DE1950095B2 - Verfahren zur synchronisation eines tdma-satelliten-nachrichtenuebertragungssystems - Google Patents

Description

Γ)

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Synchronisation eines TDMA-Satelliten-Nachrichtenübertragungssystems, bestehend aus zwei und mehr über einen Satelliten miteinander in Verbindung to stehenden Erdestationen.

Bei dem TDMA-System handelt es sich um einen Zeitvielfachzugriff (time division multiple access) für das Satellitensystem (multiple access satellite communication system). v>

Seit den letzten Jahren ist es beabsichtigt, für Satclliten-Nachrichtenülbertragungssysteme ein derartiges TDMA-System zu verwenden. Bei diesem wird die Übertragung in der Weise ausgeführt, daß in einem Pulsrahmen F im Satelliten mit einer Zeitdauer von in der Regel 125 us in der Zeil eines ersten Zeitabschnitts TS1 ein Impulsbündel (burst) B1 eines ersten Amtes, in der Zeit eines zweiten Zeitabschnitts TS2 ein Impulsbündel (burst) B 2 eines zweiten Amtes und in der Zeit TS 3 ein Impulsbündel B 3 eines dritten Amtes unter Einschiebung einer Schutzzeit (guard time) G derart auf der Zeitachse t angeordnet werden, daß diese Impulsbündel (burst) nicht übereinanderliegen, wie es in F i g. 1 dargestellt ist. Deshalb soll in jedem Pulsrahmen jedes Amtes während eines bestimmten Zeitabschnitts to sein Impulsbündel (burst signal) aussenden.

Das Impuisbündel (burst) jedes Amtes besteht in der Rege! aus einem Milfssigna! P, das ein Unterscheidungssignal des Amtes, ein Gleichlaufsignal, ein Abfragesignal usw. enthält, und aus einem Informationssignal /, wie b5 beispielsweise einem Gespräch.

Der Inhalt jedes Impulsbündels (burst) wird in der Regel durch ein digitales Signal gebiidet, und jede

Information stellt im allgemeinen ein PCM-Zeichen dar.

Um dieses digitale Signal auszusenden, wird die Sendeträgerwelle (Mikrowelle) moduliert. Für dieses Modulationssystem sind zwar verschiedene Verfahren bekannt jedoch ist das PSK-System das am häufigsten verwendete. Bei diesem System wird die Phase der Trägerwelle entsprechend dem Wert des digitalen Signals (»1« oder »0«) geändert (phase shift keying system). Um einen möglichst geringen Bit-Fehler zu erhalten, ist für die Demodulation auf der Empfangsseite das sogenannte Synchrondemodulationssystem verwendet. Hierbei ist es erforderlich, daß von dem ankommenden Signal die Trägerwelle regeneriert wird, um die Synchrondemodulalion auszuführen.

Die Technik dieser Trägerwellenregeneration stellt einen der Kerne des digitalen Satelliten-Nachrichtenübertragungssystems dar. Hierfür sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, wobei es sich insbesondere um die folgenden Verfahren handelt:

a) Verfahren, bei denen ein Synchronoszillator vorgesehen ist, dessen Oszillatorfrequenz in der Trägerfrequenz jedes ankommenden Impulsbündels (burst) nacheinander mitgezogen wird.

b) Verfahren, bei dem ein Synchronoszillator entsprechend der Zahl des Impulsbündels (burst), d. h. entsprechend dem Amt, mit dem die Sprechverbindung herzustellen ist, getrennt vorgesehen ist und die Trägerfrequenz für jedes Amt regeneriert wird.

c) Verfahren, das zwischen dem Verfahren a) und b) steht.

Nach dem Verfahren a) muß zwar ein Synchron-Mitzieh-Oszillator mit hoher Geschwindigkeit vorgesehen werden, seine Konstruktion ist jedoch einfach. Ein Nachteil besteht darin, daß aus Gründen einer sehr schnellen Mitziehzeit notwendigerweise eine große Bandbreite vorgesehen werden muß und der Geräuschabstand der regenerierten Trägerwellen ungenügend ist.

