ES2911517T3 - Mejora de la eficiencia energética en sistemas de RF de formación de haces - Google Patents
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Abstract
Un sistema (700, 800) para mejorar la eficiencia energética de los satélites (20) de comunicaciones que tiene un conjunto de elementos (702) de antena de recepción de RF, el sistema que comprende: un formador de haces (708) configurado para generar una pluralidad de señales (709) formadas por haces basado en una pluralidad de señales (703) de entrada recibidas a través de los elementos de antena de recepción de RF; una pluralidad de amplificadores (704, 804) de potencia configurados para amplificar una primera pluralidad de señales correspondientes a la pluralidad de señales formadas por haces; un conjunto de elementos (806) de antena de transmisión, en donde cada elemento de antena de transmisión está configurado para transmitir una señal (805) de RF basado en una salida de uno de los amplificadores (804) de potencia; y un descorrelacionador (710, 810) de intermodulación configurado para descorrelacionar los productos de intermodulación de la pluralidad de señales formadas por haces antes de la conversión de la pluralidad de señales formadas por haces de señales lineales a señales no lineales, en donde los productos de intermodulación se descorrelacionan espacial y/o temporalmente añadiendo un ruido de dispersión (dither) en banda, un ruido de dispersión fuera de banda, realizando una reducción del factor de cresta en banda, una reducción del factor de cresta fuera de la banda, o usando modulación delta-sigma.
Description
DESCRIPCIÓN
Mejora de la eficiencia energética en sistemas de RF de formación de haces
Antecedentes
Los satélites de comunicaciones están fundamentalmente limitados en la capacidad de datos que pueden entregar (medida en bits por segundo) por su SWAP (tamaño, peso y potencia). La cantidad de energía disponible en el satélite combinada con la eficiencia energética de los componentes electrónicos, las antenas, y las técnicas de modulación determinan la cantidad de capacidad que el satélite puede proporcionar. Debido a que la capacidad se relaciona con la cantidad de ingresos que puede generar un satélite, una mejora aparentemente pequeña en la eficiencia energética puede dar lugar a una gran mejora en los ingresos y, por lo tanto, en la rentabilidad.
Los métodos convencionales para optimizar la eficiencia energética de los satélites de comunicaciones implican explorar las compensaciones entre diversos aspectos del satélite, que incluyen, pero no se limitan a, las topologías de las antenas y sus características, tal como la ganancia y el comportamiento de los lóbulos laterales, la relación portadora/interferencia (C/I), la relación portadora/ruido (C/N), el número de haces de antena, la portadora única frente a la multiportadora, el plan de reutilización de frecuencias, la potencia del amplificador, la reducción de potencia (backoff) del amplificador, la distorsión previa, la eliminación y restauración de la envolvente, el ancho de banda utilizado, las técnicas de formación de haces y las técnicas de modulación.
Los enfoques de optimización de potencia convencionales se basan en suposiciones convencionales y generalmente conservadoras sobre la linealidad del amplificador y sus efectos típicos en el rendimiento general del sistema. Los sistemas generalmente están diseñados para minimizar las no linealidades, y pueden usar suposiciones en el peor de los casos sobre los efectos de cualquier no linealidad que quede. Estos enfoques convencionales imponen limitaciones a la luz de las capacidades de los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA) no lineales nuevos y emergentes (por ejemplo, amplificadores digitales) y tecnologías de circuitos integrados de aplicación específica (ASIC) digitales.
Es en este contexto que se ha desarrollado una arquitectura de cadena de radiofrecuencia (RF) mejorada.
El documento US2010172437A1 describe un preprocesador de señal, para corregir al menos parcialmente el rendimiento no lineal de un amplificador de alta potencia ("HPA") que opera en una señal sobremuestreada en forma compleja en el dominio digital. Convirtiendo la señal sobremuestreada en valores de amplitud, el preprocesador puede aplicar valores de corrección, basados en los valores de amplitud, cuyos valores de corrección incorporan tanto corrección de amplitud como de fase con respecto a la distorsión generada en e1HPA. El uso de una señal sobremuestreada permite aplicar valores de corrección fuera de banda para corregir la distorsión fuera de banda que surge en la ruta de procesamiento de la señal, por ejemplo, en el propio proceso de linealización. De lo contrario, la distorsión fuera de banda puede volver a entrar en banda, creando ruido en e1HPA.
El documento EP2884675A1 describe un aparato para una antena con una pluralidad de elementos de antena, la antena que proporciona un patrón de radiación que incluye uno o más haces y el aparato que comprende: un formador de haces digital para ponderar digitalmente las señales componentes correspondientes al uno o más haces con las respectivas ponderaciones de formación de haces para proporcionar a cada una de las señales componentes de un haz una relación de fase y una relación de amplitud con otras señales componentes del mismo haz; y una disposición de procesamiento para procesar la señal por el formador de haces o para procesar las señales recibidas desde el formador de haces; el aparato que comprende además medios de compensación para compensar al menos una distorsión desfasada y de amplitud entre señales componentes asociadas con el mismo canal de frecuencia y relacionadas con el mismo haz que surge en la disposición de procesamiento.
Compendio
En consecuencia, se proporciona un sistema y un método como se detalla en las reivindicaciones independientes. Las características ventajosas se proporcionan en las reivindicaciones dependientes.
Breve descripción de los dibujos
La descripción en la presente memoria se describe con referencia a los siguientes dibujos, en donde los números de referencia similares indican elementos sustancialmente similares:
La figura 1 es una ilustración simplificada de un sistema de comunicación por satélite.
La figura 2 es un diagrama de bloques de partes de un sistema de comunicación por satélite.
La figura 3 es un diagrama de bloques de partes de un sistema de comunicación por satélite.
