DE69836798T2 - Verfahren zur erzeugung einer doppler freien genauen lokalen uhr in einem satelliten oder drahtlosen netz - Google Patents

Verfahren zur erzeugung einer doppler freien genauen lokalen uhr in einem satelliten oder drahtlosen netz Download PDF

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Description

  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren zum Erzeugen eines Takts in Satelliten- und/oder Drahtlosnetzen. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Erzeugen eines exakten, dopplerfreien, lokalen Takts in Satelliten- und/oder Drahtlosnetzen.
  • In einem dezentralen Satelliten-/Drahtlosnetz auf Basis von Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff-Technologie (TDMA, engl. „Time Division Multiple Access") benötigen die Stationen eine hochgradig stabile Timingquelle (d.h. einen Takt), um das TDMA-Rahmentiming sowie Takte für terrestrische Schnittstellen zu erzeugen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine teure Timingquelle in jeder Station bereitzustellen, was aber bei großen, kostenoptimierten Netzen unangemessen ist. Eine zweite Möglichkeit, die bislang benutzt wird, besteht darin, nur in der Referenzstation (RS) einen hochgradig stabilen Takt zu installieren; die Verkehrsstationen (VS) benutzen einen kostengünstigen spannungsgesteuerten Oszillator (VCXO) oder einen direkten digitalen Synthesegenerator (DDS) mit einem freischwingenden, kostengünstigen Oszillator, der feinabgestimmt wird, um einen stabilen Takt abzuleiten. Die Referenzstation überträgt einmal je TDMA-Rahmenzeit einen Referenzburst. Basierend auf Eintreffereignissen der Referenzbursts wird das Empfangsrahmentiming der Verkehrsstation modifiziert. Die Verkehrsstation überträgt periodisch einen Managementburst an die Referenzstation; die Referenzstation meldet den Timingfehler an die Verkehrsstation, welche daraufhin ihr Senderahmentiming entsprechend modifiziert. Die Steuerinformationen zur Abstimmung des VCXO oder DDS werden aus den am Empfangstiming der Station vorgenommenen Timingkorrekturen abgeleitet. Effektiv werden der VCXO oder der DDS dergestalt abgestimmt, dass der abgeleitete lokale Takt phasenstarr mit der Eintreffrate der empfangenen Referenzbursts synchronisiert ist.
  • Das obige Verfahren ergibt einen Takt für die Verkehrsstation, der über jede gegebene, längere Zeitdauer hinweg so stabil wie der Takt der Referenzstation ist. Eine etwaige Drift des lokalen Oszillators wird automatisch eliminiert. Allerdings enthält der Takt der Verkehrsstation die Dopplerfrequenz, die aus den durch Störungen der Umlaufbahn verursachten täglichen Bewegungen des Satelliten resultiert. Daher schwankt die Taktrate in jedem beliebigen 24-Stunden-Zeitraum um ±D, wobei D die maximale, durch Dopplereffekt verursachte Taktratenänderung ist. Zur Korrektur des lokalen Takts relativ zu einem Präzisionstakt wurden mehrere unterschiedliche Ansätze vorgeschlagen. Beispielsweise offenbart die US-Patentschrift Nr. 4,602,375 eine Prozedur zum Korrigieren eines Takts an Bord eines Satelliten unter Verwendung von Driftvorhersage.
  • Ein TDMA-Satelliten-/Drahtlossystem benötigt in jeder Verkehrsstation einen exakten lokalen Takt, damit diese synchron zu dem von einer Referenzstation festgelegten TDMA-Rahmentiming Bursts übertragen und empfangen kann. Bei dem Sende- und dem Empfangsrahmenzähler handelt es sich um Hardwarezähler, die wiederholt von 0 bis N – 1 zählen und vom lokalen Takt getaktet werden. N ist die in Einheiten der Taktzykluszeit ausgedrückte Länge eines TDMA-Rahmens. Der Senderahmenzähler wird benutzt, um Sendebursts innerhalb eines Rahmens zu positionieren; der Empfangsrahmenzähler wird benutzt, um eine „Blende" um die erwartete Empfangszeit jedes einzelnen Bursts zu legen.
  • Unterschiede zwischen den tatsächlichen, von der Referenzstation bzw. der Verkehrsstation benutzten Taktraten führen dazu, dass der Referenzburst ein wenig vor oder ein wenig nach der erwarteten Eintreffzeit an der Verkehrsstation eintrifft. Die Verkehrsstation misst bei jedem eintreffenden Referenzburst diesen Zeitunterschied und passt den lokalen Empfangsrahmenzähler dergestalt an, dass die Zeit für den nächsten Rahmen entsprechend entweder ausgedehnt oder verkürzt wird. Diese Korrektur wird Empfangstimingkorrektur genannt. Bei dieser Prozedur verfolgt das Empfangsrahmentiming der lokalen Station das Senderahmentiming der Referenzstation. Die Rate dieser Korrekturen ist gleich dem Unterschied zwischen der lokalen Taktfrequenz und der Taktfrequenz der Referenzstation; wenn zum Beispiel der Frequenzunterschied n Hz beträgt, wird das Empfangstiming im Mittel jede Sekunde um n Einheiten korrigiert.
  • Ein weiterer Faktor, der zum Frequenzunterschied zwischen den Takten der Referenzstation und einer Verkehrsstation beiträgt, ist die relative Bewegung des Satelliten. In dem Maße, wie sich aufgrund von Störungen der Satellitenumlaufbahn der Abstand zwischen einer Station und dem Satelliten ändert, ändert sich die Laufzeit zwischen der lokalen Station und der Referenzstation. Infolgedessen treffen Referenzbursts früher oder später an der lokalen Station ein, was Korrekturen an dem lokalen Empfangsrahmenzähler nach sich zieht. Daher ist die Änderungsrate der Empfangstimingkorrekturen nicht nur eine Funktion des Unterschieds zwischen der lokalen Taktfrequenz und der Taktfrequenz einer Referenzstation, sondern auch eine Funktion der Änderungsrate der Satellitenlaufzeit (sog. Satellitendoppler).
  • Eine gleichartige Prozedur wird benutzt, um das Sendetiming der Verkehrsstation nachzuführen. Die Verkehrsstation überträgt periodisch einen Managementburst an die Referenzstation. Unterschiede zwischen dem Takt, den die Referenzstation benutzt, und dem Takt, den die lokale Station benutzt, führen dazu, dass der Managementburst ein wenig vor oder ein wenig nach der erwarteten Eintreffzeit an der Referenzstation eintrifft. Die Referenzstation misst bei jedem eintreffenden Managementburst diesen Zeitunterschied und sendet den Differenzwert an die Verkehrsstation. Die Verkehrsstation ihrerseits passt den lokalen Senderahmenzähler dergestalt an, dass die Zeit für den nächsten Rahmen entsprechend entweder ausgedehnt oder verkürzt wird. Diese Korrektur wird Sendetimingkorrektur genannt. Bei dieser Prozedur führt das Senderahmentiming der Verkehrsstation das Empfangsrahmentiming der Referenzstation nach. Die Rate dieser Änderungen ist eine Funktion des Unterschieds zwischen der lokalen Taktfrequenz und der Taktfrequenz der Referenzstation sowie eine Funktion der Änderungsrate der Satellitenlaufzeit. Die Sendetimingkorrektur kann auch dadurch erreicht werden, dass eine Verkehrsstation, sofern dies möglich ist, ihren eigenen Managementburst überwacht und den Timingfehler misst.
