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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltmatrix zum Verarbeiten
von Daten einer Vielzahl von Übertragungsstrahlen,
wobei jeder der Übertragungsstrahlen
angepasst ist, ein aktives Kommunikationssignal in einer Vielzahl
von Unterbändern
zu übertragen,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmatrix aufweist: eine erste
Schaltschicht einschließlich
einer Vielzahl erster Schalter, von denen jeder eine Vielzahl von
Eingangsports und Ausgangsports aufweist, wobei jeder der Eingangsports
verbunden ist, um einen der Vielzahl von Übertragungsstrahlen zu empfangen,
und wobei die Gesamtanzahl der ersten Schalteingangsports größer oder
gleich der Vielzahl von Übertragungsstrahlen ist;
eine Vielzahl von Demodulatoren, wobei jeder ein Unterband der aktiven
Kommunikationssignale der Übertragungsstrahlen
demodulieren kann; und eine zweite Schaltschicht, die zwischen der
ersten Schaltschicht und den Demodulatoren verbunden ist, wobei die
zweite Schaltschicht eine Vielzahl von zweiten Schaltern umfasst,
wobei jeder der zweiten Schalter eine Vielzahl von Eingangsports
und Ausgangsports aufweist, wobei jeder der Eingangsports mit einem der
Ausgangsports des ersten Schalters verbunden ist und wobei jeder
der Ausgangsports des zweiten Schalters mit einem Demodulator der
Vielzahl von Demodulatoren derart verbunden ist, dass zumindest ein
Ausgangsport des ersten Schalters mit einer anderen Anzahl von Demodulatoren
durch die Vielzahl von zweiten Schaltern verbunden ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Mehrfachstrahl-Aufwärtsschaltmatrix
für einen
Satelliten mit: einer ersten Schaltschicht einschließlich einer
Vielzahl von Punkt-zu-Mehrpunkt-Schaltern, wobei jeder eine Vielzahl
von Eingangsports und Ausgangsports aufweist, wobei jeder der Eingangsports mit
einem Strahl der Mehrfachstrahl-Aufwärtsübertragung verbunden ist und
wobei die Gesamtanzahl der Punkt-zu-Mehrpunkt-Schalteingangsports
größer oder
gleich der Anzahl von Übertragungsstrahlen
ist; und mit einer Vielzahl von Demodulatorbänken einschließlich zumindest
einem Demodulator, wobei jeder der Demodulatoren ein Unterband eines Übertragungsstrahls
der Übertragungsstrahlen
demodulieren kann, zumindest eine von jeder der Vielzahl von Demodulatorbänken mit
jedem der Ausgänge
des Punkt-zu-Mehrpunkt-Schalters verbunden ist.
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Eine
solche Schaltmatrix hoher Kapazität und eine solche Mehrstrahl-Aufwärtsschaltmatrix sind
aus der
US 5,790,529 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Schaltmatritzen und insbesondere
eine skalierbare Schaltmatrix und eine Demodulatorbankkonfiguration
für Mehrstrahl-Satellitenaufwärtsempfänger mit hoher
Kapazität.
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Allgemein
werden Satellitenaufwärtsempfänger bezeichnenderweise
verwendet, um einen oder mehrere Aufwärtsübertragungsstrahlen zu empfangen,
die Funksignale tragen. Die Empfänger
demodulieren die Signale zur weiteren Verarbeitung und senden die
Daten an Abwärts-Modulatoren
zur Übertragung über Abwärtsstrahlen.
Insofern wurden die Satelliten konstruiert, um eine relativ kleine
Anzahl von Aufwärts-Übertragungsstrahlen
zu verarbeiten. Im Ergebnis weisen Satellitenaufwärtsempfänger allgemein
zweckbestimmte Demodulatoren für
jeden potentiellen Aufwärtsübertragungsstrahl
auf.
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Um
die Kapazität
und die Wiederverwendung des Aufwärtsspektrums oft und effizient
zu erhöhen,
gab es ein wachsendes Interesse an einer Entwicklung von Satelliten,
die mehrere hundert Aufwärtsstrahlen
verarbeiten können.
