ES2346937T3 - Multiplexacion de frecuencias de un enlace ascendente. - Google Patents

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ES2346937T3 ES08300124T ES08300124T ES2346937T3 ES 2346937 T3 ES2346937 T3 ES 2346937T3 ES 08300124 T ES08300124 T ES 08300124T ES 08300124 T ES08300124 T ES 08300124T ES 2346937 T3 ES2346937 T3 ES 2346937T3
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Abstract

Transpondedor embarcado a bordo de un satélite para dos o varias áreas de servicio de enlace ascendente, comprendiendo dos o varias cadenas de recepción (1a, 1b, 2, 3), comprendiendo cada una de ellas una antena de enlace ascendente (1a, 1b), un amplificador de poco ruido (2) y un convertidor (3), dos o varios filtros de entrada (4), por lo menos un multiplexor de entrada (10) que comprende por lo menos tantos filtros pasabanda como cadenas de recepción, una cadena de amplificación (5) que comprende un amplificador de canal (6) y un amplificador de alta potencia (7), y un filtro de salida consecutivo (8) y una antena de enlace descendente (9) para un área de servicio de enlace descendente asociada, caracterizado porque comprende medios (11, 12) para asociar respectivamente una o varias de las dos o varias cadenas de recepción (1a, 1b, 2, 3) a un filtro correspondiente (4) o al multiplexor (10) y de asociar en concordancia el filtro (4) o el multiplexor (10) con la cadena de amplificación (5), y porque cada uno de los filtros pasabanda del multiplexor (10) presentan una pasabanda ajustada al área de servicio de enlace ascendente asociado y una o varias bandas suprimidas asociadas a las otras áreas de servicio de enlace ascendente.

Description

Multiplexación de frecuencias de un enlace ascendente.
La invención se refiere a un transpondedor de satélite para dos o varias áreas de servicio de enlace ascendente y a un sistema de comunicaciones por satélite que comprende dicho transpondedor.
Para evitar cualquier malentendido, se especifica que la presente invención se refiere a un transpondedor embarcado a bordo de un satélite para dos o varias áreas de servicio de enlace ascendente y a un sistema de comunicaciones por satélite que comprende dicho transpondedor embarcado a bordo de un satélite, aunque a veces se escriba solamente "transpondedor de satélite" o "transpondedor".
Tradicionalmente, cada transpondedor se asocia a una sola área de servicio de enlace ascendente y a una sola área de servicio de enlace descendente. El inconveniente de dicho esquema es que si hay tráfico desde dos o varias áreas de servicio a una determinada área de servicio, se necesitan varios transpondedores para los fines de conectividad, incluso cuando la capacidad total requerida es compatible con la de un solo transpondedor. Esto no representa un uso eficiente u óptimo de los recursos del satélite en términos de recursos de radiofrecuencia (ancho de banda) y recursos de potencia. Asimismo, una arquitectura convencional que asocia un transpondedor con múltiples áreas de servicio degrada el factor de mérito (también denominado G/T) que, en el presente caso, es la relación entre la ganancia G de la antena y la temperatura de ruido T en las áreas de servicio de enlace ascendente.
Además, a medida que aumenta la extensión del área de servicio de enlace ascendente, decrece el factor de mérito G/T.
Véase, por ejemplo, el documento FR-A-2 783 377 (sistemas espaciales).
El objetivo de la presente invención es satisfacer las necesidades de conectividad manteniendo un uso eficiente y óptimo de los recursos del satélite, en particular, de la parte de alta potencia de la carga útil y la ocupación del ancho de banda, y sin degradar el factor de mérito del satélite en las áreas de servicio de enlace ascendente.
Un objetivo adicional de la presente invención es permitir un aumento en la extensión del área de servicio de enlace ascendente manteniendo la relación G/T.
La presente invención resuelve el problema planteado mediante una disposición o combinación especificas de equipos convencionales: un transpondedor embarcado a bordo de un satélite para dos o varias áreas de servicio de enlace ascendente que comprende dos o varias antenas de enlace ascendente, un amplificador de poco ruido y un convertidor para cada antena de enlace ascendente, un o varios filtros de entrada, una o varias cadenas de amplificación que comprenden un amplificador de canales y un amplificador de alta potencia, y un filtro de salida y una antena de enlace descendente para un área de servicio de enlace descendente asociada.
