ITRM940090A1

ITRM940090A1 - Commutatore di canale funzionante nel dominio della frequenza particolarmente idoneo per applicazioni satellitali.

Info

Publication number: ITRM940090A1
Application number: IT000090A
Authority: IT
Inventors: Giuseppe Chiassarini
Original assignee: Space Engineering S R L Ora Space Engineering S P
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 1995-08-22
Also published as: EP0668666A2; EP0668666A3; IT1272177B; ITRM940090A0

Description

COMMUTATORE DI CANALE FUNZIONANTE NEL DOMINIO DELLA FREQUENZA PARTICOLARMENTE IDONEO PER APPLICAZIONI SATELLITALI

L'invenzione presentata riguarda la commutazione di canali di trasmissione nel dominio della frequenza, con l'ausilio di opportuni algoritmi usati nell'elaborazione numerica di segnali.

L'invenzione si applica a tutti quei settori in cui è prevista una unità di commutazione di canali di trasmissione da un insieme di canali di ingresso ad un altro insieme' di canali di uscita. In questi insiemi i canali si distinguono per la banda di frequenza occupata.

L'invenzione è particolarmente utile nei satelliti per comunicazioni, in quanto realizza significative economie di peso e potenza, rispetto alle correnti soluzioni.

La commutazione di canali di comunicazione è una delle più' importanti e avanzate finizioni dei satelliti per telecomunicazioni.

Questa finizione è legata al tipo di copertura adottata: i satelliti attuali sono normalmente costruiti e localizzati in modo da individuare sulla superficie terrestre delle zone in cui è possibile ricevere e/o trasmettere con l'ausilio di appositi terminali . Queste zone sono chiamate aree di copertura e sono definite in relazione alla distribuzione del traffico. Siccome tale distribuzione può cambiare nel tempo secondo esigenze transitorie di traffico o anche secondo l'evoluzione dei servizi, risulta di primaria importanza la capacità del satellite di adattarsi alle varie distribuzioni.

In questa prospettiva il satellite ideale è quello che consente di concentrare le sue risorse laddove di volta in volta si concentra la richiesta di traffico.

La richiesta di traffico si traduce nella richiesta di un certo numero di canali di tr asmissione e, in definitiva, nella richiesta di una certa banda di frequenze che vengono assegnate alla connessione tra una area di copertura ed un'altra area di copertura.

In pratica l'insieme di canali disponibili in trasmissione per ogni area, viene suddiviso a bordo in sottoinsiemi; ognuno di questi è trasmesso ad un' altra area (o anche alla medesima). Prima di essere ritrasmesso, questo sottoinsieme è ricombinato con tutti gli altri sottoinsiemi provenienti da altre aree e destinati alla medesima area.

Questa operazione di scomposizione e ricomposizione di canali, può essere fatta in vari modi ed a vari livelli di trattamento del segnale a bordo del satellite.

II primo livello può essere il segnale a Sequenza intermedia dove si può operare solo con segnali analogici e quindi usare segnali analogici. Questo livello tuttavia presenta in genere un grado di flessibilità cosi basso da non poter propriamente essere chiamato commutazione.

Un secondo livello può essere il segnale associato al singolo canale di ira* emissione: questo caso si riferisce al più' comune concetto di commutazione. Nel terzo livello si aggiunge al secondo la capacità di ricostruire a bordo l'infomiazione che viaggia sul canale di trasmissione, con qualche beneficio sulla ricostruzione a terra di detta informazione. Questo livello di decomposizione fornisce in genere le migliori prestazioni, tuttavia al prezzo di notevoli complicazioni a bordo e/o a terra e di scarsa flessibilità.

Concentriamo ora l'attenzione sul suddetto livello "due" di trattamento del segnale.

A questo riguardo sono state, in passato, proposte soluzioni basate su teoriche per il trattamento numerico dei segnali, atte a ricostruire e commutare il segnale associato a ciascun canale nel dominio del tempo.

Come accennato all'inizio, la soluzione che si va a proporre è quella di ricostruire e commutare il singolo canale nel dominio della fìequenza, in quanto esistono semplici ed efficienti algoritmi per fare questo.

L'idea è derivata dall' elaborazione di talune soluzioni di commutazioni nel dominio del tempo che adottano algoritmi di convoluzione veloce per il filtraggio dei segnali.

Quando un segnale costituito da una portante modulata, è associato al singolo canale (SCPC = Single Channel Per Carrier), le stazioni situate in una singola area di copertura generano un insieme di tali portanti normalmente continue in banda. Questo insieme costituisce, all'ingresso del satellite, un unico segnale nella banda preassegnata; si parla in questo caso di sistema di accesso in divisione di frequenza o FDMA e di segnale FDMA (FDMA = Frequency Division Multiple Access).