Jeder Strahl kann einen Verkehr potentiell bis zu der Kapazität des vollen
Aufwärtsspektrums
transportieren. Jedoch ist aufgrund von Beschränkungen hinsichtlich einer
Frequenzwiederverwendung und einer Satellitenverarbeitungsleistung
die Gesamtfußabdruckkapazität im Allgemeinen
geringer als die maximale Strahlkapazität mal der Anzahl von Übertragungsstrahlen.
Dementsprechend wären
in einem Satellitensystem, das z.B. dazu bestimmt ist, 400 Aufwärtsstrahlen
zu verarbeiten, wobei jeder 12 Unterbänder aufweist, 4800 bestimmte
Demodulatoren erforderlich. Da die maximale Kapazität viel geringer
als 4800 potentielle Kommunikationsunterbänder ist, würden jedoch viele Demodulatoren
unterbenutzt sein, und selbst bei maximalem Fußabdrucksverkehr wären viele
Demodulatoren frei bzw. würden
außer
Betrieb sein.
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Aufgrund
geringer Verwendungsraten weist eine zweckbestimmte Demodulatorarchitektur
die Nachteile eines relativ hohen Energieverbrauchs und eines unerwünschten
zusätzlichen
Gewichts für
den Satelliten auf.
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Der
Verkehr eines Strahls ändert
sich mit der Anforderung, der Tageszeit und/oder der Bewegung des
Satelliten (im Falle von nicht-geostationären Satelliten). Deshalb existiert
ein Bedürfnis
nach einer Aufwärtsarchitektur
mit einem Pool von Demodulatoren, die den Strahlen basierend auf
ihren Bedürfnissen
dynamisch zugewiesen werden können.
Eine skalierbare Schaltmatrix ermöglicht eine zuverlässige Aufwärtssignalverarbeitung
und verringert den Betrag von erforderlicher Hardware gegenüber zweckbestimmten
Demodulatorenarchitekturen, wodurch eine zusätzliche Leistung, ein zusätzliches
Volumen, eine zusätzliche
Masse und eine zusätzliche Komplexität eliminiert
wird.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schaltmatrix
hoher Kapazität und
eine verbesserte Mehrstrahl-Aufwärtsschaltmatrix
vorzusehen.
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Dies
wird durch eine Schaltmatrix hoher Kapazität der eingangs erwähnten Art
gelöst,
wobei ein Tandemschalter mit einer Vielzahl von Eingangsports und
Ausgangsports vorgesehen wird, wobei die Eingangsports zumindest
mit einem Ausgang jedes Schalters der Vielzahl von ersten Schaltern
verbunden sind und wobei die Ausgangsports mit zumindest einem Eingang
jedes Schalters der Vielzahl von ersten Schaltern verbunden sind,
wobei der Tandemschalter angepasst ist, die Last von aktiven Kommunikationssignalen
auszugleichen, die von jedem der ersten Schalter bearbeitet werden.
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Dies
wird des Weiteren durch eine Mehrfachstrahl-Aufwärtsschaltmatrix der eingangs
erwähnten Art
gelöst,
wobei ein Tandemschalter mit einer Vielzahl von Ein gängen und
Ausgängen
vorgesehen wird, wobei die Eingänge
mit zumindest einem Ausgang jedes Schalters der Punkt-zu-Mehrpunkt-Schaltern
verbunden sind und wobei die Ausgänge mit zumindest einem von
jedem der Eingänge
der Punkt-zu-Mehr-punkt-Schalter
verbunden sind, wobei der Tandemschalter angepasst ist, die Last
von aktiven Kommunikationssignalen auszugleichen, die von jedem
der Punkt-zu-Mehrpunkt-Schaltern
verarbeitet werden.
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Die
vorliegende Erfindung weist eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber existierenden
Architekturen auf. Die vorliegende Erfindung stellt eine skalierbare Schaltmatrix
und eine Demodulatorbankarchitektur für einen Nutzlastprozessor eines
Satellitens dar, wobei die Demodulatoren mit den Ausgangsports der Schalter
verbunden sind und optimalerweise den Strahlen zugewiesen sind,
wenn sich die Last bei den Aufwärtsstrahlen ändert. Somit
ist eine kleinere Anzahl von Demodulatoren erforderlich, um die
Aufwärtssignale
zu verarbeiten. Dies resultiert in einer einfach skalierbaren Architektur
mit einer höheren Nutzung
der Demodulatoren, einer kleineren Schaltergröße und einer höheren Effizienz
und Gesamtzuverlässigkeit.