Según la presente invención, el transpondedor embarcado a bordo de un satélite comprende medios para asociar una o varias de las dos o varias antenas de enlace ascendente a un área de servicio de enlace ascendente, estando el número preciso determinado por un factor de mérito preestablecido para cada área de servicio de enlace ascendente asociada, comprendiendo además el transpondedor por lo menos un multiplexor de entrada que comprende por lo menos tantos filtros pasabanda como cadenas de recepción que comprenden una antena de enlace ascendente y un amplificador consecutivo de poco ruido y un convertidor enlazados con dicho multiplexor de entrada, teniendo cada uno de los filtros la pasabanda ajustada al área de servicio de enlace ascendente asociada y una o varias bandas suprimidas asociadas a las otras áreas de servicio.
La presente invención utiliza componentes pasivos y no aumenta significativamente el consumo de energía ni la disipación a bordo del satélite con respecto a una carga útil convencional. La presente invención requiere alguna adaptación en la sección de entrada, pero ésta no implica ningún desarrollo significativo debido a que puede llevarse a cabo utilizando equipos convencionales.
El transpondedor de satélite ofrece por tanto la posibilidad de multiplexar en un solo transpondedor señales enlazadas ascendentemente desde distintas áreas de servicio, utilizando una técnica sencilla con la que no se degrada el factor de mérito correspondiente a cada área de servicio de enlace ascendente.
En particular, la presente invención permite que se amplíe el sistema con distintas combinaciones de filtros en el multiplexor de entrada de tal forma que la pasabanda asociada a cada área de servicio de enlace ascendente pueda ajustarse a los variables requisitos comerciales y de marketing a lo largo de la vida de servicio del satélite.
El sistema puede utilizarse también para segmentar una determinada área de servicio de enlace ascendente en varias subáreas, beneficiándose entonces cada subárea de una mayor ganancia en la antena y, por consiguiente, de un mejor factor de mérito G/T. El factor de mérito G/T puede ajustarse a las necesidades reales que tengan las distintas partes de una determinada área, sin detrimento de los recursos de energía y frecuencia.
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La invención se describe a continuación con más detalle haciendo referencia a los dibujos, ilustrándose en las figuras presentadas un ejemplo de una forma de realización de la presente invención. Estas figuras ilustran:
- en la figura 1, un diagrama funcional en bloques de un transpondedor para un satélite de comunicaciones;
- en la figura 2, la arquitectura de la carga útil de un satélite de comunicaciones;
- en la figura 3, un diagrama funcional convencional de una combinación de dos áreas de servicio de enlace ascendente en una sola área de servicio de enlace descendente, utilizando combinación de potencia;
- en la figura 4, un diagrama funcional, según la presente invención, de una combinación de dos áreas de servicio de enlace ascendente en una sola área de servicio de enlace descendente;
- en la figura 5, un diagrama funcional, según la presente invención, de una combinación de dos áreas de servicio de enlace ascendente en una sola área de servicio de enlace descendente, permitiendo este diagrama una asignación flexible del ancho de banda a cada área de servicio de enlace ascendente, estando el diagrama configurado de tal forma que asigna todo el ancho de banda y la potencia al área de servicio de enlace ascendente servido por la antena la;
- en la figura 6, un diagrama funcional, según la presente invención, de una combinación de dos áreas de servicio de enlace ascendente en una sola área de servicio de enlace descendente, permitiendo una asignación flexible del ancho de banda a cada área de servicio de enlace ascendente, estando el diagrama configurado de tal forma que asigna todo el ancho de banda y la potencia al área de servicio de enlace ascendente servido por la antena 1b;
- en la figura 7, un diagrama funcional, según la presente invención, de una combinación de dos áreas de servicio de enlace ascendente en una sola área de servicio de enlace descendente, permitiendo una asignación flexible del ancho de banda a cada área de servicio de enlace ascendente, estando el diagrama configurado de tal forma que asigna una parte del ancho de banda y de la potencia disponibles al área de servicio de enlace ascendente servido por la antena la y asigna la parte restante del ancho de banda y de la potencia disponibles al área de servicio de enlace ascendente servido por la antena 1b;
- en la figura 8 y en la figura 9, los espectros de las señales del componente (antes de la combinación, A y B) y de la señal compuesta (tras la combinación, C) cuando se utiliza y cuando no se utiliza la presente invención, respectivamente; y
- en la figura 10, las características de filtrado de la presente invención en el caso de la combinación de dos áreas de servicio de enlace ascendente.