  • Herkömmlich hat man zum Anpassen der Frequenz des lokalen Oszillators die Empfangstimingkorrektur als Basis benutzt. Als Korrekturfaktor, der an den lokalen Oszillator angelegt wird, ist die Rate der Empfangskorrekturen benutzt worden. Der lokale Oszillator wird dergestalt angepasst, dass der Nettobetrag der am Empfangsrahmenzähler vorgenommenen Korrekturen für jeden ausgedehnten Zeitraum null beträgt. Einfach ausgedrückt: Wenn der Nettobetrag der Empfangskorrekturen positiv ist, wird die Frequenz des lokalen Oszillators um den entsprechenden Betrag verringert; wenn sie negativ ist, wird seine Frequenz um den entsprechenden Betrag erhöht. Die Langzeitstabilität des lokalen Takts ist dieselbe wie die des Referenztakts; allerdings beinhaltet der lokale Takt die täglichen Schwankungen aufgrund von Satellitendoppler.
  • Man betrachte ein einfaches Beispiel, in welchem die Taktfrequenz der Referenzstation R betrage, die Taktfrequenz der Verkehrsstation ebenfalls R sei, am Takt der Verkehrsstation keine Korrekturen auf Basis der Empfangstimingkorrektur erfolgen, und der Abstand zwischen dem Satelliten und der Verkehrsstation mit konstanter Rate abnehme. Die Empfangsrahmen erscheinen in diesem Falle zeitverkürzt, was dazu führt, dass das Empfangstiming mit einer Rate von d Bit/s korrigiert wird, wobei d einen solchen Wert hat, dass die empfangene Bitrate aufgrund des Satellitendopplers R + d anstelle von R zu sein scheint. Ebenso erscheint das von der lokalen Station unter Verwendung der Taktrate R gesendete Rahmentiming aufgrund des Dopplereffekts bei Eintreffen an der Referenzstation verkürzt. Die Referenzstation sendet Sendetimingkorrekturen an die Verkehrsstation, um deren Sendetiming zu verzögern. Die von der Verkehrsstation wahrgenommene Timingkorrekturrate beträgt –d. In einem stationären Zustand betragen daher die Empfangstimingkorrekturrate d und die Sendetimingkorrekturrate –d.
  • Man betrachte nun dasselbe Beispiel, bei dem sich aber aufgrund einer Drift der Frequenz des lokalen Oszillators die lokale Taktfrequenz auf R – r geändert hat. Angenommen, es würden keine Korrekturen am lokalen Takt vorgenommen, so würde die Empfangstimingkorrekturrate zu d + r und die Sendetimingkorrekturrate zu –d + r.
  • Lässt man nun den herkömmlichen, auf der Empfangstimingkorrekturrate basierenden Taktkorrekturalgorithmus ablaufen, so ändert sich die lokale Taktrate von R – r auf R – r + d + r, d.h. auf R + d, die Empfangstimingkorrekturrate wird 0, und die Sendetimingkorrekturrate wird –2d. Der Nettoeffekt besteht darin, dass die lokale Taktdrift r eliminiert wird, der resultierende Takt aber die Dopplerkomponente beinhaltet.
  • Benötigt wird daher ein Algorithmus zur Takterzeugung, der die gemessenen Timingfehlerinformationen vorteilhaft einsetzt, um automatisch sowohl die Taktdrift als auch den Satellitendoppler aus dem lokalen Takt einer Verkehrsstation zu eliminieren. Anders ausgedrückt: Es wird ein Algorithmus zur Takterzeugung benötigt, der an der Verkehrsstation einen exakten Takt reproduziert, dessen Langzeitstabilität mit der des in der Referenzstation befindlichen Frequenzstandards übereinstimmt und frei von Satellitendoppler ist. Benötigt wird außerdem ein Takt, der vorteilhaft benutzt werden kann, um Takte auf terrestrischen Schnittstellen, d.h. Komponenten, die an die Verkehrsstation gekoppelt sind, bereitzustellen. Darüber hinaus wäre es wünschenswert, wenn die zur Implementierung des Algorithmus zur Takterzeugung benötigte Hardwareeinrichtung eine kostengünstige Komponente sein könnte, z.B. ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCXO) oder ein direkter digitaler Synthesegenerator (DDS), der an einen freischwingenden Oszillator gekoppelt ist.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Auf Basis des Vorstehenden lässt sich erkennen, dass auf dem Fachgebiet derzeit Bedarf besteht an einem Verfahren zum Erzeugen eines exakten, dopplerfreien Takts in Satelliten- und/oder Drahtlosnetzen, das die oben beschriebenen Mängel überwindet. Die vorliegende Erfindung wurde von dem Wunsch motiviert, die Nachteile und Unzulänglichkeiten der derzeit verfügbaren Technik zu überwinden und dadurch diesem Bedarf auf dem Fachgebiet nachzukommen.
  • Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts. Vorteilhafterweise kann dieser dopplerfreie, lokale Takt benutzt werden, um für mit Verkehrsstationen verbundene Systeme, die nicht mit eigenen Präzisionstakten ausgestattet sind, ein exaktes Signal bereitzustellen.
  • Eine Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, um an jeder Verkehrsstation einen lokalen Takt zu erzeugen, der frei von der Frequenzverschiebung ist, die durch den Dopplereffekt aufgrund der Satellitenbewegung verursacht wird. Vorteilhafterweise kann dieser dopplerfreie, lokale Takt benutzt werden, um Daten an terrestrische Schnittstellen auszutakten, ohne den Satellitendoppler zu durchlaufen.
  • Eine weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Regeln entweder eines kostengünstigen VCXO oder eine kostengünstigen DDS mit einem zugehörigen, freischwingenden Oszillator in Verkehrsstationen, um dadurch einen dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  • Noch eine weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts unabhängig davon, ob es sich bei dem zugehörigen Netz um ein Einstrahl- bzw. Global-Beam-TDMA-Netz oder um ein Mehrstrahl-TDMA-Netz handelt.
  • Noch eine weitere Aufgabe gemäß der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Taktes, welcher einen adaptiven Mittelungszeitraum einsetzt, was ein schnelles Ansprechen bei relativ großen Frequenzverschiebungen und präzisere Messungen und Korrekturen bei relativ kleinen Frequenzverschiebungen bereitstellt.
  • Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung werden gelöst bzw. bereitgestellt von einem Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts in einem Kommunikationsnetz, welches eine Hauptreferenzstation und eine Station aufweist, die Referenz- und Managementbursts austauschen. Vorteilhafterweise umfasst das Verfahren Schritte zum Bestimmen eines Sendetimingkorrekturwerts als Reaktion auf den Managementburst, den die Hauptreferenzstation empfängt, Bestimmen eines Empfangstimingkorrekturwerts als Reaktion auf den Referenzburst, den die Station empfängt, und Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion sowohl auf den Sendetimingkorrekturwert als auch auf den Empfangstimingkorrekturwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  • Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung werden gelöst bzw. bereitgestellt von einem Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts in einem Kommunikationsnetz, welches eine Hauptreferenzstation und eine Station aufweist, die Referenz- und Managementbursts austauschen. Bevorzugt umfasst das Verfahren Schritte zum Initialisieren der Hauptreferenzstation als Reaktion auf einen ersten Referenzburst, den die Hauptreferenzstation erzeugt, Bestimmen eines Sendetimingkorrekturwerts als Reaktion auf den Managementburst, den die Hauptreferenzstation empfängt, Bestimmen eines Empfangstimingkorrekturwerts als Reaktion auf einen zweiten Referenzburst, den die Station empfängt, und Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion sowohl auf den Sendetimingkorrekturwert als auch auf den Empfangstimingkorrekturwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  • Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung werden gelöst bzw. bereitgestellt von einem Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts in einem Kommunikationsnetz, welches eine Hauptreferenzstation und eine Station aufweist, die Referenz- und Managementbursts austauschen. Bevorzugt umfasst das Verfahren Schritte zum:
    • (1) Initialisieren der Hauptreferenzstation als Reaktion auf einen ersten Referenzburst, den die Hauptreferenzstation erzeugt,
    • (2) Bestimmen eines Sendetimingkorrekturwerts als Reaktion auf den Managementburst, den die Hauptreferenzstation empfängt,
    • (3) Bestimmen eines Empfangstimingkorrekturwerts als Reaktion auf einen zweiten Referenzburst, den die Station empfängt, und
    • (4) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen,
    • (5) Bestimmen, ob eine Frequenzanpassung erforderlich ist, als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert,
    • (6) sofern die Frequenzanpassung nicht erforderlich ist: Wiederholen der Schritte (2) und (3),
    • (7) sofern die Frequenzanpassung erforderlich ist: Berechnen eines Anpassungswerts, der auf die Frequenz eines Takts angewendet wird, als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung benutzt der Berechnungsschritt die Formel f = (yn – vorhyn)/Tb/2 + yn/Ty/2,wobei
    • yn
    der aufsummierte Gesamtfehler seit der letzten erfolgreich durchgeführten Empfangsrahmenerfassung ist,
    vorhyn
    der Wert von yn, als die vorherige Taktkorrektur vorgenommen wurde, ist,
    f
    der Anpassungswert ist, der die erforderliche Änderung der Referenzfrequenz (Rf) in Hz anzeigt,
    Ty
    eine Konstante ist und
    Tb
    die Zeit seit der letzten Berechnung von f ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Diese und diverse weitere Merkmale und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden ohne weiteres anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung verständlich, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist, in denen durchgängig gleiche oder ähnliche Bezugszahlen verwendet werden. Es zeigen:
  • 1 ein grobes Blockdiagramm eines Satellitennetzes, in welchem das Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird,
  • 2 ein repräsentatives Diagramm der diversen Takte und Verschiebungen bei Global-Beam-Betrieb des in 1 veranschaulichten Systems,
  • 3 ein repräsentatives Diagramm der diversen Takte und Verschiebungen bei Spot-Beam-Betrieb des in 1 veranschaulichten Systems,
  • 4 ein grobes Blockdiagramm des Timingregelungsblocks in entweder der in 1 dargestellten Hauptreferenzstation oder der ebendort dargestellten sekundären Referenzstation,
  • 5 ein grobes Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Timingregelungsblocks, der in der in 1 dargestellten Verkehrsstation angeordnet ist,
  • 6 ein grobes Blockdiagramm einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Timingregelungsblocks, der in der in 1 dargestellten Verkehrsstation angeordnet ist,
  • 7 ein Flussdiagramm, das die Arbeitsweise der in 5 dargestellten Schaltungsanordnung veranschaulicht,
  • 8 ein Flussdiagramm, das die Arbeitsweise der in 6 dargestellten Schaltungsanordnung veranschaulicht,
  • 9 und 10 Diagramme, die den Frequenzverlauf bzw. den aufsummierten Gesamtfehler bei einem starken Impuls an die in 5 und 6 dargestellten Schaltungsanordnungen zeigen, und
  • 11 und 12 Diagramme, die den Frequenzverlauf bzw. den aufsummierten Gesamtfehler bei einem relativ kleinen, zufälligen Fehler in dem dopplerfreien, lokalen Takt, der in den in 5 und 6 dargestellten Schaltungsanordnungen eingesetzt wird, zeigen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Wie oben erörtert wurde, ändert sich, wenn man einen herkömmlichen, auf der Empfangstimingkorrekturrate basierenden Taktkorrekturalgorithmus ablaufen lässt, die lokale Taktrate von R – r auf R – r + d + r, d.h. auf R + d, und somit wird die Empfangstimingkorrekturrate 0, und die Sendetimingkorrekturrate wird –2d. Der Nettoeffekt besteht darin, dass die lokale Taktdrift r eliminiert wird, der resultierende Takt aber die Dopplerkomponente beinhaltet.
  • Das Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts gemäß der vorliegenden Erfindung funktioniert, indem es den lokalen Takt nicht auf Basis der Empfangstimingkorrekturrate, sondern auf Basis des Mittels aus der Empfangstimingkorrekturrate und der Sendetimingkorrekturrate ändert. Bei dem unmittelbar zuvor erwähnten Beispiel ist dieses Mittel gleich ((d + r) + (–d + r))/2, d.h. gleich r. Daher ändert sich die lokale Taktrate von R – r auf R, die Empfangstimingkorrekturrate wird zu d, und die Sendetimingkorrekturrate wird zu –d. Man kann nun erkennen, dass es sich hierbei um den grundlegenden Schritt handelt, der es vorteilhafterweise ermöglicht, den lokalen Takt ohne Aufnahme der Dopplerkomponente auf den Taktwert der Referenzstation zu berichtigen.
  • Das Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien Algorithmus erfordert einen lokalen Oszillator, der einen softwaresteuerbaren Takterzeuger speist. Diese Hardwareanforderung kann zum Beispiel vorteilhafterweise entweder durch einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCXO) oder einen direkten digitalen Synthesegenerator (DDS) erfüllt werden. Der Ausgang des VCXO oder DDS ist der abgeleitete lokale Takt, der nutzbringend eingesetzt werden kann, um die zugehörigen lokalen TDMA-Rahmenzähler zu betreiben und das Empfangs- und Senderahmentiming zu erzeugen.