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Diese
Vorteile werden durch die Verwendung einer Schaltmatrix hoher Kapazität zum Verarbeiten von
Daten von vielen Aufwärtsübertragungsstrahlen erzielt,
wobei jeder der Übertragungsstrahlen
ein aktives Kommunikationssignal in jedem der vielen Unterbänder transportieren
kann.
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Die
Schaltmatrix umfasst eine erste Schaltschicht einschließlich eines
oder mehrerer Schalter, von denen jeder mehrere Eingänge und
Ausgänge aufweist.
Jeder der Schaltereingänge
ist verbunden, um einen der Aufwärtsübertragungsstrahlen
derart zu empfangen, dass die Gesamtzahl von Schaltereingängen größer oder
gleich der Anzahl von Aufwärtsübertragungsstrahlen
ist. Die Schaltmatrix umfasst auch eine Vielzahl von Demodulatoren
zum Abfragen von Daten aus den aktiven Kommunikationsunterbändern der Übertragungsstrahlen.
Die Gesamtzahl von Demodulatoren ist auf die maximale Anzahl von
Kommunikationsunterbändern
begrenzt, die zu jeder Zeit aktiv sein können. Diese Anzahl ist im Allgemeinen
viel geringer als die Anzahl der Subbänder pro Strahl mal der Anzahl
von Aufwärtsübertragungsstrahlen.
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Eine
zweite Schaltschicht ist zwischen der ersten Schaltschicht und den
Demodulatoren verbunden. Die zweite Schaltschicht umfasst Gruppen von
sich ändernden
Anzahlen von Schaltern, so dass die Ausgangsports der ersten Schalter
verbunden sind, um eine sich ändernde
Anzahl von Demodulatoren zu verbinden. Somit wird, wenn ein erster Schalter
Aufwärtsübertragungsstrahlen
mit vielen aktiven Kommunikationsunterbändern empfängt, der Datenverkehr an einen
Ausgangsport mit einer entsprechenden Anzahl von Demodulatoren geleitet.
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Des
Weiteren ist ein Tandemschalter parallel zu der ersten Schaltschicht
konfiguriert und wird verwendet, um Überlaufverkehr an unterbenutzte
Schalter in der ersten Schaltschicht zu leiten. Diese Anordnung
der Schaltmatrix ermöglicht
es jedem der Aufwärtsübertragungsstrahlen,
mit einer zeitveränderlichen
Anzahl von Demodulatoren verbunden zu werden. Weitere Vorteile der
Erfindung werden ersichtlich, wenn sie im Lichte der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung und angehängten Ansprüche betrachtet wird und unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen.
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Für ein vollständigeres
Verständnis
dieser Erfindung sollte nun Bezug auf die Ausführungsformen genommen werden,
die in größerem Detail
in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht sind und nachfolgend im Wege von Beispielen
der Erfindung beschrieben werden.
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1 stellt
eine schematische Wiedergabe einer skalierbaren Schaltmatrix in Übereinstimmung mit
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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1A stellt
eine Tabelle dar, die die Eingangs- und Ausgangsverbindungen repräsentiert, die
mit den Schaltern der ersten Schicht der 1 verknüpft sind.
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2 stellt
eine schematische Wiedergabe einer skalierbaren Schaltmatrix in Übereinstimmung mit
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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Bezug
nehmend auf 1 ist eine erste Ausführungsform
der skalierbaren Schaltmatrix und der Demodulatorbank der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Wie in 1 gezeigt,
umfasst die Schaltmatrix eine erste Schaltschicht 10, eine
zweite Schaltschicht 12 und eine Vielzahl von Demodulatoren 14. Bei
diesem Beispiel ist die Schaltmatrix konfiguriert, um eine 400-Strahl-Aufwärtsnutzlast
zu verarbeiten, wobei die Aufwärtsstrahlen
in 200 linke Polarisationen und 200 rechte Polarisationen geteilt
sind. Lediglich der erste Strahl 16 und der letzte Strahl 18 sind gezeigt,
obwohl es sich versteht, dass Aufwärtsübertragungsstrahlen 2 bis 199
auf ähnliche
Weise mit der Schaltmatrix verbunden würden.