La figura 4 es un diagrama de bloques de partes de un sistema de comunicación por satélite.
La figura 5 es un diagrama de bloques de partes de un sistema de comunicación por satélite.
La figura 6 es un diagrama 
bloques de partes de un sistema de comunicación por satélite.
La figura 7 es un diagrama 
bloques de partes de un sistema de comunicación por satélite.
La figura 8 es un diagrama 
bloques de partes de un sistema de comunicación por satélite.
La figura 9 representa un método para mejorar la eficiencia energética de la carga útil de un satélite.
La figura 10 muestra un método para mejorar la eficiencia energética de la carga útil de un satélite.
Descripción detallada
Mientras las realizaciones descritas en la presente memoria son susceptibles de diversas modificaciones y formas alternativas, las realizaciones específicas de las mismas se han mostrado a modo de ejemplo en los dibujos y se describen en la presente memoria en detalle. Debe entenderse, sin embargo, que la invención está definida por las reivindicaciones. La descripción se describe con referencia a los dibujos, en donde los números de referencia similares indican elementos sustancialmente similares.
Las no linealidades en la cadena de la señal de RF de un satélite generalmente se consideran indeseables y pueden dar lugar a estimaciones conservadoras de la relación señal/ruido en el receptor. Estas estimaciones pueden, a su vez, conducir al uso de hardware más caro (ya sea en términos de coste o consumo de energía) en el satélite para mitigar los efectos indeseables de las no linealidades, tal como la distorsión de intermodulación. Puede haber múltiples fuentes de no linealidades en el sistema del satélite, que incluyen las imperfecciones en los componentes lineales o el uso de componentes altamente no lineales, tal como amplificadores de potencia digitales o convertidores de analógico a digital (ADC)/convertidores de digital a analógico (DAC) de baja resolución.
En teoría, los amplificadores de potencia digitales pueden lograr eficiencias de potencia añadida cercanas al 100 % porque pasan hasta el 100 % de su tiempo ya sea conduciendo completamente o sin conducir y, por lo tanto, no disipan potencia a través de la resistencia. Un aumento de este tipo en la eficiencia podría potencialmente más que duplicar la capacidad de un satélite y, por lo tanto, más del doble de los ingresos que genera, dentro de la misma asignación SWAP del satélite. De manera similar, los ADC/DAC de baja resolución pueden consumir menos energía y ser menos caros, a costa de salidas de baja resolución altamente no lineales. Debido al potencial de ahorro en costes y energía, pueden ser deseables técnicas que permitan el uso de amplificadores digitales y/o ADC/DAC de baja resolución en la carga útil de un satélite.
Las técnicas descritas en la presente memoria usan la formación de haces de señal y/o la descorrelación antes de que la señal se convierta de una señal lineal a una señal no lineal para compensar diversas no linealidades en la cadena de la señal y potencialmente permitir el uso de componentes altamente no lineales, tal como amplificadores digitales y/o o ADC/DAC de baja resolución, mientras que garantiza una calidad de señal suficiente en el receptor. Como se analiza con más detalle a continuación, estas técnicas pueden ser particularmente útiles en sistemas multiportadora con conjuntos de antenas multielemento, tal como conjuntos de radiación directa, en los que cada haz se forma usando múltiples elementos de antena.
Como se usa en la presente memoria, el término "amplificador no lineal" puede referirse a cualquier amplificador que introduzca no linealidades en una señal, que incluyen las no linealidades que pueden causar o empeorar la distorsión de intermodulación. Los amplificadores no lineales pueden incluir amplificadores nominalmente lineales que introducen no linealidades debido a un comportamiento imperfecto. Los amplificadores no lineales pueden incluir amplificadores que son altamente no lineales por diseño, tal como amplificadores digitales o SSPA, que están diseñados para maximizar la fracción del tiempo que pasan en un estado totalmente conductor o totalmente no conductor, con el resto del tiempo que pasan en la transición entre no conductor y totalmente conductor, sin región lineal en su rango de funcionamiento. Para maximizar la eficiencia energética, un amplificador de este tipo debe minimizar la cantidad de tiempo que pasa en el estado de transición. Los ejemplos de amplificadores digitales incluyen, pero no se limitan a, 1) una configuración de amplificador digital de dos lados, normalmente en una disposición en contrafase (push-pull), que produce dos o tres salidas distintas de nivel de voltaje o nivel de corriente en las que uno u el otro lado del amplificador está conduciendo, en transición o no está conduciendo en algún momento, pero donde ninguno de los lados está conduciendo al mismo tiempo que el otro lado, y 2) una configuración de amplificador digital de un único lado que produce dos salidas de nivel de voltaje o corriente en las que el amplificador está, ya sea conduciendo, en transición o no conduciendo. La fracción del tiempo que el amplificador pasa en un estado conductor frente a uno no conductor se denomina el "ángulo de conducción".
Los amplificadores digitales, junto con otros dispositivos electrónicos de estado sólido, deben diseñarse y operarse teniendo en cuenta el entorno de radiación ionizante presente en el espacio. El entorno de radiación ionizante puede afectar a la dosis total de ionización (TID) y/o al rendimiento de los efectos de evento único (SEE) de los dispositivos electrónicos de estado sólido, que incluyen los amplificadores y los ASIC digitales. Los fenómenos SEE específicos incluyen enclavamiento de evento único (SEL), alteración de evento único (SEU), transitorio de evento único (SET), e interrupción funcional de evento único (SEFI). Una técnica para la mitigación de TID y SEE se denomina comúnmente resistencia a la radiación por diseño (RHBD). Tales consideraciones de radiación se analizan con más detalle más adelante.