  • Bevor mit einer detaillierten Besprechung des Verfahrens zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung begonnen wird, soll unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine kurze Besprechung des Systems vorgestellt werden, das die neuartigen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt, wobei mindestens eine Verkehrsstation (VS) 200 über einen Satelliten 300 operativ mit einer Hauptreferenzstation (HRS) 400 verbunden ist. Das System kann vorteilhafterweise eine sekundäre Referenzstation (SRS) 500 umfassen, die in 1 in Blockform abgebildet ist. Es muss erwähnt werden, dass das erfinderische Verfahren für Systeme, d.h. ein Netz mit globalen Strahlen (Global-Beam-Netz) oder ein Netz mit Punktstrahlen (Spot-Beam-Netz), bei welchen die Hauptreferenzstation ihre eigenen Übertragungen empfangen kann, gleichermaßen vorteilhaft ist. Ein solches System wird auf alternative Arten in den 1 und 2 abgebildet.
  • Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Das gemäß einer ersten Ausführungsform der neuartigen Verfahren der vorliegenden Erfindung geregelte System besteht aus einer HRS 400, die über einen Satelliten 300 mit mindestens einer Station (VS) 200 verbunden ist. Wie in 2 dargestellt ist, weist die Station 200 bevorzugt einen Modulator 204 zum Erzeugen eines Signals der Frequenz f auf, der operativ an einen Sender 202 gekoppelt ist, an welchen eine Antenne angebracht ist (1). Vorteilhafterweise weist die Station 200 einen Empfänger 206 auf, der operativ sowohl mit der Antenne in 1 als auch mit einem Demodulator 208 verbunden ist. Alle Komponenten 202, 204, 206 und 208 werden von einer Steuereinrichtung 210 gesteuert, die mit einem Speicher 212 verbunden ist, der diverse Datenwerte speichert, die nachstehend alle näher besprochen werden. Bevorzugt weist die Station 200 außerdem einen Timingregelungsblock 214 auf, dessen Funktionsweise nachstehend näher besprochen wird. Mehrere nicht einschränkende, mögliche Konfigurationen des Timingregelungsblocks werden nachstehend anhand der 5 und 6 besprochen.
  • Es wird weiterhin auf 1 Bezug genommen. Die HRS 400 kann vorteilhafterweise einen Modulator 404 zum Erzeugen eines Signals mit einer vorbestimmten Frequenz aufweisen, der operativ an einen Sender 402 gekoppelt ist, welcher an der Antenne aus 1 befestigt ist. Vorteilhafterweise weist die HRS 400 außerdem einen Empfänger 406 auf, der operativ sowohl mit der Antenne aus 1 als auch mit einem Demodulator 408 verbunden ist. Alle Komponenten 402, 404, 406 und 408 werden von einer Steuereinrichtung 410 gesteuert, die mit einem Speicher 412 verbunden ist, der diverse Datenwerte speichert, die nachstehend alle näher besprochen werden. Bevorzugt weist die HRS 400 außerdem einen Timingregelungsblock 414 auf, dessen Funktionsweise nachstehend ebenfalls näher besprochen wird.
  • 2 veranschaulicht die Beziehung zwischen den verschiedenen Takten und Verschiebungen in einem zu Global-Beam-Betrieb befähigten Kommunikationssystem. In 2 werden folgende Notationen benutzt:
    • d0, d1
    Aufwärtsstrecken-Doppler an der HRS 400 und der VS 200
    e
    Frequenzungenauigkeit des lokalen Oszillators der VS
    Δf
    Frequenzfehler an verschiedenen Referenzpunkten
    T
    Messintervall für die Timingkorrektur
    Δte
    Betrag der Empfangstimingkorrektur
    Δts
    Betrag der Sendetimingkorrektur
  • Aus 2 geht hervor, dass die Startzeitpunkte der Empfangs- und Senderahmen im Satelliten 300 (abgesehen von kurzzeitigen Fluktuationen) keiner durch den Dopplereffekt bedingten zeitlichen Drift unterliegen. Darüber hinaus ist die Eintreffrate von Empfangsrahmenstarts am Satelliten 300 ein Vielfaches von R, d.h. der Taktfrequenz der Referenzstation.
  • 3 veranschaulicht im Gegensatz dazu die Beziehung zwischen den verschiedenen Takten und Verschiebungen für das Kommunikationssystem im Spot-Beam-Betrieb. Man wird erkennen, dass die Startzeitpunkte der Empfangs- und Senderahmen in der sekundären Referenzstation (SRT) 500 (abgesehen von kurzzeitigen Fluktuationen) keiner durch den Dopplereffekt bedingten zeitlichen Drift unterliegen. Die Rate von Empfangsrahmen-Startzeitpunkten an der SRS 500 ist ein Vielfaches von R, d.h. der Taktfrequenz der Referenzstation. Die Rate von Empfangsrahmen-Startzeitpunkten am Satelliten 300 ist eine Funktion von R und der Dopplerrate.
  • Die bevorzugt in den Timingregelungsblock 414 der HRS 400 aufgenommene Schaltungsanordnung wird jetzt anhand von 4 beschrieben, in welcher die Bezugszahl 4141 einen Senderahmenzähler und die Bezugszahl 4142 einen Empfangsrahmenzähler angibt. Sowohl der Rahmenzähler 4141 als auch der Rahmenzähler 4142 empfangen einen Referenztakt R von dem Referenzoszillator 4143. Darüber hinaus empfangen beide Rahmenzähler vorteilhafterweise Sende- und Empfangskorrektursignale für einen Timingkorrekturprozessor 4144, dessen Funktionsweise nachstehend näher beschrieben wird.
  • Die bevorzugt in eine erste bevorzugte Ausführungsform des Timingregelungsblocks 214 der VS 200 aufgenommene Schaltungsanordnung wird jetzt anhand von 5 beschrieben, in welcher die Bezugszahl 2141 einen Senderahmenzähler und die Bezugszahl 2142 einen Empfangsrahmenzähler anzeigt. Sowohl der Rahmenzähler 2141 als auch der Rahmenzähler 2142 empfangen einen Referenztakt Rf von dem spannungsgesteuerten Oszillator (VCXO) 2143. Darüber hinaus empfangen beide Rahmenzähler vorteilhafterweise Sende- und Empfangskorrektursignale für einen Timingkorrekturprozessor 2144, dessen Funktionsweise nachstehend näher beschrieben wird. Es soll außerdem erwähnt werden, dass vorteilhafterweise ein Taktkorrekturprozessor 2145 aufgenommen wird, der Eingänge von dem Timingkorrekturprozessor 2144 empfängt und ein Frequenzkorrektursignal an den VCXO 2143 ausgibt. In einem beispielhaften Fall kann es sich bei dem Frequenzkorrektursignal entweder um einen an einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 2145a angelegten numerischen Wert handeln oder um ein analoges Signal, das dazu befähigt ist, den VCXO 2143 direkt zu steuern.