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Da
eine Polarisation üblicherweise
ausreichend ist, um die Datenlast von einer Vielzahl von Aufwärtsübertragungen
zu transportieren, wird eine Vielzahl von 2 × 2-Schaltern 20 und 200 × 20-Schaltern 22 verwendet,
um die gewünschte
Polarisation für
die Lastverkehrszellen aufzunehmen und beide Polarisationen ggf.
an die erste Schaltschicht 10 für Aufwärtsstrahlen mit großem Datenverkehr
zu leiten. Somit gibt es 200 Aufwärtsübertragungsstrahlen, die direkt
mit der ersten Schaltschicht 10 über die 2 × 2-Schalter 20 verbunden
sind, und nicht weniger als 20 zusätzliche Aufwärtsübertragungsstrahlen
können
mit der ersten Schaltschicht 10 durch den 200 × 20-Schalter 22 verbunden
werden.
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Alternativ
könnten
die 2 × 2-Schalter 20 und der
200 × 20-Schalter 22 weggelassen
werden und alle Aufwärts-Übertragungsstrahlen
könnten
direkt mit Eingangsports der Schalter innerhalb der ersten Schaltschicht 10 für insgesamt
400 potenzielle Eingänge
verbunden werden.
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Die
erste Schaltschicht 10 umfasst zehn 28 × 28-Schalter 24,
die in diesem Fall Punkt-zu-Punkt-Schalter sind. Bei diesem Beispiel sind
die zehn 28 × 28-Schalter 24 aufgrund
des Bedürfnisses
gezeigt, 220 Eingänge
der 2 × 2-Schalter 20 und
des 200 × 20-Schalters 22 sowie
sechs Eingänge
pro Schalter 24 unterzubringen, die von einem 60 × 60-Tandemschalter 26 empfangen
werden. Natürlich
könnte
jede Anzahl von Schaltern 24 einschließlich eines einzigen Schalters
verwendet werden, und die Größe des Schalters 24 könnte auf ähnliche
Weise geändert
werden.
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Der
Tandemschalter 26 wird verwendet, um einen Überlaufverkehr
von den Schaltern 24, die bei voller Kapazität betrieben
werden, an andere Schalter 24 zu leiten, die bei einer
geringeren Kapazität
als der vollen Kapazität
betrieben werden, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
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Da
jeder Eingangsübertragungsstrahl
eine variable Anzahl von Demodulatoren benötigt, um den Datenverkehr,
der mit dem Eingangsstrahl verknüpft ist,
zu verarbeiten, werden die Ausgangsports der 28 × 28-Schalter 24 mit
einer sich ändernden
Anzahl von 8 × 4-Schaltern 28 in
der zweiten Schaltschicht 12 verbunden. Die Tabelle in 1A zeigt
das Verhältnis
zwischen der Anzahl von Ausgangsschalterports in den 28 × 28-Schaltern 24 und
der entsprechenden Anzahl von 8 × 4-Schaltern 28,
mit welchen diese Ausgangsports verbunden sind. Wie in 1A gezeigt,
ist der erste Ausgangsport an zwölf
8 × 4-Schalter 28 angeschlossen,
die nächsten
zwei Ausgangsports sind mit zehn 8 × 4-Schaltern 28 verbunden;
die nächsten
zwei Ausgangsports sind mit acht 8 × 4-Schaltern 28 verbunden;
usw. Indem das Verhältnis
der Ausgangsports und der Verbindungen in der zweiten Schaltschicht
geändert
wird, kann sich das Verkehrsmuster ändern, das die Schalter 24 der ersten
Schaltschicht unterstützen
können.