Las técnicas y aparatos descritos se pueden usar en una aplicación de formación de haces donde un conjunto de antenas con múltiples elementos de antena, tal como un conjunto de radiación directa (DRA), forma múltiples haces de transmisión simultáneos. En esta solicitud, cada amplificador de potencia que alimenta cada elemento de antena amplifica simultáneamente la combinación de más de una señal. Esto se denomina escenario multiportadora. La interferencia multiportadora hace que el voltaje o la corriente de pico de la forma de onda combinada que alimenta al amplificador sea más alto que el voltaje o la corriente promedio. Por lo tanto, en un sistema convencional, si la señal no se atenúa lo suficiente en relación con su potencia promedio antes de la amplificación, se producirá una distorsión significativa dentro del amplificador. Esta atenuación de preamplificación se denomina "reducción de potencia (backoff) de salida", y reduce la eficiencia de potencia añadida (PAE) efectiva del amplificador, lo que hace que se desperdicie la valiosa potencia del satélite. Sin reducción de potencia de salida, los productos de intermodulación (IMP) se extenderían dentro del ancho de banda ocupado, disminuyendo la NPR (relación de potencia a ruido) y, por lo tanto, limitando la SNR efectiva (relación señal a ruido) de cada señal transmitida. La sabiduría convencional generalmente asume que la SNR transmitida establece un límite superior en la SNR alcanzable en el receptor. Sin embargo, las técnicas descritas en la presente memoria aprovechan algunas de las propiedades de la formación de haces para mitigar el impacto de la distorsión de intermodulación y, por lo tanto, aumentar la SNR efectiva en el receptor en relación con la SNR (NPR) efectiva de cada amplificador.
En las técnicas descritas en la presente memoria, las señales de entrada de una antena de recepción (Rx) (o un conjunto de elementos de antena de Rx) se forman por haces antes de la transmisión, de modo que cada señal de entrada se usa para formar una pluralidad de haces de salida. En algunas realizaciones, la formación de haces incluye multiplicar cada señal de entrada por un conjunto independiente de ponderaciones complejas, con un conjunto de ponderaciones para cada haz de salida a formar. Luego, las señales ponderadas se suman para producir las señales para alimentar a un amplificador de potencia, que a su vez alimenta una señal de transmisión amplificada a un elemento de antena (Tx) de salida correspondiente. Una persona experta en la técnica apreciará que la formación de haces se puede realizar usando componentes analógicos, componentes digitales (tal como microprocesadores o matriz de puertas programables en campo (FPGA)), o como un proceso híbrido analógico/digital usando una mezcla de componentes analógicos y digitales.
En algunas realizaciones, la formación de haces genera una señal formada por haces por elemento de antena de salida, en donde cada señal formada por haces contiene la combinación ponderada de todas las señales de Rx que se transmitirán en uno o más haces de Tx a través de un conjunto de elementos de antena de Tx, tal como un conjunto de radiación directa u otro tipo de conjunto de antenas. En algunas realizaciones, las señales formadas por haces lineales se pueden convertir en señales no lineales antes de la transmisión por las antenas.
Cada señal formada por haces se procesa opcionalmente para reducir la correlación de sus productos de intermodulación (IMP) con los IMP en las otras señales formadas por haces. La descorrelación de intermodulación de los IMP se puede realizar como parte del proceso de formación de haces, o se puede realizar en las señales después de que se hayan sido formadas por haces pero antes de su conversión (opcional) de señales lineales a señales no lineales. Tal conversión puede producirse dentro de un amplificador de potencia no lineal en la cadena de la señal, por ejemplo, o en un DAC de baja resolución, o en otro componente que realice una conversión lineal a no lineal. En algunas realizaciones, la descorrelación de intermodulación puede producirse después de que las señales hayan sido formadas por haces pero antes de que un amplificador de potencia no lineal (por ejemplo, un amplificador de potencia digital) las convierta en señales no lineales. En algunas realizaciones, la descorrelación de la intermodulación puede producirse después de que las señales sean formadas por haces y amplificadas (por ejemplo, por un amplificador de potencia), pero antes de que sean convertidas en señales no lineales por un DAC u otro tipo de convertidor lineal a no lineal.
La etapa de procesamiento de descorrelación de intermodulación puede incluir, pero no se limita a, la adición de ruido de dispersión (dither) en banda o ruido de dispersión fuera de banda a una señal, o reducción del factor de cresta en banda o reducción del factor de cresta fuera de banda de una señal. Otras técnicas de ruido de dispersión usadas para la descorrelación de intermodulación pueden incluir la aplicación aleatoria de polarización y/o ganancia de corriente continua (CC) a cada señal o el uso de modulación delta-sigma, por ejemplo. Un experto en la técnica reconocerá que se puede usar una amplia variedad de técnicas de ruido de dispersión (dithering).
La descorrelación se puede usar para mejorar la descorrelación espacial y/o la descorrelación temporal de los productos de intermodulación, extendiendo los IMP fuera de banda y mejorando la SNR (NPR) en banda efectiva. Las señales se pueden descorrelacionar espacial y/o temporalmente usando las técnicas descritas anteriormente.
Después de la etapa opcional de descorrelación de intermodulación, las señales formadas por haces se pueden convertir de una representación digital lineal pero cuantificada de la señal a una representación analógica no lineal de la señal. Como se ha descrito anteriormente, en algunas realizaciones, la conversión tiene lugar dentro de un DAC convencional, pero de baja resolución. En otras realizaciones, la conversión tiene lugar dentro de un amplificador de potencia no lineal.
