DE2339455B2

DE2339455B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation der Dopplerfrequenzverschiebung

Info

Publication number: DE2339455B2
Application number: DE2339455A
Authority: DE
Inventors: William Chelmsford Essex Dobson (Grossbritannien)
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1972-07-01
Filing date: 1973-08-03
Publication date: 1978-10-12
Also published as: FR2239825A1; DE2339455C3; DE2339455A1; NL7310878A; FR2239825B1; US3906364A; GB1390084A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Dopplerfrequenzverschiebung eines von einer Sendestation an eine relativ zu dieser bewegten Empfangsstation übertragenen Signals, bei dem das in der Empfangsstation empfangene Signal zur Sendestation zurückgesendet und dort mit einem Referenzsignal verglichen wird, und bei dem danach das Vergleichsergebnis die Frequenz des gesendeten Signals derart steuert daß das an der Empfangsstation eintreffende Signal dem Referenzsignal entspricht, sowie ein Signalübertragungssystem zur Durchführung dieses Verfahrens.

Derartige Frequenzregelverfahren werden nach dem Stand der Technik vorzugsweise bei der Übertragung von Nachrichten über Satelliten als Relaisstationen verwendet Bei der Übertragung von Nachrichten von einer Bodenstation über einen Satelliten als Relaisstation auf eine zweite Bodenstation, unter Verwendung eines breiten Frequenzbandes mit einer Vielzahl von trägerfrequenten Nachrichtenkanälen, ergeben sich dabei verschiedene technische Probleme. Wegen der Verwendung von untersynchronen Satelliten, die sich in bezug auf die Bodenstationen mit beträchtlichen Geschwindigkeiten bewegen, entstehen nämlich bei der Übertragung eines Frequenzbandes beträchtliche Dopplerfrequenzverschiebungen, die überdies über das betrachtete Frequenzband hinweg unterschiedlich sind, so daß sich beim Empfang und bei der nachfolgenden Selektion der einzelnen Nachrichtenkanäle Schwierigkeiten zeigen. Bekanntermaßen kann dabei die durch den Dopplereffekt hervorgerufene Frequenzverschiebung etwa 30 kHz betragen und durch die nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren bis auf eine Restabweichung von etwa 2 Hz kompensiert werden.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Gattung (DE-AS 12 69 687) werden ausschließlich analoge Signale übertragen. Die Frequenzregelung erfolgt dabei in zwei Abschnitten bzw. Stufen: In einer ersten Regelschleife zwischen der Erdstation und der Satellitenstation erfolgt die Regelung des fiktiven HF-Sendeträgers durch Vergleich des gesendeten und vom Satelliten wieder zurückgesandten Gruppenpiloten einer der Trägerfrequenzgruppen. Die beschriebene Regelung begnügt sich mit einem Restfehler von etwa 10 Hz und wird daher als Grobregelung bezeichnet Als zweiter Regelschritt wird der von einer Erdstation über den Satelliten auf eine andere Erdstation übertragene Pilot mit einem in der zweiten Erdstation vorgesehenen Frequenznormal verglichen und aus dem Vergleich ein Regelkriterium abgeleitet mit dessen Hilfe die Frequenzverschiebung des trägerfrequenten Ernpfangsbandes kompensiert wird Dabei ist dann eine Regelung mit einer Resttoleranz von max 2 Hz möglich, wobei diese Genauigkeit nur dann erreichbar ist, wenn in der empfangenden, zweiten Erdstation ein genaues Frequenznormal vorhanden ist.

Eine Verbesserung des aus der DE-AS 12 69 687 bekannten Verfahrens ist in der DE-PS 14 66 191 beschrieben, wobei von dem Umstand ausgegangen wird, daß die Dopplerverschiebung innerhalb des Übertragungsbandes nicht als konstant angesetzt werden kann, so daß sich mit Hilfe nur einer Pilotfrequenz keine ausreichende Kompensation erzielen läßt Zur Behebung dieses Problems ist daher vorgesehen, daß zwei Pilotfrequenzen von jeder der Stationen, der sendenden und der empfangenden, übertragen werden, und daß in jeweils einer empfangenden Station die beiden empfangenen Pilotfrequenzen mit den beiden von ihr selbst gesendeten Pilotfrequenzen in einer Vergleichsschaltung verglichen werden. Besonderes Augenmerk ist dabei weniger auf die

absolut erzielbare Genauigkeit der Dopplerfrequenzverschiebungskompensation gelegt, als vielmehr auf eine gleichmäßige Kompensation des Dopplereffekts über ein breites Frequenzband hinweg.