Nach dem Verfahren b) ist in jedem Amt ein getrennter Oszillator vorgesehen, so daß die Mitziehung nicht mit so großer Geschwindigkeit durchgeführt werden muß. Dadurch wird die Synchronisation in einem schmalen Frequenzband ermöglicht und eine genügende Verbesserung von S/N erreicht. Die Konstruktion zur Durchführung dieses Verfahrens ist jedoch kompliziert und wegen des schmalen Frequenzbandes wird bei der großen Frequenzschwankung des ankommenden Signals die Mitziehung gegebenenfalls unmöglich. Da das Verfahren b) zwar, wie oben erwähnt, Nachteile aufweist, aber sein Wirkungsgrad gut ist, ist es für Satelliten-Nachrichtenübertragungssysteme vorteilhaft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Frequenz jedes ankommenden Impulsbündels (burst) möglichst konstantzuhalten, Frequenzschwankungen zu unterdrücken und die obengenannte Synchromnitziehung zu erleichtern.

Ausgehend von einem Verfahren zur Synchronisation eines TDMA-Satelliten-Nachrichtenübertragungssystems, bestehend aus zwei und mehr über einen Satelliten miteinander in Verbindung stehenden Erdestationen, bei dem die Frequenz dts auf einer Erdestation empfangenen, vom Satelliten ausgesendeten Pulsrahmens mit der Sollfrequenz eines Bezugsoszil lators verglichen und in Abhängigkeit des ermittelten Frequenzfehlers die Sendefrequenz dieser Erdestation korrigiert wird, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in einem ersten

Reeelschritt einer lediglich auf die Empfangsseite einer F destation beschränkten ersten Reg?!schleife die nfangsseitige Zwischenfrequenz dadurch konstanthalten wird, daß über einen Frequenzvergleieh des Iwischenfrequenzsignals mit der Frequenz eines sta- ·-, tionseigenen Bezugsoszillators der Überlagerungsoszillator des Empfangsmischers in seiner Frequenz teuert w'rd und daß in einem zweiten Regelschritt ^ ex den Satelliten mit einschließenden zweiten Regelschleife zusätzlich der Frequenzfehler zwischen w Her Sendefrequerz der Bezugserdestation und der betreffenden Erdestation dadurch ausgeregelt wird, daß über einen Frequenzvergleich der Frequenzen der zugehörigen, auf der Empfangsseite der betreffenden Eijestation vorhandenen Synchronoszillatoren die ι Sendefrequenz dieser Erdestation gesteuert wird.

Durch die DT-PS 12 69 687 ist zwar ebenfalls ein Frequenzregelverfahren für ein Nachrichtensystem mit Satelliten bekannt, bei dem zwei Regelschleifen zur Anwendung kommen. Abgesehen davon, daß sich das ; bekannte Frequenzrege'.verfahren auf ein mit Frequenzvielfach arbeitendes Nachrichtensystem bezieht und zur Durchführung der Regelung von einem Pilotsignal Gebrauch machen muß, unterscheiden sich auch die Regelschleifen dadurch, daß bei dem bekannten Frequenzregelverfahren die erste Regelschleife für die Grobregelung den Satelliten mit einschließt ur,d die zweite, die Feinregelung durchführende Regelschleife auf das Empfangsteil einer weiteren Erdestation beschränkt ist, mit der die in die erste Regelschleife einbezogene Erdestation in Verbindung treten will.

An Hand von den in der Zeichnung angegebenen schematischen Darstellungen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

Fig. 1 ein bereits erläutertes Zeitdiagramm der zu einem Pulsrahmen zusammengefaßten Impulsbündel

(burst),
Fig.2 ein die Frequenzschwankungen in einem er·

Satelliien-Nachrichtenübertragungssystem näher läuterndes Schaubild,

Fig. 3 das Blockschaltbild einer nach dem Verfahren nach der Erfindung arbeitenden Erdestation.

An Hand der F i g. 2 werden die Gründe für die Frequenzschwankung im Satelliten-Nachrichtenübertragungssystem erklärt. In dieser Figur bedeuten Seinen Satellit, AR eine Empfangsantenne des Satelliten, AT eine Sendeantenne des Satelliten, 77>den Antwortsender (transponder) des Satelliten, E1, £2, £3 Erdestationen, A\, A2, A3 Antennen dieser Erdestationen, T Sender und R Empfänger der Erdestation.