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Es un hecho conocido que los satélites incluyen dos subsistemas, la plataforma y la carga útil. La plataforma soporta a la carga útil con las funciones de constituir la estructura que comprende los mecanismos de desarrollo para la antena y el conjunto de elementos solares, el sistema de control a bordo que asegura la autonomía del satélite, el sistema de energía eléctrica, el telecomando, el sistema de telemetría y de manejo de datos, el sistema de control de temperaturas y el sistema de control de altitud y orbital que incluye el subsistema de propulsión.
La carga útil se define por su misión, siendo ésta generalmente, dentro del alcance del presente documento, una misión de comunicaciones. Una carga útil para comunicaciones consta típicamente de varios transpondedores cuyo diagrama funcional en bloques se ha ilustrado en la figura 1.
Según esta figura, un transpondedor comprende una antena de enlace ascendente 1 con su área de servicio asociada, un amplificador de poco ruido (LNA) 2, un convertidor 3, un filtro de entrada o desmultiplexador 4, una cadena de amplificación 5 que comprende un amplificador de canal 6 y un amplificador de alta potencia (HPA) 7, un filtro de salida o multiplexor 8 y una antena de enlace descendente 9 con el área de servicio de enlace descendente que tiene asociada. No es necesario que todas las funciones se centren en un solo transpondedor, pueden ser compartidas por varios transpondedores.
La figura 2 ilustra la arquitectura de una carga útil a la que puede aplicarse específicamente la presente invención. En este caso, el sistema ilustrado utiliza dos áreas de servicio de enlace ascendente con las antenas de enlace ascendente 1a y 1b que tienen asociadas. El que se consideren dos áreas de servicio de enlace ascendente es sólo un ejemplo, y el principio puede ampliarse indefinidamente. Los amplificadores de poco ruido 2 y los convertidores 3 se comparten entre varios transpondedores (en este ejemplo, tres transpondedores por área de servicio). El filtro de entrada o desmultiplexador 4 divide en este ejemplo la entrada en tres canales de transpondedor, dedicándose el ancho de banda a cada canal y procesándose cada uno de ellos con una cadena de amplificación 5 que incluye típicamente el amplificador de canal 6 y el amplificador de alta potencia (HPA) 7. Las señales amplificadas se suministran seguidamente a los filtros de salida 8 de un multiplexador de salida (OMUX) y a una antena de enlace descendente 9. De este modo, el área de servicio de enlace ascendente por medio de la antena de enlace ascendente la es común a un conjunto de transpondedores (tres en este ejemplo), mientras que el área de servicio de enlace ascentente por medio de la antena de enlace ascendente 1b es común al otro conjunto de tres transpondedores. En este ejemplo, el área de servicio de enlace descendente es común a todos los transpondedores.
En las comunicaciones por satélite, el amplificador de alta potencia (HPA) 7 representa un recurso importante que es pesado y que consume la mayor parte de energía de corriente continua en la carga útil. Constituye por tanto un factor que determina el dimensionamiento del satélite. Es importante utilizar eficientemente estos recursos. Esto es el objetivo de la presente invención. Si hay un poco de tráfico desde cada área de servicio, este esquema necesita dos transpondedores incluso si la capacidad de un solo transpondedor fuese suficiente. La figura 3 ilustra el diagrama funcional en bloques de la configuración que soporta la conectividad con las áreas de servicio de enlace ascendente (dos en el ejemplo considerado). Como podrá apreciarse, hay que utilizar dos cadenas de amplificación incluso cuando la capacidad total es compatible con la de una sola cadena de amplificación.
