行采样和A/D转换。

可以用在卫星通信中所使用的任何传统的天线来实现上行链路和下行链路天线303和315。在各种实施例中，用具有任何数目的可独立寻址的发射/接收元件的数字或模拟波束形成天线来实现天线303和315。这样的天线的示例包括从Boeing Satellite Systems of Los Angeles，California和其它公司可以得到的各种点波束碟形天线、多波束反馈天线、直接辐射阵列天线和/或相控阵列天线。

数字转发器单元202适应性地提供星载的交换和子信道路由功能。因为在转发器单元202中以数字方式路由信号，所以通常可以提供可变的子信道带宽，而信号质量的下降可以忽略不计。可以在轨道上对信道宽度、间隔(spacing)和交换进行进一步编程或否则修改，并且可以可选地给输出子信道的一些或全部适当地配置可命令的(commandable)下行链路电平控制。如以下更充分地描述的那样(例如，结合图10)，进一步的实施例也可以使上行链路的连接性最优化。

如在图3的示例性实施例中所示，数字转发器单元202适应性地包括数字信道化器模块302、数字交换矩阵(switch matrix)304、数字合并器306和数字再生模块308。图3中示出的各个模块和子系统意指逻辑结构，实际上，可以用物理硬件和/或软件部件的任何组合来实现每个子系统。例如，每个上行链路波束和/或子带频谱可以具有一个或多个与之有关的相应的处理卡或“片(slice)”，各个卡中的每个通过公共背板总线通信。以下结合图4来描述这样的实施例。或者，在大量替换实施例中，在各个卡、模块或部件之间可以共享各种功能和信道分配。

信道化器302包括任何数字电路和/或软件模块，所述数字电路和/或软件模块能够接收在上行链路波束204上接收的子带频谱的数字表示，并且能够将子带频谱分成任何数目的等同或不等同尺寸的频率‘片’310。如以下所描述的那样，因为可以独立于在子带频谱中的其它片和段而容易地路由片310中的时或码分多路复用的信息段，所以片310在此也称为“分组”。在各种实施例中，用专用集成电路(ASIC)来实现数字信道化器模块302。使用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术等形成的示例性ASIC从International BusinessMachines of Armonk，New York或其他公司可以得到。

交换矩阵304是能够在各个端口312之间适当地引导频率片310的任何硬件和/或软件结构。在各种示例性实施例中，用与每个子带或处理卡有关的一个或多个交换ASIC来实现交换矩阵304，如以下所描述的那样，矩阵304中的每个ASIC由共享总线或其它通信介质互连。例如，各个ASIC可以是定制的集成电路，或者可以用已经被适应性地编程的现场可编程门阵列(FPGA)来制造，以便在交换矩阵304中适当地存储和/或转发数字数据。

端口312是能够接收频率片310以用于随后的处理的任何硬件或软件结构(例如，存储器位置、总线地址、Unix-型插座(socket)端口或其它物理或逻辑结构)。交换矩阵304可以提供波束中和/或波束间的点对点、多波和/或广播交换。例如，在图3中所示的示例性实施例中，将频率片310A显示为直接被映射到端口312A，其与和片310A相同的子带频谱204有关。或者，可以将一个或多个片310映射到与一个或多个其它波束204有关的端口312。例如，图3示出映射到用于波束中的多播的端口312B的片310B，映射到在不同波束上的多个端口312C的片310C以便显示波束间的多播的示例。因为以数字方式执行这样的交换，所以一般很少有或没有信号劣化发生。

再生模块308是能够进一步处理在各个频率片310中编码的数字数据的任何硬件和/或软件结构。在一个示例性实施例中，这样的处理由一个或多个固定的ASIC或嵌入在有效载荷300中的可编程芯片314来执行。因为已经由信道化器以数字方式处理了频率片310，所以在发射之前可以使用任何适合的算法或技术经济地解调、进一步处理和再调制在每个片310中编码的各种比特流，而无需大量重复昂贵的采样和滤波功能。在信道化和再生体系结构之间的这种协同(synergy)实现两种类型的处理：共享重叠的功能和共存，而无需临时的检测可能要求的电路的全部复制。可以执行的数字处理的类型包括接入验证、加密、码分多路复用(例如，CDMA)、数据再生(即，破坏的或不清楚的数据的恢复)、压缩、分组交换和/或任何其它数据处理。解调/再调制可以在信道化/路由过程中的任何时刻进行，并且再调制不需要在由再生模块308进行的任何处理之后立即进行。例如在再调制之前可以对所解调的数据进行信道化和/或路由，或者否则进行适当的处理。例如在图3所示的示例性实施例中，将频率片310E显示为被路由至与和另一波束204B有关的可选的可编程调制器314B有关的端口，以进行处理。