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Wieder
Bezug nehmend auf 1 beträgt die maximale Anzahl von
8 × 4-Schaltern 28,
die mit einem beliebigen einzelnen Ausgangsport der 28 × 28-Schalter 24 verbunden
sind, 12, was in diesem Beispiel der Anzahl von Frequenzkanälen oder
Unterbändern
entspricht, die mit jedem Aufwärts-Übertragungsstrahl
verknüpft
sind.
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Die
Demodulatoren 14, die mit einem besonderen 8 × 4-Schalter 28 verbunden
sind, werden alle vom gleichen Typ sein und mit dem gleichen Frequenzband
betrieben. Die Demodulatoren 14, die mit verschiedenen
8 × 4-Schaltern 28 des
gleichen 28 × 28-Schalters 24 verbunden
sind, werden mit verschiedenen Frequenzbändern betrieben. Die Summe dieser
Frequenzbänder
deckt das gesamte zugewiesene Frequenzspektrum ab, das in diesem
Fall in Form von 300 MHz gezeigt ist. Sobald die Demodulatoren 14 die
in den Aufwärts-Übertragungsstrahlen empfangenen
Daten verarbeiten, werden die Daten an einen Paketschalter 30 zum
Weiterleiten der Pakete und zum anschließenden Modulieren und Übertragen über einen
oder mehrere Abwärtsstrahlen
(die Abwärtsmodulatoren
und -sender sind nicht gezeigt) weitergegeben.
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Die
Gesamtzahl von Demodulatoren ist eine Funktion der maximalen Datenrate
für den
gesamten Aufwärtsfußabdruck.
Unter anderem aufgrund der Satellitenverarbeitungsleistung ist der
Satellitenfußabdrucksverkehr
allgemein geringer als die maximale Strahlkapazität mal der
Anzahl von Aufwärtsübertragungsstrahlen.
Im Fall des in 1 gezeigten Schalters beträgt die Gesamtanzahl
von Demodulatoren 480. Dies entspricht vier Demodulatoren
pro Unterband pro Eingangsschaltbank. Dies steht im Gegensatz zu
den 4800 Demodulatoren, die in einer zweckgebundenen Architektur
für 400 Übertragungsstrahlen
erforderlich wären,
von denen jeder 12 Unterbänder
aufweist. Die maximale Datenrate ist hier als die Gesamtanzahl von
Unterbändern
in jedem Übertragungsstrahl
definiert, der zu jeder Zeit aktiv sein könnte.
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Alle
der in 1 gezeigten Schalter können die Befehle von einem
Zentralprozessor (nicht gezeigt) empfangen und implementieren, um
irgendeinen Eingangsport mit irgendeinem Ausgangsport zu verbinden.
Der Zentralprozessor kennt den Fußabdrucksverkehr und die aktiven
Unterbänder
innerhalb jedes Strahls.
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Der
Tandemschalter 26 wird verwendet, um die Last auf weitere
Schalter 24 zu verteilen, falls die Last bei einem oder
mehreren der 28 × 28-Schalter 24 die
Demodulatorverfügbarkeit
bei diesen Schaltern überschreitet.
Der Zentralprozessor bestimmt, welche Strahlen an andere Schalter
abgegeben werden müssen.
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Bezug
nehmend auf 2 ist ein schematisches Diagramm
einer anderen Ausführungsform
der Schaltmatrix der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei diesem
Beispiel ist der Schalter wieder dazu ausgelegt, 400 Strahlenaufwärtsnutzlast
mit einem 300-MHz-Spektrum anzupassen, das in 12 Frequenzbänder oder
Unterkanäle
geteilt ist.
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In
diesem Fall umfasst die erste Schaltschicht 40 zehn 46 × 54-Schalter 42.
Jeder der Schalter 42 weist 46 Eingänge – 40 pro Schalter, um die 400
Aufwärts-Übertragungsstrahlen
unterzubringen, und sechs pro Schalter auf, um einen Überlaufdatenverkehr
an den Tandemschalter 26 zu leiten. Auf ähnliche
Weise weist jeder Schalter 42 54 Ausgänge, um vier Demodulatoren 44 pro
Unterband unterzubringen, und sechs Ausgänge für einen Überlaufdatenverkehr zu dem
Tandemschalter 26 auf.