  • Die bevorzugt in eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Timingregelungsblocks 214' der VS 200 aufgenommene Schaltungsanordnung wird in 6 dargestellt, in welcher die Bezugszahl 2141 einen Senderahmenzähler und die Bezugszahl 2142 einen Empfangsrahmenzähler angibt. Sowohl der Rahmenzähler 2141 als auch der Rahmenzähler 2142 empfangen einen Referenztakt Rf von dem direkten digitalen Synthesegenerator (DDS) 2146, der an einen freischwingenden Oszillator 2147 gekoppelt ist. Darüber hinaus empfangen beide Rahmenzähler 2141 und 2142 vorteilhafterweise Sende- und Empfangskorrektursignale für einen Timingkorrekturprozessor 2144, dessen Funktionsweise nachstehend näher beschrieben wird. Es soll außerdem erwähnt werden, dass vorteilhafterweise ein Taktkorrekturprozessor 2145' aufgenommen wird, der Eingänge von dem Timingkorrekturprozessor 2144 empfängt und ein Frequenzkorrektursignal an den DDS 2146 ausgibt.
  • Das Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun anhand der 4 bis 6 beschrieben. Zunächst wird anhand von 4 die zum Initialisieren des Takts in der HRS 400 benutzte Taktregelungsprozedur besprochen, und anschließend werden anhand von 5 und 6 die alternativen Prozeduren zum Korrigieren des Takts in der VS 200 beschrieben.
  • Es wird nun auf 4 Bezug genommen. Nachdem die Empfangssynchronisierung hergestellt worden ist, misst die HRS 400 den Empfangstimingfehler en, bei welchem es sich um die Verschiebung zwischen der Eintreffzeit eines zurück übertragenen Referenzbursts (RB) und der erwarteten Eintreffzeit des RB auf Basis der lokal erzeugten Empfangsrahmenzeit handelt. Siehe 4. Man wird erkennen, dass die Timingfehlermessung unter Verwendung des Takts R und gesteuert von dem Timingkorrekturprozessor 4144 erfolgt, der das von dem Rahmenzähler 4142 aufgebaute Empfangstiming-Fehlersignal empfängt. Anschließend erfolgt eine Prüfung, die bestimmt, ob der Absolutwert des Empfangstimingfehlers |en| größer als ein vorbestimmter Schwellwert, z.B. 4, ist. Übersteigt |en| den Schwellwert, wird der Empfangsrahmenzähler 4142 um en/2 angepasst, und der Senderahmenzähler 4141 wird um –en/2 angepasst. Wurde der Schwellwert nicht überschritten, so werden die Rahmenzähler nicht angepasst. Nach Ablauf einer Schleifenlaufzeit, d.h., wenn die Wirkung einer am Senderahmenzähler 4141 vorgenommenen Sendekorrektur an der Empfangsseite der HRS 400 erscheint, wird die obige Prozedur wiederholt.
  • Unter allgemeiner Bezugnahme auf 5 und 6 wird nun die Taktkorrekturprozedur für die Verkehrsstation (VS) 200 beschrieben. Aus der obigen Besprechung geht hervor, dass die Verkehrsstation (VS) 200 entweder einen VCXO 2143 oder einen DDS mit einem freischwingenden Oszillator 2146, 2147 einsetzen kann, um den Sende- und den Empfangsrahmenzähler 2141, 2142 zu takten. Die Aufgabe der Taktregelung für die VS 200 besteht darin, in der VS 200 einen dopplerfreien Takt Rf zu reproduzieren. Es soll erwähnt werden, dass der Empfangstimingfehler in der VS 200 als die Verschiebung bzw. Verzögerung zwischen der Eintreffzeit eines RB und der erwarteten Eintreffzeit des RB auf Basis der lokal erzeugten Empfangsrahmenzeit gemessen wird. Es soll weiterhin erwähnt werden, dass der Sendetimingfehler in der HRS 400 als die Verschiebung bzw. Verzögerung zwischen der Eintreffzeit eines VS-Managements- oder Steuerbursts und dessen Nenn-Eintreffzeit in der Empfangsrahmenzeit der HRS 400 gemessen wird. Die HRS 400 sendet den gemessenen Timingfehler über einen Signalisierungskanal des Satelliten 300 an die VS 200. Wie in 5 und 6 dargestellt ist, werden Timingkorrekturen durch Anpassen der Rahmenzähler 2141 und 2142 und Frequenzkorrekturen durch Ändern der Taktfrequenz entweder des VCXO 2143 oder des DDS 2146 durchgeführt. Schließlich muss erwähnt werden, dass Takte für terrestrische Schnittstellen vorteilhafterweise mit Hilfe eines Phasenregelkreises (PLL) aus einem dopplerfreien, lokalen Takt erzeugt werden.
  • In 7 und 8 werden die alternativen Taktkorrekturprozeduren für die VS 200 dargestellt. Bevor diese Prozeduren im Einzelnen besprochen werden, würde eine Erläuterung der darin verwendeten Nomenklatur das Verständnis der zu besprechenden Prozeduren vereinfachen. Die diversen, in 7 und 8 verwendeten Parameter sind wie folgt definiert:
    • en:
    Betrag der am Empfangsrahmenzähler vorgenommenen Korrektur in Bits bei jedem gegebenen Empfangstimingkorrektur-Ereignis. Ein positiver Wert bedeutet, dass das Empfangstiming nach „rechts" angepasst wurde, was impliziert, dass der lokale Takt schneller ist als der empfangene Takt. Messungen von en- (und sn) werden in Bits bei der Rf-Taktrate ausgedrückt.
    sn:
    Betrag der am Senderahmenzähler vorgenommenen Korrektur in Bits bei jedem gegebenen Sendetimingkorrektur-Ereignis. Ein positiver Wert bedeutet, dass das Sendetiming nach „rechts" angepasst wurde, was impliziert, dass der lokale Takt schneller ist als der Empfangstakt an der Referenzstation.
    yn:
    Aufsummierter Gesamtfehler seit der letzten erfolgreich durchgeführten Empfangsrahmenerfassung
    vorhyn:
    Wert von yn, als die vorherige Taktkorrektur vorgenommen wurde Erforderliche Änderung der Referenzfrequenz (Rf) in Hz. Rf ist um f zu vermindern. Ein positiver Wert von f bedeutet, dass der lokale Takt Rf schneller als R ist.
    T:
    Messdauer in Sekunden; ein Vielfaches der Rahmenperiodendauer
    SW:
    Schwellwert für das Auslösen der Korrektur (empfohlener Wert: 4)
    Tmax:
    Maximale Zeitdauer ohne Auslösen der Korrektur (empfohlener Wert: 60 bis 120 Sekunden)
    Ty:
    siehe unten
    Tb:
    siehe unten
    un:
    Wert der VXCO-Korrekturspannung
    wn:
    Wert der VXCO-Gesamtspannung
    C,a:
    Parameter des VCXO, siehe unten
  • Zunächst wird auf 5 und 7 Bezug genommen und die Taktregelungsprozedur für die mit einem VCXO 2143 ausgerüstete VS 200 beschrieben. Einleitend ist anzumerken, dass wn während der Empfangsrahmenerfassung auf einen in einer lokalen Datenbank gespeicherten Wert gesetzt wird. Es ist weiterhin anzumerken, dass der Wert von wn im Allgemeinen bei jeder Änderung in der Datenbank in einem nichtflüchtigem Speicher gespeichert wird. Während der Installation der Station wird wn auf einen Nennwert gesetzt. Nach Abschluss der Empfangsrahmenerfassung wird yn auf 0 initialisiert. Danach werden Empfangstimingkorrekturen auf den Zähler yn aufsummiert. Nach Abschluss der Senderahmenerfassung werden außerdem Sendetimingkorrekturen auf den Zähler yn aufsummiert. Die Aufsummierung erfolgt in Schritt 1.