Ein ähnliches bekanntes Verfahren ist auch in der DE-AS 1441 807 beschrieben, bei dem zur drahtlosen Übertragung von Informationen zwischen zwei eine Relativbewegung zueinander ausführenden Stationen, die auf die durch den Dopplereffekt verursachten Frequenzverschiebungen zurückzuführenden Störungen beseitigt werden sollen. Dazu ist vorgesehen, daß die Übertre£tingsdauer konstant gehalten wird, und zwar dadurch, daß die tatsächliche gemessene Laufzeit mit einer Verzögerung beaufschlagt wird, die sich mit der Laufzeit ändert, so daß die Gesamtübertragungszeit stets konstant bleibt

In der Veröffentlichung »Vielfachzugriffsverfahren zu Fernmeldesatelliten im Zeitmultiplex«, AEG-Telefunken, Siemens, Standard Electric Lorenz, September 1969, Abschnitt 7.4, ist die digitale Verarbeitung von Signalen in einem Satellitensystem beschrieben, wobei jedoch Probleme der Organisation des Systems, ohne Bezug auf ein spezifisches Verfahren erörtert sind. Insbesondere ist in dieser Veröffentlichung erläutert, wie eine Zeit- oder Frequenz-Synchronisierung zwischen den Erdefunkstellen eines Satellitensystems hergestellt werden kann, und wie dabei eine Überlappung der zeitlich aufeinanderfolgenden Signale erreicht wird.

In verschiedenen Anwendungsfällen hat es sich nun als erforderlich erwiesen, neben der Übertragung von Informationen auch ein sehr genaues und stabiles Referenz-Taktsignal auf den Satelliten zu übertragen, das dort als Frequenznormal für verschiedene Aufgaben benötigt wird. An die Genauigkeit dieses Referenz-Taktsignals werden äußerst hohe Anforderungen gestellt, so daß die nach dem Stand der Technik erzielbare Genauigkeit der Kompensation nicht ausreichend ist Zur Veranschaulichung der geforderten Präzision sei das Beispiel eines geostationären Satelliten betrachtet, der nach dem Stand der Technik, wie in der DE-PS 14 66191 beschrieben, praktisch keinen Dopplereffekt hervorruft Bei genauer Betrachtung haben jedoch auch die geostationären Satelliten mehr oder minder stark elliptische Bahnen, so daß sich auch hier eine, wenn auch kleine Relativbewegung des Satelliten in bezug zur Bodenstation in radialer Richtung ergibt Die dadurch verursachte Dopplerfrequenzverschiebung ist jedoch wegen der kleinen Radialgeschwindigkeit so gering, daß sie nach dem Stand der Technik ohne weiteres vernachlässigt werden konnte. Nicht so bei der Übertragung eines Referenz-Taktsignals mit der erforderlichen hohen Präzision. Für einen geostationären Satelliten mit einer typischen Radialgeschwindigkeit von 3,7 m/sec beträgt beispielsweise der Maximalwert der Dopplerfrequenzverschiebung 0,013 Hz für ein Referenztaktsignal von 1 MHz. Diese geringe Abweichung kann bei den Verfahren nach dem Stand der Technik nicht erkannt und nicht kompensieri werden.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht demgemäß darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, bei dem auch eine sehr kleine, beispielsweise bei geostationären Satelliten durch deren Radialbewegung auftretende Doppler-Frequenzverschiebung eines übertragenen Referenzsignals kompensiert werden kann. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Kombination der Verfahrensschritte gelöst, daß das übertragene Signal aus einer digitalen Rechtecksignalfolge besteht, daß das in der Sendestation wieder empfangene digitale Signal in einer digitalen Vergleichsschaltung mit dem digitlaen Refelenzsignal verglichen wird, und daß hierbei als Vergleichsergebnis ein digitales Steuersignal mit veränderlichem periodischen Tastverhältnis erzeugt wird, welches Steuersignal die Frequenz des übertragenen Signals derart verändert, daß ein vorbestimmtes

ίο Tastverhältnis des Steuersignals eingestellt wird.