En algunas realizaciones, un DAC de baja resolución puede ser un DAC que tenga menos de 8 bits de resolución. En algunas realizaciones, un DAC de baja resolución puede ser un DAC de 1,5 bits que tenga solo 3 niveles de salida discretos, tal como 1 voltio, 0 voltios y -1 voltio. De manera similar, un ADC de baja resolución puede ser un ADC
que tenga menos de 8 bits de resolución, tal como un ADC de 1 bit, un ADC de 1,5 bits, o un ADC de 2 bits, por ejemplo, y que tenga menos de 6 niveles de salida discretos.
Las señales formadas por haces (y opcionalmente descorrelacionadas) se pueden proporcionar a amplificadores no lineales para que sean amplificadas, y luego transmitidas (por ejemplo, radiadas) a la Tierra por los elementos de antena de Tx.
La técnica descrita anteriormente también es aplicable en la dirección de recepción en la que los datos de los ADC de baja resolución que muestrean la salida de un conjunto de antenas se forman por haces como se describe en la presente memoria para aumentar la SNR efectiva a través de la misma técnica de descorrelación de intermodulación. En este caso, la señal se convierte de una señal analógica lineal a una señal digital no lineal por un ADC antes de la formación de haces. Los IMP de las señales analógicas lineales se pueden descorrelacionar opcionalmente antes de la conversión y la formación de haces usando, por ejemplo, ruido de dispersión, modulación delta sigma, o cualquier otro enfoque de descorrelación apropiado, tal como los descritos con respecto al lado de Tx.
Debe entenderse que la conversión entre representaciones lineales y no lineales, o viceversa, se podría realizar ya sea solo en el lado de transmisión, solo en el lado de recepción, o en ambos lados, de recepción y de transmisión. Ninguna de las descripciones de la presente memoria pretende limitar la aplicación de estas enseñanzas estrictamente a Tx, Rx o la combinación de sistemas de Tx y de Rx.
En el lado de Tx, cada señal de Tx amplificada puede estar muy distorsionada por el proceso de conversión lineal a no lineal, y normalmente tiene una NPR que varía entre 2 dB y 8 dB, dependiendo del diseño del amplificador no lineal particular o el DAC de baja resolución. Sin embargo, debido a que las señales se forman por haces antes de la amplificación, los productos de intermodulación descorrelacionados entre todos los elementos de antena de Tx, como se ve en el receptor, se suman de manera incoherente, mientras que las señales recibidas formadas por haces de todos los elementos de antena de Tx se suman de manera coherente. Por lo tanto, la NPR efectiva (límite superior de SNR) vista en el receptor de tierra (en dB) es la siguiente:
NPR = TxNPR 10*log 10 ((# de elementos Tx) (# de haces de cofrecuencia)-1 Ec 1
Por ejemplo, si el NPR de cada elemento de antena de Tx es de 6 dB, y hay 1024 elementos de radiación directa con iluminación uniforme y ganancia uniforme en el receptor, y hay 64 haces de Tx de cofrecuencia, entonces según la ecuación 1, el límite superior de SNR en el receptor en tierra sería de 18 dB.
A modo de comparación, para un amplificador de potencia linealizado con una eficiencia energética saturada del 50% para lograr una NPR de 18 dB, necesitaría reducirse aproximadamente 3 dB. En este ejemplo, su eficiencia de potencia añadida efectiva sería por lo tanto del 25 % en lugar del 50 %. Por lo tanto, las técnicas descritas pueden producir tanto un ahorro energético significativo como una mejora de la calidad de la señal en el receptor en relación con los enfoques más convencionales.
La figura 1 muestra un satélite 20 con una antena 22 de recepción y una antena 24 de transmisión. Cada antena 22 y 24 puede incluir un conjunto de elementos de antena separados. Se puede usar un conjunto de elementos de antena separados para implementar un conjunto de radiación directa, por ejemplo. El satélite 20 se puede colocar en el espacio por encima de la Tierra 26 donde se pueden usar una o más antenas 28 terrestres para transmitir señales al satélite 20 y recibir señales del satélite 20. En este y en los dibujos restantes, muchos componentes dentro del satélite se omiten o simplifican para facilitar la ilustración y la explicación.
La figura 2 muestra un sistema 30 en el que una pluralidad de elementos 32 de antena de recepción (Rx) proporcionan entradas a un procesador 34 del conjunto de antenas de transmisión (Tx), que realiza diversas funciones y alimenta una pluralidad de elementos 36 de antena de Tx. El procesador 34 del conjunto de antenas de Tx puede realizar formación de haces y/o descorrelación de intermodulación de las señales recibidas desde los elementos de antena de Rx, por ejemplo. En algunas realizaciones, el procesador 34 del conjunto de antenas de Tx incluye componentes de almacenamiento o procesamiento digital (tales como un microprocesador, memoria, FPGA, etc.), componentes analógicos, o una combinación de los dos. En algunas realizaciones, el procesador 34 del conjunto de antenas de Tx incluye los ADC y/o DAC.
La figura 3 muestra un sistema 40 en el que una pluralidad de elementos 42 de antena de Rx proporcionan señales de entrada a un formador de haces 44, que genera una pluralidad de señales formadas por haces basadas en las señales de entrada recibidas de los elementos de antena de Rx. Luego, las señales formadas por haces se proporcionan a uno o más amplificadores de potencia no lineales, ya sea directamente o por medio de uno o más DAC. En algunos ejemplos, el formador de haces 44 genera una señal formada por haces para cada uno de una pluralidad de elementos 46 de antena de Tx.
La figura 4 muestra un sistema 50 ejemplar en el que una pluralidad de elementos 52 de antena de Rx proporcionan entradas a un formador de haces 54, que procesa las entradas para generar señales formadas por haces. Las señales formadas por haces se proporcionan a una pluralidad de elementos 56 de antena de Tx. En algunas realizaciones, el sistema 50 incluye un descorrelacionador 58 de intermodulación que puede descorrelacionar las señales formadas por haces temporal o espacialmente. En algunas realizaciones, el descorrelacionador 58 de intermodulación puede
ser física o lógicamente parte del formador de haces 54. En algunas realizaciones, el descorrelacionador 58 de intermodulación puede estar física o lógicamente separado del formador de haces 54.