合并器模块306是能够将不同的频率片重新组合进新子带216的任何硬件和/或软件结构。在将频率片310路由至适合的端口312和/或否则按照需要对其进行处理之后，在重新发射之前适应性地合并在与每个下行链路波束216有关的不同的端口312处接收的数据。由数字-到-模拟转换器(DAC)316将重新合并的子带转换成可以在下行链路天线315上发射的模拟信号。

然后，在操作中，数字转发器单元202适应性地从不同的上行链路波束204接收子带频谱，将所述子带频谱分成可以跨越不同的波束被单独路由的频率片，提供任何期望的附加处理(例如，信号重建、加密等)，并且重新合并不同的片以产生新的下行链路波束216。通过可以对数字化信号和数据分组执行的附加数字信号和数据处理，极大地提高了单元202的总容量。而且，效率使系统300的有效带宽与类似的基于模拟电路的系统相比极大地增加，利用其可以将用户信号和数据一起打包以便装配进具有最小不可用段的可用带宽中。这是因为信号和数据可以在相对小的段中而不是在固定尺寸的端到端的电路中进行处理。就带宽、功耗和其它因素而言，系统300的总效率极大地增加，因为对一个波束(或波束的部分)204的附加容量的需求可以通过来自相同的或另一波束的额外可用容量来满足。

现在参照图4，数字信号处理(DSP)有效载荷400的示例性硬件实现适应性地包括适当地安装有各种处理卡404、406的箱402。箱402一般包括：任何数目的插槽，用于容纳各种卡；以及背板总线，用于方便在不同的卡上的部件之间的数据传输。箱402也可以具有适合的接线(connect)，用于向每个卡404、406提供电力。

因为不同的实施例可以包括任何数目的处理卡，所以DSP有效载荷400通过简单地增加或从箱402中去除处理卡，容易地按比例增加或减小为任何尺寸的实现。例如，各种实现可包括任何数目的转发器卡404以及一个或多个资源管理卡406。为了防止一个或多个卡在工作过程中可能失效，也可以提供冗余(备份)卡。在一个实施例中，箱402支持三个有源转发器卡404和资源管理卡406，以及备份转发器卡和备份管理卡。

安装在箱402中的每个卡404、406适应性地与背板总线接口以便进行卡间的数据通信。尽管可以使用任何总线设计，但是示例性实施例可以使用诸如外围设备元件接口(PCI)总线、VMEbus之类的工业标准总线体系结构，或在各种IEEE、ARINC、MIL-STD和/或其它商业的和/或军事的通信标准中所描述的任何其它总线。在一个实施例中，背板总线是基于从InternationalBusiness Machines of Armonk，New York可以得到的匹配阻抗UNILINK交换结构的。

与有效载荷400一起工作的各种转发器卡404一般包括能够支持一个或多个输入信道的一个或多个输入，以及到背板总线的接口、适合的处理电路和任何数目的输出。在许多实施例中，可以提供具有六个或更多540MHz的输入信道的输入和输出片，尽管其它实施例可以具有工作在任何频率上的任何数目的信道。各种实施例可以包括任何数目的输入和/或输出片(例如，1-7个输入和1-7个输出)；输入片的数目不需要与输出片的数目匹配。而且，转发器卡404一般包括微控制器、数字信号处理器或其他处理器，以及分布式数据交换部分(dada switch)和用于向卡供电的相关电路。尽管可以将任何处理器用于各种实施例，但是一个示例性实施例在转发器卡404和资源管理卡408二者上使用PowerPC 750处理器。可以在多个卡404、406之间共享交换矩阵304(图3)的数据处理和其它功能，以便进一步改善系统400的冗余和工作量的分担。