Gemäß der Erfindung wird also zur unverfälschten Übertragung eines Referenztaktsignals auf den Satelliten dieses Referenztaktsignal von der Sendestation ausgesendet und in der Empfangsstation empfangen. In

is dieser Empfangsstation wird das empfangene Signal einerseits seiner Verwendung zugeführt, andererseits aber über entsprechende Einrichtungen an die Sendestation zurückgesendet und dort wieder empfangen. Das in der Sendestation wieder empfangene Signal wird nun in einer Vergleichsschaltung mit dem Referenz-Taktsignal eines Hauptoszillators verglichen. Das Vergleichsergebnis steuert hierauf einen steuerbaren Oszillator so, daß das von der Sendestation an die Empfangsstation ausgesendete Referenz-Taktsignal in seiner Frequenz so eingestellt wird, daß es gerade mit der Sollfrequenz, an der Empfangsstation ankommt Wenn beispielsweise die Doppler-Frequenzverschiebung bei der Übertragung des Signals von der Sendestation zur Empfangsstation + if beträgt, dann wird die von der Sendestation abgestrahlte Frequenz des Referenz-Taktsignals so eingeregelt, daß sie f_o—öf beträgt wobei f_o die Sollfrequenz ist Das von der Empfangsstation aufgenommene Signal hat dann die gewünschte Sollfrequenz /» Das von der Empfangsstation rückgesendete Signal ist wiederum der Dopplerverschiebung' unterworfen und gelangt daher mit der Frequenz f_o+df in der Sendestation an. Dieses empfangene Signal mit der Frequenz f_o+df wird nun mit der Sollfrequenz f_o verglichen und das Vergleichsergebnis dazu verwendet den steuerbaren Oszillator entsprechend einzuregeln.

All diese Vorgänge werden gemäß dem ersten Merkmal des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs mit digitalen Signalen und digitaler Verarbeitungsweise durchgeführt Darüber hinaus aber wird gerade der für die erzielbare Genauigkeit letztlich verantwortliche Vorgang, nämlich der Vergleich des empfangenen digitalen Signals mit dem digitalen Referenzsignal auf ganz besondere Weise gemäß dem zweiten Merkmal bewirkt

Wenn dabei durch entsprechende Nachregelung ein vorbestimmtes Tastverhältnis des Steuersignals eingestellt worden ist dann entspricht dies dem Zustand, daß die Frequenz des gesendeten Signals gerade so bemessen ist daß das gesendete Signal mit der Sollfrequenz im Empfänger (z.B. dem Satelliten) eintrifft In der Praxis zeigt sich dabei, daß in diesem Fall die Periode des Tastverhältnisses genau der Doppier-Frequenzverschiebung entspricht und es zeigt sich

weiterhin, daß der Durchschnittswert des Tastverhältnisses (d.h. der über eine Periode des Steuersignals aufintegrierte Wert) sehr empfindlich auf geringfügige Frequenzänderungen reagiert
Ei" bevorzugtes Signalübertragungssystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem in der Sendestation eine Referenzsignalquelle, ein steuerbarer Oszillator, eine damit verbundene Sendeeinrichtung, sowie eine Empfangseinrichtung zur Auf-

nähme des von der bewegten Empfangsstation zurückgesendeten Signals und eine mit dem steuerbaren Oszillator verbundene Vergleichsschaltung vorgesehen sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung eine erste und eine zweite digitale Mischeinrichtung, sowie eine mit deren Ausgängen verbundene digitale Kombinationsschaltung umfaßt

Weitere bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und vorteilhafte Ausgestaltungen des Signalübertragungssystems sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform und

F i g. 2 ein erläuterndes schematisches Bild.