La presente invención elimina este inconveniente de manera que el número de amplificadores de alta potencia necesarios depende únicamente de la capacidad total requerida y no de la capacidad total requerida y de los requisitos de conectividad.
La figura 4 ilustra el diagrama funcional propuesto para un transpondedor capaz de recibir señales procedentes de varias áreas de servicio (dos en este ejemplo), multiplexando las señales en el dominio de frecuencias para presentar una señal multiplexada a la cadena de amplificación. A este respecto, la sección de entrada hasta el convertidor, es decir, las cadenas de recepción que comprenden respectivamente las antenas de enlace ascendente 1a o 1b, el amplificador de poco ruido (LAN 2) correspondiente y el convertidor 3, es idéntica a la del caso convencional ilustrado en la figura 3. Sin embargo, se utilizan solamente una cadena de amplificación 5 y un filtro de salida en lugar de tantos como áreas de servicio de enlace ascendente haya asociadas. Esto representa una ventaja considerable como ya se explicó anteriormente.
La diferencia fundamental es el uso de un multiplexor de entrada 10. En su configuración básica, el multiplexor de entrada podría consistir en un combinador de potencia en el que se suman las potencias de todas las áreas de servicio de enlace ascendente. La ortogonalidad de las señales se asegura funcionalmente asignando una parte del espectro a un área de servicio y la otra parte del espectro a la(s) otra(s) área(s) de servicio de enlace ascendente. Los problemas que presenta este caso son dos:
1.
Errores operativos implican interferencias entre un área de servicio y otra, reduciéndose por tanto la integridad del sistema y
2.
el factor de mérito (también denominado G/T) del enlace ascendente se degrada en todas las áreas de servicio, reduciéndose el rendimiento, lo que implica tener que utilizar estaciones terrestres de enlace ascendente de mayor tamaño. Mejorar la relación G/T es difícil.
La suma de potencias implica sumar los espectros de todas las áreas de servicio de enlace ascendente. La ortogonalidad de las señales se asegura mediante la segregación funcional de señales, por lo que al bloquearse así los errores operativos, se impiden las interferencias mutuas.
Las figuras 5, 6 y 7 ilustran el diagrama funcional propuesto para un transpondedor capaz de recibir señales de varias áreas de servicio (dos en el ejemplo considerado), transmitiéndose señales procedentes de una de las dos áreas de servicio de enlace ascendente o de las dos áreas de servicio, y para la distribución de dichas señales en el lado de enlace descendente según las necesidades efectivas que son variables, utilizándose en dicho diagrama la presente invención. Este diagrama funcional saca partido de las ventajas que ofrece el multiplexor de entrada 10, mientras mantiene la posibilidad de asignar todo el ancho de banda y potencia disponibles a cualquiera de las dos áreas de servicio de enlace ascendente. Se dispone así de una flexibilidad adicional para los casos en los que los diseñadores de satélites no saben con anterioridad si una de las dos áreas de servicio de enlace ascendente requerirá todos los recursos disponibles. Para este fin, los filtros 4a y 4b presentan las mismas características de ancho de banda; el espectro asociado a la pasabanda de los filtros 4a y 4b corresponde a la envolvente del espectro asociado a la pasabanda que cubre el multiplexor 10.
En la figura 5, los conmutadores 11a y 11b en la entrada de los filtros 4a y 4b y el multiplexor 10, y los conmutadores 12a y 12b en la salida de los filtros 4a y 4b y el multiplexor 10 se han configurado de tal forma que las señales transmitidas provienen únicamente de la antena la. Todo el espectro y potencia disponibles se asignan por consiguiente al área de servicio correspondiente a la antena 1a.
En la figura 6, los conmutadores 11a y 11b en la entrada de los filtros 4a y 4b y el multiplexor 10, y los conmutadores 12a y 12b en la salida de los filtros 4a y 4b y el multiplexor 10 se han configurado de tal forma que las señales transmitidas provienen únicamente de la antena 1b. Todo el espectro y potencia disponibles se asignan por consiguiente al área de servicio correspondiente a la antena 1b.