参照图5，以逻辑形式将示例性DSP有效载荷500显示为包括由数据交换部分510互连的任何数目的信道501A-n。每个信道501通常适当地对应于在上行链路波束204上接收的一个子带频谱。可以在上述的公共数据处理卡404上处理任何数目的信道501。有效载荷500也适当地包括电源518、遥测和命令(T&C)处理520和时钟产生/分配522功能。可以由一个或多个资源管理卡406(图4)来提供，或者可以在一个或多个数据处理卡404之间共享T&C处理520和/或时钟产生522功能。

每个信道501适应性地包括用于以数字方式处理所接收的信号的不同的模块。在图5中所示的示例性实施例中，首先在502处对从上行链路天线接收的模拟基带信号进行滤波和A/D转换，以便产生可以被进一步处理的数字等同物。如以上所述，可以在有效载荷500中进行滤波和D/A转换，或者可以在位于天线附近的单独的D/A转换器中进行滤波和D/A转换以减小信号噪声、干扰和错误或失真的其它来源。例如，可以对数字基带信号进一步滤波504或者否则例如对其整形/处理以获得期望的数字子带频谱。可以在解调模块506处适当地解调这些数字信号。解调器506适应性地以可变的速率工作以适应来自变化的数据源的不同数据类型和协议。然后将所解调的信号解码、解扰或否则经处理506为可以被分组(packetized)、路由和/或否则处理的数字比特流。解码模块508适应性地与T&C模块520通信，其收集关于数据的信息并提供命令指令以便按照需要处理所述数据。可以将所解调的数据信道化并将其从有效载荷400的任何输入端口路由至任何输出端口。如以上结合图3所述，交换部分510通过将所解码的分组数据的不同的片映射至一个或多个交换部分输出端口，从而适应单独的分组和/或电路的交换和路由。

在由交换部分510进行路由之前、期间或之后，可以对所解码的数据分组进行附加的处理。可以实现的各种类型的处理的示例包括加密/解密、接入控制/鉴权、数据压缩/提取、协议转换、信号再生、纠错等。因为所解码的数据分组仅仅是数字比特流，所以在再调制和D/A转换之前可以对数据进行任何类型的处理。可以由T&C模块520和/或在任何转发器卡404或资源管理卡406(图4)上的其它处理器来控制和/或执行这样的处理。

在数字处理和路由之后，适当地重新组合和格式化512各种数字分组/片。然后在在下行链路波束上进行传输之前，由模块514对重新组合的分组进行加密、编码、多路复用、再调制或否则处理。DSP有效载荷500也可以包括滤波和D/A转换功能516，或者可以在物理上更接近于下行链路天线处进行D/A转换以便减小噪声、失真等。

在图6中提供具有三个多端口DSP处理片406A-C的数字有效载荷600的示例性实现的附加细节。参照图6，数字有效载荷600适应性地包括任何数目的DSP片406，除了可选的再生模块616以外，DSP片的每个包括ADC604、信道化器608、数字交换结构622、数字合并器610和DAC 612。每个片406也包括电源电路618，用于适当地向各个片部件提供电能。如以上结合图3所述，可以以专用集成电路或硬件和/或软件的任何其它组合来实现各个数据处理部件中的每个。

如上所述，每个处理片406从上行链路天线接收子带频谱或其它输入信号。虽然在图6中这些子带频谱被显示为560MHz的频带，以4个带为一组提供在输入端口602处，但其它实施例可以处理不同数目的信道和/或改变带宽的信道。在片618处接收输入信号中的每个，其中由ADC 604将所述信号转换为数字等同物。可以以任何方式将这些数字等同物提供给信道化器电路608。在图6中所示的实施例中，通过8位并行数据连接来提供数字等同物，尽管替换实施例可以使用通过任何串行和/或并行连接所传送的任何等级的位分辨率(bit resolution)。通过由背板总线620/624互连的各个交换电路622来路由信道化数字比特流。如图6所示，UNILINK-型数据总线将各个交换ASIC 622耦合成一系列级联的逻辑环，通过交换互连线624和返回(return)总线620以线性方式进行数据传输。在替换实施例中，可以以任何网孔(mesh)、网形、星形、线形、环形或其它方式互连各个交换ASIC 622。然后在ASIC 610处重新组合所交换的频率片310和/或由再生ASIC 616适当地对其进行数字处理。然后可以D/A转换612重新组合的信号，并适当地将其通过输出端口614提供给下行链路天线。