Bezugnehmend auf F i g. 1 zeigt diese Figur ein Signalübertragungssystem, bei welchem eine stabile elektrische Referenzschwingung, welche dabei durch das Übertragungs- bzw. Sendesystem auf der Erde erzeugt ist auf einen Satelliten übertragen wird. Das Signalsendesystem weist einen Hauptcszillator 1 auf, dessen Ausgang einem Eingang einer UN D-Torschaltung 2 mit zwei Eingängen und auch über einen Inverter 3 einem Eingang einer anderen UND-Torschaltung 4 mit zwei Eingängen zugeführt wird. Die Ausgangsklemmen der Torschaltungen 3 und 4 sind mit verschiedenen Eingängen einer ODER-Torschaltung 5 mit zwei Eingängen verbunden, deren Ausgang über ein Tiefpaßfilter 6 der Steuerklemme eines Oszillators 7 zugeführt wird, an dessen Ausgang eine steuerbare Frequenz erhalten wird. Der Ausgang des Oszillators 7 wird mit dem anderen Eingang der Torschaltung 2 und mit einem Sender 9 über einen Modulator 8 verbunden. Der Sender 9 sendet das modulierte Signal an den Satelliten, wo es durch einen Empfänger 10 empfangen wird, dessen Ausgang mit einem Demodulator 11 verbunden wird. Der Demodulator 11 ist mit einer Klemme 12 und mit einem Sender 14 über einen Modulator 13 verbunden. Der Sender 14 sendet das modulierte Signal zurück zur Erde, wo es durch einen Empfänger 15 empfangen wird, dessen Ausgang über einen Demodulator 16 an den anderen Eingang der Torschaltung 4 geleitet wird.

Die Arbeitsweise der in F i g. 1 gezeigten Anlage ist wie folgt Der Hauptoszillator 1 erzeugt ein Rechteckweiiensignal mit einer ersten Frequenz, die durch die UND-Torschaltung 2 mit einem Rechteckwellensignal gemischt wird, das eine zweite Frequenz hat und durch den durchstimmbaren Oszillator 7 erzeugt ist Das durch den Oszillator 7 erzeugte Signal wird auf eine Trägerwelle durch den Modulator 8 moduliert und an den Satelliten gesendet der das Modulationssignal extrahiert und es an eine Klemme 12 zur Auswertung weiterleitet Falls sich der Satellit in Richtung auf die Erde bewegt wie durch den Pfeil 20 gezeigt so ist dann, wenn die Frequenz (die hier zweite Frequenz genannt ist), die am Oszillator 7 erzeugt ist Z ist die an der Klemme 12 erzeugte Frequenz /+Λ£ worin «5/ die Dopplerfrequenz ist die durch die Bewegung des Satelliten relativ zur Erde eingeführt ist Diese Frequenz /+Ä/wird auf eine Trägerwelle durch den Modulator 13 moduliert und denn Empfänger 15 zurückgesendet Die empfangene Frequenz (die hier die dritte Frequenz

genannt wird) ist annähernd £+2δ£ wenn eine weitere Dopplerfrequenzverschiebung eingeführt wird. Die dritte Frequenz wird durch die UND-Torschaltung 4 mit der ersten Frequenz gemischt die durch den Hauptoszillator 1 erzeugt ist Die Rückkopplungsschleife, welche die ODER-Torschaltung 5, das Tiefpaßfilter und den Oszillator 7 in Verbindung mit den Torschaltungen 2 und 4 aufweist gewährleistet daß die Frequenz, die durch den Oszillator 7 erzeugt ist (d.h. die zweite Frequenz), der Art ist daß die erste Frequenz in der

Mitte zwischen der zweiten und dritten Frequenz liegt

Wenn also die erste Frequenz, die durch den Hauptoszillator 11 erzeugt ist fp ist so erzeugt der Oszillator 7 eine Frequenz von fp-bf. Infolgedessen ist die an der Klemme 12 erhaltene Frequenz fo, während die an dem Ausgang des Demodulators 16 fp+o/ist