La figura 5 muestra una parte 60 de algunos de los sistemas descritos en la presente memoria. Un convertidor 62 de lineal a no lineal puede crear señales digitales (en dos o tres niveles) que se proporcionan a un amplificador 66 de potencia. En algunas realizaciones, el convertidor 62 de lineal a no lineal puede ser un DAC de baja resolución que proporciona entradas a un amplificador de potencia, por ejemplo. En algunas realizaciones, el convertidor de lineal a no lineal puede ser parte de un amplificador de potencia no lineal. En algunas realizaciones, el amplificador 66 de potencia proporciona una señal amplificada a un elemento 68 de antena de transmisión.
Alternativamente, como se muestra en la figura 6, en lugar de usar un amplificador de potencia separado para cada elemento de antena de transmisión, se podrían usar uno o más amplificadores 602 de potencia multipuerto para alimentar múltiples elementos 604 de antena de transmisión. En este caso, múltiples elementos de antena de transmisión reciben salidas del mismo amplificador de potencia multipuerto.
La figura 7 representa un diagrama de bloques ejemplar del lado de recepción de una cadena 700 de la señal de RF ejemplar que incluye un descorrelacionador 710 de intermodulación opcional. En este ejemplo, un conjunto de elementos 702 de antena de recepción (Rx) de RF recibe señales de RF y proporciona señales 703 de entrada analógicas. Las señales 703 de entrada analógicas se pueden proporcionar a los amplificadores de bajo ruido (LNA) 704, que están configurados para amplificar las señales de entrada analógicas. Las señales 705 de entrada amplificadas se convierten de señales analógicas lineales a señales digitales no lineales por los ADC 706. En algunas realizaciones, los ADC 706 son ADC de baja resolución. Opcionalmente, las señales 705 de entrada analógicas amplificadas son descorrelacionadas por el descorrelacionador 710 de intermodulación antes de la conversión por los ADC 706. En algunas realizaciones, el descorrelacionador 710 de intermodulación descorrelaciona los productos de intermodulación de las señales usando ruido de dispersión u otros tipos de descorrelación, por ejemplo.
Las señales 707 digitales no lineales se proporcionan al formador de haces 708, que está configurado para formar los haces de las señales 707 digitales para generar las señales 709 formadas por haces. En algunas realizaciones, el formador de haces 708 y/o el descorrelacionador 710 de intermodulación se implementan usando componentes digitales, componentes analógicos, o una combinación de componentes digitales y analógicos. En algunas realizaciones, la formación de haces y la descorrelación pueden mitigar el efecto de las no linealidades introducidas en las señales por los ADC 706, tal como la distorsión de intermodulación.
Las señales 709 formadas por haces se pueden proporcionar a otras partes de los sistemas de comunicaciones por satélite, tal como, por ejemplo, al lado de Tx de la cadena de la señal de RF.
La figura 8 representa un diagrama de bloques simplificado ejemplar del lado de transmisión de una cadena 800 de la señal de RF ejemplar que incluye un descorrelacionador 810 de intermodulación opcional y un DAC 808 opcional. En este ejemplo, un conjunto de elementos de antena de recepción (Rx) de RF (tal como los elementos 42 de antena de Rx en la figura 3 o los elementos 702 de antena Rx en la figura 7) reciben señales de entrada y proporcionan señales al lado de transmisión de la cadena 800 de la señal de RF, ya sea directamente o después del procesamiento por un LNA de entrada, formador de haces, u otros componentes (tal como se muestra en figura 7). El formador de haces 802 genera señales 803 formadas por haces basadas en las señales 801 de entrada recibidas por las antenas de Rx. En algunas realizaciones, el formador de haces 802 se implementa usando componentes digitales, componentes analógicos, o una combinación de componentes digitales y analógicos.
Las señales 801 de entrada o las señales 803 formadas por haces pueden, opcionalmente, convertirse de señales analógicas lineales a señales digitales no lineales por el DAC 808. En algunas realizaciones, el DAC 808 puede ser un DAC de baja resolución. En el sistema 800 ejemplar, las señales 803 formadas por haces se proporcionan a una pluralidad de amplificadores 804 de potencia que están configurados para amplificar las señales 803 formadas por haces. En algunas realizaciones, los amplificadores 804 de potencia son amplificadores de potencia no lineales. En algunas realizaciones, los amplificadores 804 de potencia son amplificadores de potencia digitales. Las señales 805 formadas por haces amplificadas se proporcionan a un conjunto de elementos 806 de antena de Tx. En algunas realizaciones, cada elemento de antena de transmisión está configurado para transmitir una señal de RF basada en una salida de uno de los amplificadores 804 de potencia.
Opcionalmente, el sistema 800 ejemplar incluye un descorrelacionador 810 de intermodulación, que está configurado para descorrelacionar las señales formadas por haces antes de la transmisión. En algunas realizaciones, el descorrelacionador 810 de intermodulación descorrelaciona las señales 803 formadas por haces por ruido de dispersión u otros métodos, tal como los descritos anteriormente. En algunas realizaciones, el descorrelacionador 810 de intermodulación es un circuito implementado usando componentes digitales, componentes analógicos, o una combinación de componentes digitales y analógicos. En algunas realizaciones, la formación de haces y la descorrelación pueden mitigar el efecto de las no linealidades introducidas en las señales por el amplificador 804 de potencia o el DAC 808, tal como la distorsión de intermodulación.