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Jeder
Demodulator 44 einer Demodulatorbank 46 ist vom
gleichen Typ und wird bei dem gleichen Frequenzband betrieben. Jedes
Demodulatorband 46, das mit einem anderen Ausgangsport
der Schalter 42 verbunden ist, wird bei einem anderen Frequenzband
betrieben. Die Summe der Frequenzbänder deckt das gesamte zugewiesene
Aufwärtsfrequenz-Bandspektrum,
d.h. 300 MHz, ab.
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Die
in 2 gezeigten Schalter 42 weisen eine Übertragungs-
bzw. Multicast-Fähigkeit
auf, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. Somit können die
Schalter 42 einen Eingangsstrahl an eine beliebige Anzahl
von an die Ausgangsports angeschlossenen Demodulatoren multicasten,
wie es erforderlich ist, um den Datenverkehr auf dem Eingangsübertragungsstrahl
zu verarbeiten. Im Gegensatz zu den Schaltern 24 der 1 weisen
die Schalter 42 eine erhöhte Flexibilität beim Anpassen
an verschiedene Verkehrsmuster auf, erfordern jedoch Schalter mit
einer Multicast-Fähigkeit
und mit mehreren Querverbindungen.
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Aus
dem Vorhergehenden wird klar, dass der Stand der Technik um eine
neue und verbesserte Schaltmatrixarchitektur bereichert wurde, die
die Nachteile überwindet,
die mit zweckbestimmten Demodulatorarchitekturen verbunden sind.
Während die
Erfindung in Verbindung mit einem oder mehreren Ausführungsformen
beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf
diese Ausführungsformen
begrenzt ist. Im Gegenteil, die Erfindung deckt alle Alternativen,
Modifikationen und Äquivalente
ab, die vom Schutzumfang der beigefügten Ansprüche umfasst sind. Unter Bezugnahme
auf 1 könnten
z.B. alle Schalter 20, 22, 24 und 28 mit
einer anderen Anzahl und Größe vorgesehen
sein, und zwar in Abhängigkeit
von der Anzahl und den Eigenschaften der Aufwärtsstrahlen und von zur Verfügung stehenden Technologien.
Auf ähnliche
Weise könnte in
Abhängigkeit
von der Aufwärtsstrahllast,
die zweite Schaltschicht 12 weggelassen werden (wie in 2) oder
eine dritte Schaltschicht könnte ähnlich zu
der zweiten erforderlich sein. Auch die Demodulatoren 14, 44 könnten einstellbare
Demodulatoren anstatt bei einer vorbestimmten Frequenz fixierte
Demodulatoren sein. Es ist deshalb beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche jegliche
Modifikationen als Ausgestaltung solcher Merkmale abdecken, die
die wesentlichen Merkmale dieser Verbesserungen innerhalb des Schutzumfangs
der Erfindung bilden.
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Zusammenfassend
wurde eine skalierbare Schaltmatrix und eine Demodulatorbankarchitektur für einen
Satellitennutzlastprozessor offenbart, wobei die Demodulatoren 44, 14 mit
den Ausgangsports der Schalter 42, 24 verbunden
sind, wenn sich die Datenlast bei den Aufwärtsstrahlen ändert. Die
Schaltmatrix umfasst eine erste Schaltschicht 10 zum Empfangen
der Aufwärtsübertragungsstrahlen
und eine Vielzahl von Demodulatoren 44, 14, die
mit den Ausgangsports der ersten Schaltschicht 40, 10 verbunden
sind. Die Anzahl von Demodulatoren 44 wird durch die Anzahl
von aktiven Aufwärtsunterbändern begrenzt,
die allgemein kleiner als die Anzahl von Unterbändern pro Strahl mal der Anzahl
von Übertragungsstrahlen
ist. Somit wird lediglich eine relativ geringe Anzahl von Demodulatoren 44 unter
den Aufwärtsübertragungsstrahlen
verteilt, wie es erforderlich ist. Dies resultiert in einer einfach
skalierbaren Architektur mit höheren
Demodulationsausnutzungsraten im Vergleich zu zweckgebundenen Demodulationsarchitekturen.