  • Ungefähr nach jeder Steuerrahmenzeit, d.h. der Zeit zwischen Sendetimingkorrekturen, wird, in Schritt 2, yn ausgewertet. Falls |yn-vorhyn| > SW oder T >= Tmax Sekunden, werden die nachfolgenden Prozedurschritte ausgeführt. Falls die Bedingungen nicht erfüllt sind, werden die Schritte 1 und 2 wiederholt. Es soll erwähnt werden, dass T die Zeitmenge in Sekunden ist, die seit der letzten Ausführung von Schritt 4 verstrichen ist. Man wird außerdem verstehen, dass T ein Vielfaches der Steuerrahmenzeit ist, bei welcher es sich um eine feste Systemkonstante handelt. Der Vergleich T >= Tmax sollte erfolgen, indem die Anzahl empfangener Rahmen gezählt wird, und nicht durch Abfragen eines lokalen Takts oder einer lokalen Uhrzeit.
  • Bevor die nachfolgenden Prozedurschritte besprochen werden, wäre es im Sinne eines vollen Verständnisses des Verfahrens zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts hilfreich, die Beweggründe für die Prüfung „|yn – vorhyn| > SW" zu besprechen. Im stationären Zustand werden sich en und sn aufgrund des Dopplereffekts im Allgemeinen periodisch um denselben Betrag erhöhen und verringern. Die tatsächlichen Zeitpunkte des Erhöhens und Verringerns stehen jedoch in keiner Beziehung zueinander. Somit wird yn mit der Zeit um ±1 schwanken. Das System sollte daher keine Taktkorrekturen vornehmen, wenn |yn – vorhyn <= 1. Anstelle von 1 wurde ein Schwellwert von 4 gewählt, um die Möglichkeit einer versäumten sn-Korrektur zu berücksichtigen. Es ist zu beachten, dass sn-Korrekturen basierend auf einem Nachrichtenaustausch zwischen einer VS 200 und einer RS (400 oder 500) einmal je Steuerrahmen erfolgen, wohingegen en-Korrekturen von der VS 200 bei jedem empfangenen Rahmen autonom vorgenommen werden. Darüber hinaus ist es selbst, wenn sich yn nicht ändert, möglich, dass yn nicht 0 beträgt; das System soll den Takt anpassen, um yn auf 0 zu bringen, was der Grund für die „T >= Tmax Sekunden"-Prüfung ist.
  • In Schritt 3 berechnet der Taktkorrekturprozessor 2145 den Frequenzkorrekturwert f unter Verwendung der folgenden Werte und Ausdrücke: Tb = Zeit seit der letzten Ausführung von Schritt 3, Falls |yn| <= 0 oder |yn| >= 8 Ty = 12 (Sekunden)sonst Ty = Tmax f = (yn – vorhyn)/Tb/2 + yn/Ty/2 vorhyn = yn.
  • Es soll erwähnt werden, dass es sich bei dem Faktor (yn – vorhyn)/Tb/2 um den zuletzt gemessenen Taktunterschied handelt; die Frequenz wird unmittelbar um diesen Betrag angepasst. Der Faktor yn/Ty/2 ist die zur Korrektur von yn innerhalb der nächsten Ty Sekunden benötigte Frequenzänderung, wobei yn die Anzahl von „Bits" ist, die bisher aufsummiert wurden. Bevorzugt wird Ty auf Basis des Werts von yn ausgewählt. Wenn yn relativ klein ist, wird ein großer Wert für Ty gewählt, der eine geringe, langsame Frequenzänderung bewirkt; wenn yn relativ groß ist, wird ein kleiner Wert für Ty gewählt, der eine hohe Frequenzänderung bewirkt. Der kleinste Wert für Ty (12) sollte ein Mehrfaches der Steuerrahmen-Periodendauer betragen. Der größte Wert für Ty (Tmax) sollte das Zwei- bis Achtfache von 1/fmin betragen, wobei fmin die kleinste Frequenzänderung ist, die von der Hardware der VS 200 implementiert wird.
  • Es sei angemerkt, dass während der Zeit, in der zwar Empfangssynchronisierung, aber noch keine Sendesynchronisierung erreicht worden ist, der oben berechnete Wert von „f" strenggenommen den Frequenzunterschied um die Hälfte unterschätzt. Es könnte daher in dieser Phase f mit 2 multipliziert werden. Wird dies unterlassen, konvergiert das Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts gemäß der vorliegenden Erfindung dennoch gegen den richtigen Wert; es dauert lediglich ein wenig länger.
  • In den Schritten 4 und 5 kann die Ausgangsfrequenz von VCXO 2143 vorteilhafterweise angepasst werden, indem der Wert f aus Schritt 3 benutzt wird, um den Wert wn zu berechnen, welcher dem VCXO 2143 als Eingang zur Verfügung gestellt wird. In Schritt 4 wird der Wert un aus dem Ausdruck un = f·C/a berechnet, und in Schritt 5 wird wn unter Verwendung des Ausdrucks wn = wn + un berechnet. Es soll erwähnt werden, dass C eine Konstante mit dem Wert 2** 16/(VCXO-Eingangsspannungsbereich) ist, wobei 16 die Anzahl der Eingangsbits des mit dem VCXO 2143 verbundenen DAC 2145a ist. Ferner ist „a" die Steigung der Spannungs-Frequenz-Kurve des VCXO 2143 in Hertz/Volt, z.B. –121 Hz/V. Normalerweise ist „a" eine negative Zahl, das heißt, eine positive Spannung bewirkt eine Reduzierung der Frequenz. Da der an die Hardware gelieferte Wert un nur diskrete Werte annehmen kann (–n, ... –1, 0, 1, ...), wird er auf die nächstliegende Ganzzahl gerundet. Es soll erwähnt werden, dass, falls der in der obigen Gleichung benutzte Wert von „a" nicht exakt mit dem Wert von a' übereinstimmt, den der VCXO 2143 implementiert, der Betrag der Korrektur f nicht gleich –f ist. Falls –2f < f < 0, so wird das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung iterativ gegen den richtigen Wert von Rf konvergieren. Dies impliziert, dass a'/a kleiner als 2 sein muss.