En la figura 7, los conmutadores 11a y 11b en la entrada de los filtros 4a y 4b y el multiplexor 10, y los conmutadores 12a y 12b en la salida de los filtros 4a y 4b y el multiplexor 10 se han configurado de tal forma que las señales transmitidas proceden de las dos antenas 1a y 1b y se combinan en el multiplexor 10. El espectro y la potencia se asignan de este modo al área de servicio correspondiente a la antena 1b. Parte del espectro se asigna al área de servicio asociada a la antena la y otra parte del espectro se asigna a la otra área de servicio de enlace ascendente asociada a la antena 1a.
Se puede desde luego ampliar este diagrama funcional para incluir otras asignaciones del espectro a otras áreas de servicio (repartiendo la mitad del espectro a cada área de servicio, o un tercio a una y dos tercios a otra, o una cuarta parte a una y tres cuartas partes a otra, según las necesidades operativas y comerciales). Se puede ampliar también la invención propuesta a más de dos áreas de servicio de enlace ascendente.
Sumar potencias implica también sumar el ruido de todos los enlaces ascendentes, lo que implica una disminución en la razón de señal de enlace ascendente a ruido. Por ejemplo, si la relación G/T es similar para cada área de servicio, la combinación de potencias de dos áreas de servicio degrada típicamente la relación G/T en 3 dB. Esto puede apreciarse en la figura 8, en la que A representa el espectro de la señal procedente de un área de servicio, B, la de otra, y C, el espectro que se obtiene tras sumar la potencia de las dos señales. Los componentes se señal ascendente se representan mediante S1 y S2, el ruido, mediante N y la razón de señal a ruido, como SNR. Obsérvese que la SNR en C es más pequeña que la SNR en A y B.
En el mismo ejemplo, si la relación G/T es distinta para cada una de las dos áreas de servicio, la combinación de potencias de las dos áreas de servicio implica una degradación significativa (> 3 dB) en la relación G/T del área de servicio de mejores características funcionales y una degradación menos importante (< 3 dB) en la relación G/T del área de servicio con peores características funcionales. Esto es frecuentemente inadmisible a nivel operativo.
La presente invención utiliza la multiplexación de frecuencias utilizando filtros, de aquí la denominación "Multiplexación de frecuencias de enlace ascendente". Esto se ilustra en la figura 9 y figura 10. El espectro SA asignado a un área de servicio A corresponde a la pasabanda pb del filtro de entrada FA utilizado con el área de servicio A, mientras que el espectro SB asignado a la otra área de servicio B corresponde a la banda suprimida sb del mismo filtro de entrada FA. El filtro de entrada FB para el área de servicio B se especifica de forma análoga. Este esquema elimina las dos desventajas señaladas anteriormente.
El hecho de utilizar filtros significa que los errores operativos no reducirán la integridad del sistema. Una señal de enlace ascendente procedente de un área de servicio que tenga una frecuencia que corresponde a la asignada a la(s) otra(s) área(s) de servicio no originará ninguna interferencia debido a que caerá dentro de la banda suprimida del filtro asociado.
Además, sólo podrá pasar al sistema el ruido asociado al espectro asignado a un área de servicio. No se genera ningún ruido adicional como en el caso del combinador de potencia y, por consiguiente, no se produce ninguna degradación significativa en la relación G/T. En la figura 9, la SNR en C es del mismo orden de magnitud que la SNR en A y B.
El sistema de comunicaciones según la presente invención presenta ventajas importantes:
-
La conectividad de enlace ascendente es ahora una característica independiente con respecto a la asignación del transpondedor. Esto permite utilizar la cadena de amplificación con toda su potencia y capacidad potenciales, lo que implica un mejor uso óptimo de los recursos del satélite.
-
El multiplexor de frecuencias de enlace ascendente que utiliza filtros según lo descrito anteriormente asegura la robustez e integridad del sistema. Las señales de enlace ascendente de una determinada área de servicio que caen fuera del espectro asignado a dicha área de servicio se rechazan y no pueden por tanto originar interferencias con la otra área de servicio.