使用图2-6中所示的结构和逻辑构造，可以容易地制造出具有变化容量的数字有效载荷。参照图2，数字有效载荷202的一个实施例在有效载荷202中提供路由和数据重建功能，以及可选地调整输出功率，提供输出线性化，调整输出功率和/或监控业务和/或带宽利用。例如，可以通过对被提供给下行链路波束的数据预补偿在下行链路传输过程中观察到的失真，来提供所述输出线性化。可以响应于观察到的实际失真、地面天气情况和/或其它因素，而对此预补偿进行在轨可编程修改。类似地，可以按照需要可编程地向上或向下调整各个下行链路波束的输出功率，以便补偿天气变化、进展的技术或其它因素。

现在参照图7，有效载荷202的进一步的实施例700适应性地提供适当增强的模块化数据处理能力。这种数据处理能力一般由再生模块308(图3)和/或T&C处理器520(图5)来处理或控制。因为可以解调各个数字频率片310(图3)以提取原始比特流，所以数字有效载荷202接入信道化的信号，从而允许处理和操纵所述信号以实现在卫星环境中不易得到的附加特征。数据处理能力的示例包括具有附加排队的分组交换、前向纠错(例如，使用校验和、CRC、摘录(digest)或其它纠错技术)、基于码的多路复用(例如，码分多址(CDMA))和/或通过用户鉴权、接入授权、数据加密和/或类似的过程而得到的增强的安全性。增强的安全性的示例包括网络注册和/或使用数字机密(例如，密码、数字签名等)的接入控制。

在另一个实施例中，可以将有效载荷202的数字信号处理能力扩展至包括直接的波束形成，实质上是产生如图8所示的全数字卫星有效载荷800。这样的实施例一般不需要下变频或输出多路复用能力，其原因是数字有效载荷202能够直接与相控阵列和/或其它天线互操作，以便处理上行链路数据并形成准备用于发射的下行链路波束。在这样的实施例中，数字有效载荷202从输入放大器206接收模拟基带信号，并以模拟形式向输出放大器802提供输出信号。输出放大器可以是固态功率放大器(SSPA)或任何其它适合的放大器。因为在有效载荷800中以数字方式进行所有数据处理，所以极大地增强了诸如直接点对点路由、发射功率和覆盖范围最优化、抗人为干扰功能(例如，使无效(nulling))等那样的能力。

例如，使无效一般涉及在天线处检测敌意信号并立即以“无效(null)”信号反干扰，以便与友好信号相比而最小化敌意信号的能量。因为数字有效载荷202能够形成独立的下行链路波束并调整输出波束的功率，所以可以通过产生期望的对准敌意源的下行链路信号，来在有效载荷202中直接实现使无效功能。而且，可以从所接收的上行链路信号中以数字方式提取敌意信号，和/或可以使用接入限制来进一步保证在有效载荷202中的数据传输的安全。

上述的体系结构为设计、构建和操作卫星提供平台，并且为期望的特定应用而定制这种卫星的性能。例如，可以使波束覆盖范围和频率二者是可变的并可以在轨对它们进行改变。而且，使信道化和再生功能二者都可用，并且可以当卫星在轨道中时增强或改变这些功能。而且，被设计到该系统中的灵活性在保持充分的通信灵活性的同时允许高度的频率再使用。

因为在数字有效载荷202中可以容易地实时在轨监控和调整各种有效载荷资源(带宽、功率等)，所以例如可以使开发利用有效载荷资源的新技术得以实现。如上所述，可以监控带宽和其它资源(例如，通过图5中的遥测和命令模块520等)以便将额外的资源重新指定到其它波束、信道或需要这种资源的片。

参照图9，用于在有效载荷202中重新分配的资源的示例性过程900适应性地包括以下主要步骤：确定初始分配(步骤902)；监控资源使用(步骤904)；并按照需要向上(步骤906和908)或向下(步骤910)调整资源分配。尽管图9将带宽称为正在被分配的特定资源，但是各种等同实施例可以分配诸如电功率、天线覆盖范围等那样的其它资源。