  • Es wird nun auf 6 und 8 Bezug genommen und die Taktregelungsprozedur für die mit einem DDS 2146 ausgerüstete VS 200 beschrieben. Einleitend soll erwähnt werden, dass Rf während der Empfangsrahmenerfassung auf einen in der lokalen Datenbank gespeicherten Wert gesetzt wird. Der Wert von Rf wird im Allgemeinen bei jeder Änderung in der Datenbank in einem nichtflüchtigem Speicher gespeichert. Während der Installation der Station wird Rf auf einen Nennwert gesetzt. Nach Abschluss der Empfangsrahmenerfassung wird yn auf 0 initialisiert. Danach werden Empfangstimingkorrekturen auf den Zähler yn aufsummiert. Nach Abschluss der Senderahmenerfassung werden außerdem Sendetimingkorrekturen auf den Zähler yn aufsummiert. Die Aufsummierung erfolgt in Schritt 11.
  • Ungefähr nach jeder Steuerrahmenzeit, d.h. der Zeit zwischen Sendetimingkorrekturen, wird, in Schritt 12, yn ausgewertet. Falls |yn-vorhyn| > SW oder T >= Tmax Sekunden, werden die nachfolgenden Prozedurschritte ausgeführt. Falls die Bedingungen nicht erfüllt sind, werden die Schritte 11 und 12 wiederholt. Es soll erwähnt werden, dass T die Zeitmenge in Sekunden ist, die seit der letzten Ausführung von Schritt 4 verstrichen ist. Man wird außerdem erkennen, dass T ein Vielfaches der Steuerrahmenzeit ist, bei welcher es sich um eine feste Systemkonstante handelt. Der Vergleich T >= Tmax sollte erfolgen, indem die Anzahl empfangener Rahmen gezählt wird, und nicht durch Abfragen eines lokalen Takts oder einer lokalen Uhrzeit.
  • In Schritt 13 berechnet der Taktkorrekturprozessor 2145 den Frequenzkorrekturwert f unter Verwendung der folgenden Werte und Ausdrücke: Tb = Zeit seit der letzten Ausführung von Schritt 13, Falls |yn| <= 0 oder |yn| >= 8 Ty = 12 (Sekunden)sonst Ty = Tmax f = (yn – vorhyn)/Tb/2 + yn/Ty/2 vorhyn = yn.
  • Es soll erwähnt werden, dass es sich bei dem Faktor (yn – vorhyn)/Tb/2 um den zuletzt gemessenen Taktunterschied handelt; die Frequenz wird unmittelbar um diesen Betrag angepasst. Der Faktor yn/Ty/2 ist die zur Korrektur von yn innerhalb der nächsten Ty Sekunden benötigte Frequenzänderung, wobei yn die Anzahl von „Bits" ist, die bisher aufsummiert wurden. Bevorzugt wird Ty auf Basis des Werts von yn ausgewählt. Wenn yn relativ klein ist, wird ein großer Wert für Ty gewählt, der eine geringe, langsame Frequenzänderung bewirkt; wenn yn relativ groß ist, wird ein kleiner Wert für Ty gewählt, der eine hohe Frequenzänderung bewirkt. Der kleinste Wert für Ty (12) sollte ein Mehrfaches der Rahmenperiodendauer betragen. Der größte Wert für Ty (Tmax) sollte das Zwei- bis Achtfache von 1/fmin betragen, wobei fmin die kleinste Frequenzänderung ist, die von der Hardware der VS 200 implementiert wird.
  • Es sei angemerkt, dass während der Zeit, in der zwar Empfangssynchronisierung, aber noch keine Sendesynchronisierung erreicht worden ist, der oben berechnete Wert von „f" strenggenommen den Frequenzunterschied um die Hälfte unterschätzt. Daher könnte in dieser Phase f mit 2 multipliziert werden. Wird dies unterlassen, konvergiert das Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts gemäß der vorliegenden Erfindung dennoch gegen den richtigen Wert; es dauert lediglich ein wenig länger.
  • In Schritt 14 kann die Frequenz des DDS 2146 vorteilhafterweise unter Verwendung des Ausdrucks Rf = Rf – f angepasst werden, wobei der Wert von f einfach von dem aktuellen Wert von Rf subtrahiert wird. Es sei angemerkt, dass der an die Hardware der VS 200 übergebene Wert Rf nur bestimmte diskrete Werte (n·F) annehmen kann und daher auf die nächstliegende Ganzzahl gerundet wird.
  • Es soll an dieser Stelle erwähnt werden, dass, falls der Ausgang des VCXO 2143 oder des DDS 2145 nicht Rf sondern Rf·x mit einer positiven reellen Zahl x ist, also Rf unter Verwendung einer Multiplizier- oder Dividiereinrichtung in einer nachgeschalteten Stufe von dem Ausgang des VCXO oder des DDS abgeleitet wird, in den obigen Gleichungen f mit x multipliziert werden muss.
  • 9 bis 12 veranschaulichen die Funktionsweise der Schaltungsanordnung in der VS 200 bei der Reaktion auf Änderungen am System. Zum Beispiel stellt 9 den Ausgang des erfinderischen Verfahrens bei der Reaktion auf einen relativ hohen Impulseingang dar. In 9 ist T = 3 Sekunden, Rf anfänglich = 20,001 MHz, R = 20 MHz, Doppler = 0, Granularität der Frequenzänderungen = 1/32 Hz. 10 stellt für dasselbe Szenario den aufsummierten Gesamtfehler yn dar. Alternativ hierzu zeigen die 11 und 12 Störungen von Rf und yn, wenn ein zufälliger Fehler von 10–8 pro Sekunde in den Takt Rf eingefügt wird, unter Verwendung der Parameter T = 3 s, Rf anfänglich = ~20 MHz, R = 20 MHz, Doppler = 0 und Granularität der Frequenzänderungen = 1/32 Hz.
  • Es soll erwähnt werden, dass das oben beschriebene Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise auch für Satellitensysteme mit Verarbeitung/Vermittlung an Bord des Satelliten benutzt werden kann, wie z.B. für neuere, im Ka-Band arbeitende, geosynchrone Multimedia-Satellitensysteme und für Satellitensysteme mit Verarbeitungs-Satelliten in erdnaher Umlaufbahn (LEO, engl. „Low Earth Orbit"). Bei diesen Systemen reproduziert das Verfahren einen dopplerfreien Takt, der starr mit dem Referenztakt an Bord des Satelliten synchronisiert ist.
  • Es sei außerdem angemerkt, dass der oben beschriebene Takterzeugungsalgorithmus vorteilhafterweise auch für drahtlose/satellitengestützte Punkt-zu-Punkt-Systeme, z.B. in drahtlosen/satellitengestützten Punkt-zu-Punkt-Modems, benutzt werden kann. Mit anderen Worten: Unter Verwendung dieses Verfahrens ist es möglich, ein exaktes Timing von einem Modem an das andere zu verteilen. Bei diesen letztgenannten Systemen kann eine geeignete Zeitmultiplex-Framing-Struktur (TDM, engl. „Time Division Multiplex") benutzt werden, um die Messung des Rahmentimings und die Timingkorrektur zu implementieren.