-
De forma similar, los filtros de una determinada área de servicio rechazan el ruido procedente de otra área de servicio, por lo que no se produce ninguna degradación en la relación G/T. No tienen que aumentarse por tanto los requisitos que debe cumplir la estación terrestre de enlace ascendente, por lo que tampoco se modifican los costes ni la viabilidad comercial del sistema.
-
La implementación de la invención puede realizarse utilizando tecnología convencional, sin tener que invertirse en desarrollos significativos, y además con un coste, riesgo e inversión en tiempo mínimos. Representa asimismo un riesgo mínimo de impacto sobre el programa establecido para un satélite.
-
El sistema puede ampliarse con distintas combinaciones de filtros en el multiplexor de entrada a fin de ajustar la pasabanda asociada a cada área de servicio de enlace ascendente según las necesidades comerciales y de marketing que se puedan dar a lo largo de la vida de servicio del satélite.
-
El sistema puede utilizarse también para segmentar una determinada área de servicio de enlace ascendente en varias subáreas, beneficiándose entonces cada subárea de una mayor ganancia en la antena y, por consiguiente, de una mejor relación G/T. La relación G/T puede ajustarse a las necesidades reales de las distintas partes de una determinada área, sin detrimento a los recursos de potencia y frecuencia.
\newpage
Referencias citadas en la descripción
Esta lista de referencias citadas por el solicitante se presenta únicamente para el provecho del lector. No forma parte del documento de patente europea. Aunque se haya puesto mucho cuidado en la compilación de las referencias, no puede excluirse la posibilidad de errores u omisiones y la Oficina de Patentes Europeas no asume ninguna responsabilidad a este respecto.
Documentos de patente citados en la descripción
\bullet FR 2783377 A [0005]

Claims (5)

1. Transpondedor embarcado a bordo de un satélite para dos o varias áreas de servicio de enlace ascendente, comprendiendo dos o varias cadenas de recepción (1a, 1b, 2, 3), comprendiendo cada una de ellas una antena de enlace ascendente (1a, 1b), un amplificador de poco ruido (2) y un convertidor (3), dos o varios filtros de entrada (4), por lo menos un multiplexor de entrada (10) que comprende por lo menos tantos filtros pasabanda como cadenas de recepción, una cadena de amplificación (5) que comprende un amplificador de canal (6) y un amplificador de alta potencia (7), y un filtro de salida consecutivo (8) y una antena de enlace descendente (9) para un área de servicio de enlace descendente asociada, caracterizado porque comprende medios (11, 12) para asociar respectivamente una o varias de las dos o varias cadenas de recepción (1a, 1b, 2, 3) a un filtro correspondiente (4) o al multiplexor (10) y de asociar en concordancia el filtro (4) o el multiplexor (10) con la cadena de amplificación (5), y porque cada uno de los filtros pasabanda del multiplexor (10) presentan una pasabanda ajustada al área de servicio de enlace ascendente asociado y una o varias bandas suprimidas asociadas a las otras áreas de servicio de enlace ascendente.
2. Transpondedor embarcado a bordo de un satélite según la reivindicación 1, caracterizado porque el espectro del multiplexor de entrada (10) está dividido en por lo menos tantos espectros parciales como antenas de enlace ascendente (p. ej., 1a, 1b) hay enlazadas con el multiplexor (10), correspondiendo el conjunto de bandas pasantes de todos los filtros juntos al espectro del multiplexor de entrada (10), estando dicho multiplexor de entrada conectado a un amplificador de alta potencia (7).
3. Transpondedor embarcado a bordo de un satélite según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque comprende tantos filtros de entrada (4) y tantos conmutadores (11 y 12) como cadenas de recepción (1a, 1b, 2, 3).
4. Transpondedor embarcado a bordo de un satélite según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los filtros (4) para cada área de servicio de enlace ascendente presentan características de ancho de banda idénticas; correspondiendo el espectro asociado a la pasabanda de los filtros (4a, 4b) a la envolvente de los espectros asociados a la pasabanda cubierta por el multiplexor (10).
5. Sistema de comunicaciones por satélite para dos o varias áreas de servicio de enlace ascendente, caracterizado porque comprende un transpondedor embarcado a bordo de un satélite según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
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