过程900以卫星资源的初始分配(步骤902)开始。初始分配可以基于历史的或仿真的数据、过程900先前的重复、实验数据和/或任何其它因素。然后通过各种链接、信道、片或其它相关的资源来监控资源使用(步骤904)，以便识别额外的容量(步骤910)或过度利用(over-utilized)的容量(步骤906)。例如就带宽而言，可以监控信道的一些或者全部，以便识别具有高于或低于某个阈值的带宽利用的特定信道。可以以实验方式或根据历史数据或者否则可以以任何方式来确定所使用的特定阈值。或者，可以将各个信道的实际或估计的资源利用保持在表格或其它数据结构中。然后可以适当地重新指定在一个或多个未充分利用的信道中所识别的额外容量(步骤912)由过度利用的信道使用(步骤908)。相反，既没有过度利用也没有未充分利用的信道可以不受影响(步骤914)。图9中所示的过程900目的主要是概念性的，实践中，可以将任何资源监控和重新分配过程用于大量替换实施例中。

在轨资源重新分配的概念使得带宽提供商组织的各种新商业方法得以实现。例如，可以给客户提供可变的带宽服务，其比“转发器电路”购买模型更加独特地根据客户的实际需要来定制。例如，可以根据所消费的实际带宽/发射功率和所覆盖的地理区域灵活地对客户收费，而不是客户在合同期间的不同时间对由客户可能过度和/或未充分利用的固定尺寸和功率的不灵活的“管道(pipe)”付费。或者，可以收回被分配至各个电路连接的“额外的(excess)”或未使用的带宽和发射功率，并将其用于其它应用或客户。

图10的数据流程图中示出由灵活的卫星体系结构所实现的另一种过程1000。过程1000允许各部分独立地控制卫星资源的一部分从而按照需要分配资源。现在参照图10，在一个或多个资源管理器1006A-C中分配和指定卫星资源1002的一块，所述资源管理器负责将所述资源细分给在所述管理器的域中工作的各个实体1008A-C。尽管在图10中未示出，但是在替换实施例中子实体(sub-entity)可以进一步将所述资源细分给其它实体(或多个次级实体)。例如，管理器1006可以是战地控制器，其可以在其控制内的单元中动态地指定卫星带宽。例如，如果单元被指定了固定量的带宽，那么控制器可以在短期时间内将大部分带宽临时指定给一个单元(例如，具有摄像机的无人驾驶的空中飞行器)，以便允许传输可视图像、大数据文件等。在对带宽的需要下降之后，可以将该带宽重新分配至其它单元以用于增强的语音、数据或其它业务。尽管该一般概念也可以用于公司、工业、娱乐或其它政府环境，但是这样的灵活性对于网络中心操作(NCO)和其它军事目的可能特别有用。可以通过向各个管理器1006和其它实体1008指定数字凭证(例如，密码证书(cryptographic certificate)等)并将各种证书与在有效载荷202中(例如在T&C模块520等中)的接入表(access table)或其它数据结构相关联，来在数字有效载荷202(图2-8)中增强接入控制。可以在大量等同实施例中规划许多其它分配方案和技术。

在各种进一步的实施例中(并参照图11)，可以将数字有效载荷202与能够投影多个点波束的多波束相控阵列或类似的天线组合，以便进一步增强卫星1100的灵活性。在这样的实施例中，可以在多个下行链路点波束1106上重新使用子频带，从而提高带宽效率。也可以提供一个或多个广播波束1104。可以精细地处理(tailored)和聚焦这些点波束以便只在期望的区域中提供带宽，并且这些点波束也可以促进进一步提高安全的跳频技术。

因此，由于在卫星工作期间的所有时间上卫星的全部带宽(或其它资源)变得可用，所以可以动态地提高卫星的总效率。这有效地提供了可以出售或出租的附加资源容量，从而极大地增加了从数字有效载荷中可以得到的收入流。而且，附加的数字处理特征(例如，安全、数据再生、码多路复用等)进一步提高了卫星的有用性和价值。而且，在设计、制造期间和/或在轨道上重新配置数字有效载荷的能力，由于减小在这种技术中的长期投资风险，而给客户提供甚至更多的益处。因为可以在轨重新配置卫星，以便在任何频率上发射、接收和处理波束并承载任何类型的数据波形，所以该体系结构使大量的应用和比先前可以得到的产品的寿命长得多的产品寿命得以实现。