Die Gründe für die Frequenzschwankung, die im Sateiliten-Nachrichtenübertragungssystem auftreten kann, besteh-n in folgenden fünf Punkten: 1. Frequenzschwankung des Senders Γ der Erdestation: Δ fr, 2. Frequenzschwankung durch den Antwortsender TP im Satellit S: Δ fs; 3. Frequenzschwankung durch eine Doppler-Verschiebung.die in einer von der Erdestation bis zum Satelliten verlaufenden Strecke (up link) auftritt: Af,i;4. Frequenzschwankung durch die Doppler-Verschiebung, die in einer von dem Satelliten bis zur Erdestation verlaufenden Strecke (down link) auftritt: Δίο; 5. Schwankung der Überlagerungsoszillatorfrequenz im Empfänger Rder Erdestation: Af_R.

Von den obengenannten Punkten treten die unter 1. und 3. genannten Schwankungen im Impulsbündel (burst) jedes Amtes verschieden auf, so daß sie eine Frequenzschwankung zwischen jedem lmpulsbundel , (burst) darstellen. Die unter 2., 4. und 5. genannten Schwankungen stellen keine Frequenzschwankung zwischen jedem Impulsbündel (burst) dar, da das lmpulsbi.ndel (burst) jedes Amtes einer gleichen Schwankung unterworfen wird.

5 Nachstehend wird für ein zur Zeit verwendetes Frequenzmodulationssystem ein Beispiel gezeigt aus dem sich ergibt, wie jede obengenannte Schwankung auftritt.

Grund Frequenzschwankungsmaß Bemerkungen

Δ fr ± 5 ■ 10-V5 Jahre = ±30 kHz/5 Jahre -j- 2 · 10-^b = + 12 kHz/Monat

4/12,5- 10-⁵ ± 5OkHz

Δ fv ±2 kHz
Δί_υ± 1,2 kHz

Δ fit ± 5 · 10-⁶ = ±20 kHz/5 Jahre H- 2 · 10-^b = ± 8 kHz/Monat

In diesem Beispiel beträgt das maximale Schwankungsmaß bei 1. und 3. zwischen jedem Impulsbündel (burst) ±32 kHz und die gemeinsame Schwankung beträgt 71,2 kHz. Da diese Werte zu groß sind, müssen sie komprimiert werden. Erfindungsgemäß werden diese Werte so korrigiert, wie es im Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 näher erläutert ist.

In Fig.3 stellen die Bauteile, die' mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 2 bezeichnet sind, die gleichen Gegenstände dar. Jede Erdestation £ 1, £0 und £2 stellt jeweils über den Satelliten S eine Sprechverbindung her, wobei in der von der Erdestation bis zum Satelliten verlaufenden Strecke (up link) das 6-GHz-Rand und in der vom Satelliten S bis zur Erdestation Beispiel für die Kenndaten der Erdestation Überlagerungsoszillator im 6-GHz-Band Beispiel für den gemessenen Wert des Satelliten Überlagerungssoszillator im 2-GHz-Band stationäre Bahn mit einer Steigung von 10° stationäre Bahn mit einer Steigung von 10° Beispiel für die Kenndaten der Erdestation Überlagerungsoszillator im 4-GHz-Band

->5 verlaufenden Strecke (down link) das 4-GHz-Band verwendet wird und in dem Satelliten die Frequenzumwandlung vom 6-GHz-Band in das 4-GHz-Band und die Verstärkung durch den ausgerüsteten Antwortsender TP ausgeführt wird. Jede Erdestation £1, £0 und £2

bo weist die gleiche Konstruktion wie die Erdestation £ in Fi g. 3 auf.

Diese Erdestation £1 enthält einen Empfangsfrequenzkonverier 1, einer. Zwischenfrequenzverstärker 2, einen Demodulator 3, einen Empfangsüberlagerungsos-

b5 zillator 4, einen Verstärker 5, einen Frequenzvergleicher 6, einen Bezugsfrequenzoszillator 7, Synchronoszillatoren 8, 9 und 10, einen Frequenzvergleicher 11, einen Hochfrequenzverstärker 12, einen Sendefrequenzkon-

verter 13, einen Sendeüberlagerungsoszillator 14, einen Modulator 15, einen Verstärker 16, ein Suchteil 17 und einen Schalter 18.