  • Zwar wurden vorstehend derzeit bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben, doch muss klar sein, dass viele Varianten und/oder Modifikationen der hierin gelehrten, grundlegenden erfinderischen Konzepte, die dem Fachmann auf dem einschlägigen Fachgebiet in den Sinn kommen können, ebenso in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, der durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts in einem Kommunikationsnetz, welches eine Hauptreferenzstation (400) und eine Station (200) aufweist, die Referenz- und Managementbursts austauschen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (1) Bestimmen eines Sendetimingkorrekturwerts als Reaktion auf den Managementburst, den die Hauptreferenzstation (400) empfängt, (2) Bestimmen eines Empfangstimingkorrekturwerts als Reaktion auf den Referenzburst, den die Station (200) empfängt, und (3) Anpassen der Frequenz eines Takts (2143, 2146, 4143) als Reaktion sowohl auf den Sendetimingkorrekturwert als auch auf den Empfangstimingkorrekturwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  2. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 1, wobei der Schritt (3) ferner folgende Schritte umfasst: (3)(i) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen, und (3)(ii) Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  3. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 1, wobei der Schritt (3) ferner folgende Schritte umfasst: (3)(i) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen, (3)(ii) Bestimmen, wann eine Frequenzanpassung erforderlich ist, als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, und (3)(iii) Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  4. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 1, wobei der Schritt (3) ferner folgende Schritte umfasst: (3)(i) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen, (3)(ii) Bestimmen, wann eine Frequenzanpassung erforderlich ist, durch Vergleichen des aufsummierten Gesamtfehlerwerts mit einem zuvor abgespeicherten aufsummierten Gesamtfehlerwert und (3)(iii) Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  5. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 1, wobei der Schritt (3) ferner folgende Schritte umfasst: (3)(i) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen, (3)(ii) Bestimmen, wann eine Frequenzanpassung erforderlich ist, durch Vergleichen der Anzahl der von der Station empfangenen Frames mit einem vorbestimmten Maximalwert, und (3)(iii) Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  6. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 1, wobei der Schritt (3) ferner folgende Schritte umfasst: (3)(i) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen, (3)(ii) Bestimmen, wann eine Frequenzanpassung erforderlich ist, durch Vergleichen des aufsummierten Gesamtfehlerwerts mit einem zuvor abgespeicherten aufsummierten Gesamtfehlerwert und (3)(iii) Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen, unter Verwendung der Formel: f = (yn – vorhyn)/Te/2 + yn/Ty/2wobei yn der aufsummierte Gesamtfehler seit der letzten erfolgreich durchgeführten Empfangsframeerfassung ist, vorhyn der Wert von yn, als die vorherige Taktkorrektur vorgenommen wurde, ist, f die erforderliche Änderung der Referenzfrequenz (Rf) in Hz ist, Ty eine Konstante ist und Te die Zeit seit der letzten Berechnung von f ist.
  7. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 1, wobei der Schritt (3) ferner folgende Schritte umfasst: (3)(i) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen, (3)(ii) Bestimmen, wann eine Frequenzanpassung erforderlich ist, durch Vergleichen der Anzahl der von der Station empfangenen Frames mit einem vorbestimmten Maximalwert, und (3)(iii) Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen, unter Verwendung der Formel: f = (yn – vorhyn)/Te/2 + yn/Ty/2wobei: yn der aufsummierte Gesamtfehler seit der letzten erfolgreich durchgeführten Empfangsframeerfassung ist, vorhyn der Wert von yn, als die vorherige Taktkorrektur vorgenommen wurde, ist, f die erforderliche Änderung der Referenzfrequenz (Rf) in Hz ist, Ty eine Konstante ist und Te die Zeit seit der letzten Berechnung von f ist.
  8. Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 1, ferner umfassend das Initialisieren der Hauptreferenzstation als Reaktion auf einen ersten Referenzburst, den die Hauptreferenzstation erzeugt.
  9. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 8, wobei der Schritt (3) ferner folgende Schritte umfasst: (3)(i) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen, (3)(ii) Bestimmen, wann eine Frequenzanpassung erforderlich ist, als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, (3)(iii) sofern die Frequenzanpassung nicht erforderlich ist: Wiederholen der Schritte und (3), und (3)(iv) sofern die Frequenzanpassung erforderlich ist: Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  10. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 8, wobei der Schritt (3) ferner folgende Schritte umfasst: (3)(i) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen, (3)(ii) Bestimmen, wann eine Frequenzanpassung erforderlich ist, durch Vergleichen des aufsummierten Gesamtfehlerwerts mit einem zuvor abgespeicherten aufsummierten Gesamtfehlerwert und (3)(iii) Anpassen der Frequenz eines Takts als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen.
  11. Verfahren zum Erzeugen eines dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 1, wobei der Anpassungsschritt ferner Folgendes umfasst: (4) Aufsummieren des Sendetimingkorrekturwerts und des Empfangstimingkorrekturwerts, um dadurch einen aufsummierten Gesamtfehlerwert zu erzeugen, (5) Bestimmen, ob eine Frequenzanpassung erforderlich ist, als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, (6) sofern die Frequenzanpassung nicht erforderlich ist: Wiederholen der Schritte (2) und (3), (7) sofern die Frequenzanpassung erforderlich ist: Berechnen eines Anpassungswerts, der auf die Frequenz eines Takts angewendet wird, als Reaktion auf den aufsummierten Gesamtfehlerwert, um dadurch den dopplerfreien, lokalen Takt zu erzeugen, unter Verwendung der Formel: f = (yn – vorhyn)/Te/2 + yn/Ty/2wobei: yn der aufsummierte Gesamtfehler seit der letzten erfolgreich durchgeführten Empfangsframeerfassung ist, vorhyn der Wert von yn, als die vorherige Taktkorrektur vorgenommen wurde, ist, f der Anpassungswert ist, der die erforderliche Änderung der Referenzfrequenz (Rf) in Hz anzeigt, Ty eine Konstante ist und Te die Zeit seit der letzten Berechnung von f ist.
  12. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 11, wobei die Station einen direkten digitalen Synthesegenerator (DDS) aufweist, der operativ an einen freischwingenden Oszillator gekoppelt ist, und wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt umfasst: (8) Anlegen des Anpassungswerts an den DDS.
  13. Verfahren zum Erzeugen des dopplerfreien, lokalen Takts nach Anspruch 11, wobei die Station einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCXO) aufweist, und wobei das Verfahren ferner folgende Schritte umfasst: (8) Berechnen eines korrigierten Spannungswerts als Reaktion auf den Anpassungswert, (9) Berechnen eines anzulegenden Spannungswerts als Reaktion auf den korrigierten Spannungswert und eine zuvor angelegte VCXO-Spannung und (10) Anlegen des anzulegenden Werts an den VCXO.
DE69836798T 1997-10-20 1998-10-20 Verfahren zur erzeugung einer doppler freien genauen lokalen uhr in einem satelliten oder drahtlosen netz Expired - Lifetime DE69836798T2 (de)

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