La figura 9 representa un método 900 para mejorar la eficiencia energética de un satélite de comunicaciones que incluye un conjunto de elementos de antena de recepción de RF, un conjunto de elementos de antena de transmisión
de RF, una pluralidad de amplificadores de potencia, y un formador de haces.
En el bloque 902, se reciben una pluralidad de señales de entrada. En algunas realizaciones, las señales de entrada se reciben a través del conjunto de elementos de antena de recepción de RF.
En el bloque 904, la pluralidad de señales de entrada se forma por haces usando un formador de haces, tal como el formador de haces 802, para generar señales formadas por haces. En algunas realizaciones, la pluralidad de señales de entrada se forma por haces multiplicando cada señal de entrada por un conjunto de ponderaciones, por ejemplo, o usando cualquier otro proceso de formación de haces apropiado. Las señales de entrada pueden formarse por haces usando componentes analógicos, componentes digitales, o una combinación de componentes analógicos y digitales.
En el bloque 908, se amplifican las señales formadas por haces. En algunas realizaciones, las señales formadas por haces se amplifican usando los amplificadores de potencia. En algunas realizaciones, los amplificadores de potencia son amplificadores de potencia no lineales o amplificadores de potencia digitales.
En el bloque 910, se transmiten las señales formadas por haces amplificadas. En algunas realizaciones, las señales amplificadas formadas por haces se transmiten usando un conjunto de elementos de antena de transmisión de RF, por ejemplo.
Opcionalmente, en el bloque 906, las señales formadas por haces se descorrelacionan antes de ser amplificadas en el bloque 908. En algunas realizaciones, las señales formadas por haces se descorrelacionan usando ruido de dispersión, por ejemplo. En algunas realizaciones, las señales formadas por haces se descorrelacionan espacial y/o temporalmente.
La figura 10 representa un método 1000 para mejorar la eficiencia energética de un satélite de comunicaciones que incluye un conjunto de elementos de antena de recepción de RF, un conjunto de elementos de antena de transmisión de RF, una pluralidad de amplificadores de bajo ruido, un ADC, y un formador de haces.
En el bloque 1002, se reciben una pluralidad de señales de entrada. En algunas realizaciones, las señales de entrada se reciben a través del conjunto de elementos de antena de recepción de RF.
En el bloque 1004, se amplifican la pluralidad de señales de entrada. En algunas realizaciones, las señales de entrada se amplifican usando amplificadores de bajo ruido.
En el bloque 1008, las señales amplificadas se convierten de señales analógicas lineales a señales digitales no lineales. En algunas realizaciones, las señales se convierten por un ADC, por ejemplo.
En el bloque 1010, las señales de entrada amplificadas se forman por haces usando un formador de haces, tal como el formador de haces 802, para generar señales de recepción formadas por haces. En algunas realizaciones, las señales de entrada amplificadas se forman por haces multiplicando cada señal de entrada amplificada por un conjunto de ponderaciones, por ejemplo, o usando cualquier otro proceso de formación de haces apropiado. Las señales de entrada amplificadas pueden formarse por haces usando componentes analógicos, componentes digitales, o una combinación de componentes analógicos y digitales.
Opcionalmente, en el bloque 1006, las señales amplificadas se descorrelacionan antes de convertirse en el bloque 1008. En algunas realizaciones, las señales amplificadas se descorrelacionan usando ruido de dispersión, por ejemplo. En algunas realizaciones, las señales amplificadas se descorrelacionan espacial y/o temporalmente.
Los sistemas y métodos descritos en la presente memoria compensan las no linealidades en la cadena de la señal debido a las no linealidades de los componentes y/o debido a la distorsión del amplificador (por ejemplo, distorsión de intermodulación u otras formas de distorsión) formando haces con las señales de entrada antes de la amplificación para lograr una ganancia coherente en el contenido de la señal y ganancia incoherente en los productos de intermodulación. La etapa de descorrelación opcional proporciona beneficios adicionales en términos de calidad de la señal en el receptor (por ejemplo, en la Tierra) al reducir los IMP recibidos. (Sin embargo, esta etapa no es estrictamente requerida porque hay cierta descorrelación de intermodulación intrínseca en la etapa de formación de haces sin ella).
Como se señaló anteriormente, este enfoque es particularmente adecuado para su uso con conjuntos de radiación directa u otros tipos de conjuntos de antenas en fase en los que se transmiten (o reciben) múltiples haces al mismo tiempo. Este enfoque puede reducir el consumo de energía en un satélite al (1) permitir el uso de amplificadores de potencia en modo de conmutación altamente no lineales para aumentar la eficiencia del amplificador; (2) reducir o eliminar las pérdidas por desbordamiento, las pérdidas óhmicas, y la rugosidad de la superficie del reflector (cuando se compara con un conjunto alimentado por un reflector); y (3) permitir el uso de los ADC y/o DAC de baja resolución, que requieren menos energía que los componentes de mayor resolución y también pueden reducir el rango dinámico requerido de la ruta de datos del procesamiento de señal digital (DSP), reduciendo así la complejidad computacional requerida, el número de puertas, y el área del troquel.
Consideraciones de radiación
Debido al entorno de radiación ionizante experimentado por los componentes electrónicos que operan en aplicaciones de satélite, puede ser deseable que toda o parte de los componentes electrónicos sean resistentes a la radiación o tolerantes a la radiación. Esto puede incluir cualquier o alguna combinación de componentes electrónicos que hayan sido tratados para ser resistentes a la radiación por proceso (que tiene que ver con la tecnología de semiconductores subyacente con respecto a cómo se fabrica el dispositivo electrónico), por diseño (que tiene que ver con el diseño físico de los elementos del circuito en el troquel) o por otros medios. La tolerancia a la radiación se puede determinar a través de pruebas, análisis, o pruebas y análisis de dispositivos cuyo diseño no se optimizó intencionalmente para su uso en un entorno de radiación ionizante.