Ein von der Antenne Al der Erdestation Ei empfangenes Signal wird durch den Empfangsfrequenzkonverter 1 mit dem Signal des Empfangsüberlagerungsoszillators 4 gemischt, in eine Zwischenfrequenz umgewandelt, durch den Zwischenfrequenzverstärker 2 verstärkt und dann dem Demodulator 3 zugeführt. Andererseits werden dem Demodulator 3 Ausgangsleistungen der Oszillatoren 8,9 und 10 zugeführt, die jeder Erdestation EO, Et (eigenes Amt) und E2 zugeordnet sind und deren Oszillatorfrequenz im Impulsbündel (burst) jeder Erdestation in die Trägerfrequenz (in die Zwischenfrequenz umgewandelt) jeweiliger Erdestation mitgezogen ist.

Im Demodulator 3 wird die obengenannte Zwischenfrequenz auf die Oszillatoren 8, 9 und 10 normiert, der Synchrondemodulation (Trägerwellenregeneration) und der Phasendemodulation unterworfen, in ein digitales Zeichen umgewandelt und dann in eine analoge Information decodiert. Das auszusendende Informationssignal wird im Modulator 15 in ein digitales Zeichen codiert, der Phasenmodulation unterworfen und dem Sendefrequenzkonverter 13 zugeführt. Dieses dem Sendefrequenzkonverter 13 zugeführte Signal wird mit der Oszillatorfrequenz des Sende-Überlagerungsoszillators 14 gemischt, in eine Hochfrequenz umgewandelt, durch den Hochfrequenzverstärker 12 verstärkt und dann über die Antenne Λ 1 ausgesandt.

Der Sende- und Empfangsteil einer solchen Erdestation wird erfindungsgemäß wie folgt ausgebildet: Zunächst wird der Empfangs-Überlagerungsoszillator 4 im Empfangsteil der Erdestation einer automatischen Frequenzregelung (AFC) unterworfen. In dieser sogenannten ersten Schleife wird die Trägerweile des ankommenden Impulsbündels (burst), die durch den Empfangsfrequenzkonverter 1 in die Zwischenfrequenz umgewandelt ist, durch den Verstärker 2 verstärkt, dann dem Frequenzkonverter 6 zugeführt und dort mit der Ausgangsleistung des Bezugsfrequenzoszillators 7 (beispielsweise Quarzoszillator von 140 MHz) verglichen, der jeder Erdestation getrennt zugeordnet ist. Die Ausgangsleistung dieses Frequenzvergleichers 6 (Differenz aus der Zwischenfrequenz) des obengenannten ankommenden Impulsbündels (burst) und der Oszillatorfrequenz des Bezugsfrequenzoszillators 7 wird dem Empfangs-Überlagerungsoszillator 4 zugeführt und dieser so gesteuert, daß die Ausgangsleistung des Frequenzvergleichers 6 Null wird.

Indem eine solche Rückkopplung durch die erste Schleife erfolgt, wird die Frequenz in der Zwischenfrequenz des von jeder Erdestation ankommenden Impulsbündels (burst) abgeglichen und auf einen bestimmten richtigen Wert gesteuert. Deshalb wird von den obengenannten Frequenzschwankungen die gesamte, jeder Erdestation gemeinsame Schwankungskomponente komprimiert, die auf die Schwankung durch den Antwortsender 2. Afs, die Schwankung durch die Doppler-Verschiebung der Strecke (down link) 4. Δία und die Schwankung des Empfangs-Überlagerungsos^ri zillators 5.Afrzurückzuführen ist.

Gemäß der Erfindung wird ferner der Sende-Überlagerungsoszillator 14 im Sendeteil der Erdestation der automatischen Frequenzregelung (AFC) unterworfen. In dieser sogenannten zweiten Schleife wird die

ίο Oszillatorfrequenz des Synchronoszillators 8, die in die Zwischenfrequenz der Trägerwelle des von einer normierten Erdestation, d. h. von der Erdestation EO in diesem Beispiel, ankommenden Impulsbündel (burst) mitgezogen wird, mit der Oszillatorfrequenz des

ι ■") Synchronoszillators 9, die mit der Zwischenfrequenz der rückgeführten Trägerwelle des eigenen Amtes El synchronisiert wird, durch den Frequenzvergleicher 11 verglichen.