尽管在前面的详细描述中已经给出了至少一个示例性实施例，但是应该意识到存在大量的变化。尽管结合通信卫星屡次描述了该发明的各个方面，但是例如这里所描述的各种技术和系统可以容易地实现在其它环境中，所述其它环境包括航空、汽车或海洋通信、蜂窝或其它类型的地面通信、或在任何其它环境中。也应该意识到示例性实施例或多个示例性实施例仅仅为示例，并无论如何不意欲限制本发明的范围、应用性或配置。前面详细的描述将为本领域的技术人员提供实现示例性实施例或多个示例性实施例的方便的路线图。在不偏离在所附权利要求和它们的合法等同物中所阐述的本发明的范围的情况下，可以对部件的功能和布置进行改变。例如，在所附权利要求中所描述的方法、过程和技术的各个步骤可以以暂时的顺序实施，或者可以同时实施在不同的等同实施例中。

Claims (10)

1.一种用于在通信卫星[200、1100]上处理在上行链路波束[204]上所接收的子带频谱的数字有效载荷[202、300、500、600]，该数字有效载荷包括：

数字信道化器[302]，其被配置为将子带频谱分成多个频率片[310]；

数字交换矩阵[304]，其被配置为将多个频率片中的每个路由至多个接收端口[312]中的至少一个；和

数字合并器[306]，其被配置为与接收端口通信以便接收多个频率片，并且重新组合多个频率片，从而形成多个输出子带以用于在通信卫星的输出波束[216]上传输。

2.如权利要求1所述的数字有效载荷，还包括数字再生模块[308]，其被配置为解调子带频谱的至少一部分，以便从其提取数字比特流，以数字方式处理所述比特流，并在处理之后重新调制所述比特流。

3.如权利要求1或权利要求2所述的数字有效载荷，还包括模拟到数字(A/D)转换器，其被配置为接收上行链路波束并从其产生子带频谱。

4.如权利要求3所述的数字有效载荷，其中A/D转换器被进一步配置为以IF频率速率采样上行链路波束。

5.一种处理以通信卫星的数字有效载荷在上行链路波束上所接收的子带频谱的方法，该方法包括以下步骤：

将子带频谱以数字方式分成多个频率片；

将多个频率片中的每个路由至多个接收端口中的至少一个；以及

以数字方式处理频率片的至少一部分；以及

在处理之后以数字方式重新组合多个频率片的该部分，从而形成多个输出子带以用于在通信卫星的输出波束上传输。

6.如权利要求5所述的方法，还包括以下步骤：

监控子带频谱以便识别在带宽消耗中的变化，并且响应于所述变化而调整路由步骤，由此提高数字有效载荷的效率。

7.如权利要求5或6所述的方法，其中数字处理步骤包括对频率片的所述部分进行纠错。

8.如权利要求5-7中的任何一项所述的方法，其中数字处理步骤包括对频率片的所述部分进行码分多路复用。

9.如权利要求5-8中的任何一项所述的方法，其中数字处理步骤包括对频率片的所述部分进行接入控制。

10.一种接收多个上行链路波束[204]并产生多个下行链路波束[216]的卫星[200、1100]，所述卫星包括：

上行链路天线[303]，其被配置为接收多个上行链路波束；

下行链路天线[315]，其被配置为产生多个下行链路波束；和

模拟到数字(A/D)转换器[502、604]，其被配置为将上行链路波束转换为数字上行链路等同物；

其中，所述卫星的特征在于全数字有效载荷，该全数字有效载荷包括：

数字信道化器[302]，其被配置为接收所述数字上行链路等同物，并将所述数字上行链路等同物分成多个频率片[310]；

数字交换矩阵[304]，其被配置为将多个频率片中的每个路由至多个接收端口[312]中的至少一个；和

数字合并器[306]，其被配置为与接收端口通信以便接收多个频率片，并且重新组合多个频率片，从而形成多个数字输出子带；和

数字到模拟(D/A)转换器[316]，其被配置为将数字输出子带转换为由下行链路天线发射的下行链路波束。

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