El entorno hostil que enfrenta un satélite puede aumentar el desafío de diseñar circuitos electrónicos. Uno de los principales riesgos ambientales en una aplicación del satélite está asociado con el entorno de radiación ionizante presente en el espacio. Cabe señalar que los efectos de la radiación asociados con la radiación ionizante también están presentes en las aplicaciones terrestres y tales efectos de la radiación generalmente se denominan errores leves. El entorno de radiación ionizante en el espacio incluye iones pesados, protones, y neutrones que pueden afectar al funcionamiento normal de los dispositivos semiconductores a través de efectos de evento único (SEE), dosis ionizante total (TID), y/o dosis de daño por desplazamiento (DDD). Los efectos de TID y DDD son generalmente acumulativos a lo largo de la duración de la misión y afectan a los parámetros de los semiconductores que incluyen la fuga de corriente. Los efectos de SEE son generalmente instantáneos y pueden afectar al funcionamiento del circuito semiconductor. Estos efectos de SEE incluyen bloqueo de evento único (SEL), alteración de evento único (SEU), transitorio de evento único (SET), e interrupción funcional de evento único (SEFI). La mitigación para SEL se puede proporcionar a través del uso de una tecnología tal como el silicio sobre aislante (SOI). Los efectos de SEU, SET, y/o SEFI pueden incluir hacer que una línea de comunicación en serie (comúnmente denominada carril) entre en un estado no válido (un ejemplo sería la pérdida de bloqueo) en el que ya no se transmiten o reciben datos válidos por un período prolongado de tiempo. La tasa de ocurrencia de errores leves en aplicaciones terrestres para un diseño de chip semiconductor típico es significativamente menor que la tasa de ocurrencia de SEU, SET, y/o SEFI para el mismo diseño de chip semiconductor en aplicaciones espaciales.
La mitigación de SEU, SET, y/o SEFI en diseños de chips semiconductores para aplicaciones espaciales se puede realizar usando una variedad de técnicas que incluyen la selección y optimización de materiales y técnicas de procesamiento en la fabricación de semiconductores (resistencia a la radiación por proceso (RHBP)), y por el diseño y fabricación de estructuras especializadas en el diseño del chip que luego se fabrica a través de materiales y procesos convencionales en el proceso de fabricación de semiconductores (resistencia a la radiación por diseño (RHBD)). Hay técnicas adicionales para proporcionar mitigación a nivel de sistema en sistemas que incluyen chips de semiconductores que son, ya sea RHBP, RHBD o convencionales (no optimizados específicamente para su uso en un entorno de radiación ionizante), tales técnicas de mitigación SEU, SET, y/o SEFI se denominan en esta solicitud técnicas de mitigación de radiación a nivel de sistema (SLRMT).
El diseño efectivo de sistemas de componentes electrónicos para su uso en el entorno de radiación ionizante espacial requiere que el equipo de diseño del sistema haga un uso efectivo y eficiente de componentes que son, ya sea RHBP, RHBD y/o convencionales y, a menudo, incluye el uso de SLRMT. La optimización de la selección de componentes y de la SLRMT depende en gran medida de los detalles específicos de los efectos de la radiación que se van a mitigar y del nivel deseado de tolerancia a la radiación del sistema que se va a obtener. Muchos SEU, SET, y/o SEFI generalmente se mitigan mejor lo más cerca posible, tanto espacial como temporalmente, del lugar donde se produjo el evento inducido por SEE en el circuito a nivel de componente o sistema para proporcionar una mitigación efectiva y eficiente de tales efectos. Por ejemplo, la duración de SET inducida en nodos de tecnología ASIC con un tamaño de característica < 90 nm, puede ser < 1 ns (nanosegundos), y puede ser tan corta como varias decenas de ps (picosegundos) para tamaños de característica < 32 nm. La mitigación de tal SET de corta duración dentro del mismo paquete de semiconductores puede proporcionar una implementación más eficiente de la mitigación de SET en relación con un enfoque que abarca dos o más chips en ubicaciones separadas dentro del mismo sistema. Esta eficiencia se debe a la capacidad de detectar y mitigar espacial y/o temporalmente cerca de la fuente de los errores inducidos por SEE.
La prueba de radiación se puede realizar usando un haz de partículas cargadas de un acelerador de partículas donde el haz de partículas cargadas puede incluir protones y/o iones pesados y el acelerador puede ser un ciclotrón o un acelerador lineal. La energía del haz en el caso de un haz de protones puede estar en el rango de 0,1 MeV a más de 200 MeV y normalmente está en el rango de aproximadamente > 1 MeV ya sea a aproximadamente 65 o 200 MeV. El haz en el caso de un haz de iones pesados puede tener una transferencia de energía lineal (LET) en el rango de 0,1 a más de 100 MeV cmA2/mg y normalmente está en el rango de > 0,5 a aproximadamente 60 a 85 MeV cmA 2/mg. La fluctuación total de las partículas usadas en tales pruebas puede variar considerablemente y, a menudo, está en el rango de 10A6 a más de 10A12 partículas por cmA2 en cada energía de haz en el caso de un haz de protones y, a menudo, está en el rango de 10A2 a más de 10A8 partículas por cmA2 en cada valor LET en el caso de un haz de iones pesado. El número de perturbaciones inducidas por radiación (SEU), transitorios (SET), y/o interrupciones funcionales (SEFI) a menudo se expresa como una sección transversal que se relaciona con el número de eventos observados en un área dada (normalmente 1 cmA2) como una función de la fluctuación del haz. La sección transversal no es superior a 1,0 y puede ser inferior a 10A-10 cmA2, a menudo está en el rango de aproximadamente 10-2 a < 10
10 cmA2. Generalmente, se considera que un dispositivo es tolerante a la radiación si el número de SEU, SET, y/o SEFI detectados es lo suficientemente pequeño como para no tener un impacto significativo en el funcionamiento del sistema o circuito que contiene una o más instancias de ese dispositivo. Una sección transversal de iones pesados < 10-4 cmA2 a una l Et > 37 MeV cmA2/mg, según lo demostrado por prueba y/o análisis, es un ejemplo de una sección transversal que puede ser suficiente para demostrar que un dispositivo dado es tolerante a la radiación. La sección transversal de iones pesados o protones que se mide o determina por análisis para un dispositivo en uno o más valores de LET del haz o valores de energía del haz que se consideran tolerantes a la radiación puede variar considerablemente y depende en parte de la órbita prevista para el satélite y de la medida en que el circuito y/o sistema que contiene ese dispositivo es capaz de mantener el funcionamiento deseado cuando se produce un SEU, SET, y/o SEFI.