Die Ausgangsleistung des Frequenzvergleichers 11 (Differenz aus den Oszillatorfrequenzen des Oszillators, die mit der Frequenz des normierten Amtes mitgezogen sind, und den Oszillatorfrequenzen des Oszillators, die mit der Frequenz des eigenen Amtes mitgezogen sind) wird ferner über den Verstärker 16 dem Sende-Über-

2) lagerungsoszillator 14 zugeführt, und die Oszillatorfrequenz des Sende-Überlagerungsoszillators 14 wird so gesteuert, daß die Ausgangsleistung des Frequenzvergleichers 11 Null wird.

Auf diese Weise stellt die zweite Schleife eine den

jo Satelliten 5 enthaltende Schleife dar, so daß die Trägerfrequenz, die von jeder Erdestation ausgesandt wird, in der Strecke (down link) derart gesteuert wird, daß die der Trägerfrequenz des Impulsbündels (burst) des normierten Amtes £0 entspricht. Deshalb wird die

r> Frequenzdifferenz zwischen den Impulsbündeln jeder Erdestation komprimiert.

Für die Bildung der zweiten Schleife ist erforderlich, daß für die Trägerwelle des normierten Amtes und die rückgeführte Trägerwelle des eigenen Amtes die

4(i Synchronoszillatoren miteinander synchronisiert sind. Hierbei ist die Synchronisation des eigenen Amtes mit dem normierten Amt leicht, aber für die rückgeführten Frequenzen des eigenen Amtes ist bei der großen Frequenzschwankung der rückgeführten Trägerwelle

4ί die Synchron-Mitziehung unmöglich.

In einem solchen Fall wird der Schalter 18 umgeschaltet, der Suchteil 17 an den Sende-Überlagerungsoszillator 14 geschaltet, die Sendefrequenz de« eigenen Amtes etwa abgetastet und die Synchronisatior

-,o ausgeführt.

Wie oben erwähnt kann die Frequenz des Impulsbün dels (burst) jedes Amtes gleichmäßig geordnet werden indem die ersie und zweite Rückkopplungsschlcifc in Empfangs-Überlagerungsoszillator 4 sowie im Sende

ν-, Überlagerungsoszillator 14 gebildet werden. Hicrdurd wird die Synchron-Mitziehung für die Regeneration dei Trägerwelle erleichtert.

Hier/u 2 HIaIl ZcichniMiücn

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Synchronisation eines TDMA-Satelliten-Nachrichtenübertragungssystems, beste- "> hend aus zwei und mehr über einen Satelliten miteinander in Verbindung stehenden Erdeslationen, bei dem die Frequenz des auf einer Erdestation empfangenen, vom Satelliten ausgesendeten Pulsrahmens mit der Sollfrequenz eines Bezugsoszillators verglichen und in Abhängigkeit des ermittelten Frequenzfehlers die Sendefrequenz dieser Erdestation korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß in einem erstei. Regelschritt einer lediglich auf die Empfangsseite einer Erdestation i> beschränkten ersten Regelschleife die empfangsseitige Zwischenfrequenz dadurch konstantgehalten wird, daß über einen Frequenzvergleich des Zwischenfrequenzsignals mit der Frequenz eines stationseigenen Bezugsoszillators (7) der Überlage- ><> rungsoszillator (4) des Empfangsmischers (1) in seiner Frequenz gesteuert wird und daß in einem zweiten Regelschritt einer den Satelliten (S) mit einschließenden zweiten Regelschleife zusätzlich der Frequenzfehler zwischen der Sendefrequenz der 2 > Bezugserdestation (EO) und der betreffenden Erdestation (Ei)dadurch ausgeregelt wird,daß über einen Frequenzvergleich der Frequenzen der zugehörigen, auf der Empfangsseite der betreffenden Erdestation vorhandenen Synchronoszillatoren (8, 9) die Sendefrequenz dieser Erdestation gesteuert wird.