Typische Wellenformen, welche die Arbeitsweise der Rückkopplungsschleife veranschaulichen, sind in F i g. 2 gezeigt wobei die Wellenformen die Situation veranschaulichen, welche existiert wenn eine richtige Arbeitsweise der Rückkopplungsschleife erzielt ist Die Größe von of ist zum Zwecke der Veranschaulichung sehr übertrieben gegeben. In der Praxis ist o/sehr klein. So zum Beispiel dann, wenn die Frequenz fp des Hauptoszillators 11 MHz ist ist eine typische maximale Radialgeschwindigkeit für einen geostationären Satelliten 2,7m/sec, was einen Maximalwert von df von 13 Teilen in 10⁹ mit einer Periode von einem Tag ergibt Somit ist of 0,013 Hz (Periode 77 Sekunden).
Die Bezugszeichen a, b und c_ der Wellenformen in Fig.2 stellen die Wellenformen dar, welche an den Punkten vorhanden sind, die auf ähnliche Weise in F i g. 1 mit Bezugszeichen versehen sind. Die Wellenform c hat eine Periode, die der Periode von (5/gleich ist d. h. 77 Sekunden bei dem oben gegebenen Beispiel, wobei die Anordnung derart ist daß das Tiefpaßfilter eine Grenzfrequenz oberhalb jener des höchsten erwarteten Wertes von Of₁ jedoch unterhalb jener von fp hat Somit liefen: das Tiefpaßfilter 6 als Ausgang ein Signal, dessen Amplitude von dem Zeichen/Raum-Verhältnis der Wellenform c abhängt Zweckmäßigerweise kann durch eine geeignete Vorspannung so angeordnet werden, daß das Zeichen/Raum-Verhältnis von 1 :1 einem Nullgleichstrompegel entspricht Falls der Wert der Frequenz, die durch den Oszillator 7 erzeugt ist von

so dem richtigen Wert abweicht so verändert sich das Verhältnis Zeichen/Raum mit einer Geschwindigkeit die von dem Frequenzfehler abhängt Der Sinn des Signals, das von der ODER-Torschaltung 5 erhalten ist, ist so angeordnet, um die Frequenz zu korrigieren, die durch den Oszillator 7 erzeugt ist

Während die vorliegende Erfindung insbesondere bei Nachrichtensatelliten und dergleichen anwendbar ist ist sie nicht auf diese Anwendung beschränkt sondern kann beispielsweise verwendet werden, um Bezugssignale zwischen zwei oder mehreren Flugzeugen zu übertragen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kompensation der Dopplerfrequenzverschiebung eines von einer Sendestation an eine relativ zu dieser bewegten Empfangsstation übertragenen Signals, bei dem das in der Empfangsstation empfangene Signal zur Sendestation zurückgesendet und dort mit einem Referenzsignal verglichen wird, und bei dem danach das Vergleichs- to ergebnis die Frequenz des gesendeten Signals derart steuert, daß das an der Empfangsstation eintreffende Signal dem Referenzsignal entspricht, gekennzeichnet durch die Kombination der Verfahrensschritte, daS das abertragene Signal aus einer digitalen Rechtecksignalfolge besteht, daß das in der Sendestation wieder empfangene digitale Signal in einer digitalen Vergleichsschaltung mit dem digitalen Referenzsignal verglichen wird, und daß hierbei als Vergleichsergebnis ein digitales Steuersignal (c) mit veränderlichem periodischem Tastverhältnis erzeugt wird, welches Steuersignal (c)die Frequenz des übertragenen Signals derart verändert, daß ein vorbestimmtes Tastverhältnis des Steuersignals (c) eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sendestation einerseits das übertragene Signal mit dem Referenzsignal und andererseits das wieder empfangene Signal mit dem Referenzsignal digital gemischt werden, und daß aus der digitalen Kombination der beiden Mischergebnisse (aund b)da& Steuersignal (ς)abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das abertragene Signal als Modulation einer Trägerwelle ausgesendet wird.

4. Signalübertragungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem in der Sendestation eine Referenzsignalquelle, ein steuerbarer Oszillator, eine damit verbundene Sendeeinrichtung, sowie eine Empfangseinrichtung zur Aufnahme des von der bewegten Empfangsstation zurückgesendeten Signals und eine mit dem steuerbaren Oszillator verbundene Vergleichsschaltung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (2 bis 5) eine erste (2) und eine zweite digitale Mischeinrichtung (3, 4), sowie eine mit deren Ausgängen verbundene digitale Kombinationsschaltung (5) umfaßt

5. Signalübertragungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung (5) über ein Tiefpaßfilter (6) mit dem steuerbaren Oszillator (7) verbunden ist

6. Signalübertragungssystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede digitale Mischeinrichtung (2; 3, 4) eine UND-Torschaltung enthält

7. Signalübertragungssystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung (5) eine ODER-Torschal- so tung enthält