Mientras las realizaciones de la invención se han ilustrado y descrito en detalle en los dibujos y la descripción anterior, tal ilustración y descripción deben considerarse como ejemplos y no de carácter restrictivo.
Claims (11)
1. Un sistema (700, 800) para mejorar la eficiencia energética de los satélites (20) de comunicaciones que tiene un conjunto de elementos (702) de antena de recepción de RF, el sistema que comprende:
un formador de haces (708) configurado para generar una pluralidad de señales (709) formadas por haces basado en una pluralidad de señales (703) de entrada recibidas a través de los elementos de antena de recepción de RF;
una pluralidad de amplificadores (704, 804) de potencia configurados para amplificar una primera pluralidad de señales correspondientes a la pluralidad de señales formadas por haces;
un conjunto de elementos (806) de antena de transmisión, en donde cada elemento de antena de transmisión está configurado para transmitir una señal (805) de RF basado en una salida de uno de los amplificadores (804) de potencia; y
un descorrelacionador (710, 810) de intermodulación configurado para descorrelacionar los productos de intermodulación de la pluralidad de señales formadas por haces antes de la conversión de la pluralidad de señales formadas por haces de señales lineales a señales no lineales, en donde los productos de intermodulación se descorrelacionan espacial y/o temporalmente añadiendo un ruido de dispersión (dither) en banda, un ruido de dispersión fuera de banda, realizando una reducción del factor de cresta en banda, una reducción del factor de cresta fuera de la banda, o usando modulación delta-sigma.
2. El sistema según la reivindicación 1, en donde los amplificadores de potencia son amplificadores de potencia no lineales, o en donde los amplificadores de potencia son amplificadores de potencia digitales.
3. El sistema según la reivindicación 1, en donde el descorrelacionador de intermodulación está configurado para descorrelacionar el producto de intermodulación de la pluralidad de señales formadas por haces antes de la amplificación de las señales formadas por haces por los amplificadores de potencia, y en donde la primera pluralidad de señales es la pluralidad de señales formadas por haces descorrelacionadas.
4. El sistema según la reivindicación 1, en donde al menos uno de los amplificadores de potencia es un primer amplificador de potencia multipuerto, y en donde una pluralidad de elementos de antena de transmisión recibe salidas del primer amplificador de potencia no lineal multipuerto.
5. El sistema según la reivindicación 1, en donde el descorrelacionador de intermodulación está configurado para difundir uno o más productos de intermodulación de la pluralidad de señales formadas por haces fuera de banda.
6. Un método para mejorar la eficiencia energética de un satélite (20) de comunicaciones que tiene un conjunto de antenas (702) de recepción de RF, un conjunto de antenas (806) de transmisión de RF, una pluralidad de amplificadores (704, 804) de potencia, un descorrelacionador (710, 810) de intermodulación, y un formador de haces (708, 802), el método que comprende:
recibir una pluralidad de señales (703) de entrada a través de las antenas (702) de recepción de RF,
formar haces, usando el formador de haces (708), de la pluralidad de señales de entrada para generar una pluralidad de señales formadas por haces,
descorrelacionar espacial y/o temporalmente, por el descorrelacionador (710, 810) de intermodulación, los productos de intermodulación de la pluralidad de señales formadas por haces en donde la descorrelación se realiza añadiendo un ruido de dispersión en banda, un ruido de dispersión fuera de banda, realizando reducción del factor de cresta en banda, reducción del factor de cresta fuera de banda, o usando modulación delta-sigma,
amplificar, usando los amplificadores (804) de potencia, una pluralidad de señales de transmisión correspondientes a la pluralidad de señales formadas por haces para generar una pluralidad de señales formadas por haces amplificadas; y
transmitir, usando el conjunto de elementos (806) de antena de transmisión, la pluralidad de señales (805) formadas por haces amplificadas.
7. El método según la reivindicación 6, en donde los amplificadores de potencia son amplificadores de potencia no lineales.
8. El método según la reivindicación 6, en donde el satélite comprende además una pluralidad de convertidores de digital a analógico, DAC, el método que comprende además:
convertir, usando los DAC, las señales formadas por haces en señales digitales, y en donde la pluralidad de señales de transmisión corresponde a las señales digitales.
9. El método según la reivindicación 6, en donde amplificar las señales de transmisión incluye convertir las señales de
transmisión de señales lineales a señales no lineales.
10. El método según la reivindicación 6, en donde las señales de transmisión recibidas por el amplificador de potencia corresponden a la pluralidad de señales formadas por haces descorrelacionadas.
11. El método según la reivindicación 6, que comprende además difundir el uno o más productos de intermodulación de la pluralidad de señales formadas por haces fuera de banda.
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