Per poter operare la commutazione, questo segnale FDMA è trattato da un banco di filtri atti a selezionare il segnale associato al singolo canale.

Questo segnale viene poi traslato in frequenza, ricombinato con altri, eventualmente provenienti da altre aree ed infine trasmesso all'area di destinazione.

Tutte queste operazioni possono essere realizzate con tecniche di elaborazione numerica, per cui ogni segnale è rappresentato da una sequenza temporale di campioni, con frequenza di campionamento proporzionale alla banda del segnale.

La soluzione proposta è stata presentata come applicazione al caso di canali ad accesso in divisione di frequenza (FDMA), tuttavia, essa è adatta anche ad applicazioni con canali ad accesso in divisione di tempo (TDMA). Questa proprietà è legata direttamente al tipo di processo basato sul trattamento di segmenti di segnale separati e quindi ricombinabili in modi diversi per pacchetti consecutivi.

il più significativo vantaggio dell’invenzione presentata, per la quale si richiede copertura brevettale, è la semplificazione introdotta nella realizzazione di un commutatore di canali, che rende il commutatore più piccolo e ne riduce l'assorbimento di potenza .

L'invenzione presenta i seguenti ulteriori vantaggi:

- un prevalente utilizzo di efficienti tecniche di passaggio di dominio (Fast Fourier Transfonns) largamente studiate e note;

- una estrema flessibilità di commutazione di bande e di trattamento delle medesime;

- la possibilità di prevedere qualunque tipo di servizi, con l'unica limitazione dovuta alla risoluzione del processo di trasformazione in Sequenza;

- una elevata ripetitività delle funzioni con corrispondenti benefici per la strategia di ridondanza.

L'invenzione viene descritta nel seguito, in riferimento ad una versione attualmente preferita dell'Inventore, ed in base alle Figure allegate e riportate a scopo illustrativo e non limitativo:

La Fig. 1 riporta schematicamente il commutatore di canale tradizionale realizzato con tecniche digitali. In essa sono visibili:

0 amplificatore del segnale di ingresso;

1 filtro numerico di canale;

2 declinatore di canale;

3 matrice di commutazione;

4 interpolatore;

5 filtro interpolatore di canale;

6 sommatore di canali.

La Fig. 2 riporta l'esplosione dei blocchi 1 e 5: la "convoluzione veloce", hi essa sono visibili:

7 processore per calcolo di DFT;

8 blocco pesaggio spettrale;

9 processore per calcolo di IDFT

La Fig. 3 riporta il commutatore nel dominio della frequenza. Jn essa sono visibili:

7 processore per calcolo di DFT ;

9 processore per calcolo di IDFT ;

10 matrice di commutazione.

11 satellite è allora costituito dai seguenti blocchi (Fig. 1): un amplificatore del segnale di ingresso 0 proveniente da una certa area di copertura; un filtro numerico di canale 1 per selezionare il canale desiderato; un blocco di decimazione di canale 2, per ridurre la frequenza di campionamento a quella effettiva richiesta; una matrice di commutazione 3 per stabilire il collegamento voluto; un blocco di interpolazione 4 con relativo filtro interpolatore di canale 5; un blocco sommatole di tutti i canali diretti ad una certa area di copertura 6.

Per la realizzazione dei filtri 1 e 5 si può utilizzare una nota ed efficace tecnica chiamata "convoluzione veloce".

La convoluzione veloce, come descritto in Fig. 2, prevede i seguenti passi: trasformazione del segnale di ingresso dal dominio del tempo a quello della frequenza 7 ; selezione del segnale utile che occupa una porzione della banda di frequenza 8; ricostruzione del segnale nel dominio del tempo 9.

Essendo la convoluzione veloce prevista due volle in cascata per il singolo canale, una prima per il filtro 1 ed una seconda per il filtro 5, la soluzione comporta pertanto quattro trasformazioni in cascata.

Notiamo che una implementazione tradizionale quale quella descritta in precedenza prevede per ogni canale una quadrupla trasformazione di dominio: Tempo-Frequenza; Frequenza-Tempo; Tempo-Frequenza; Frequenza-Tempo. L'idea che si propone consiste nel sostituire questa quadrupla trasformazione con una doppia trasformazione: Tempo-Frequenza; Frequenza-Tempo.

L'idea prevede anche l'interposizione tra le due trasformazioni, di un blocco di commutazione di canale 10, generalmente diverso dal blocco 3, che opera non più nel dominio del tempo ma in quello della frequenza.

L’idea dà luogo alla struttura del commutatore di canale, illustrata in Fig. 3, che costituisce l'invenzione in oggetto.

Il primo blocco della struttura, analogo al blocco 7, sopra descritto, è un dispositivo che calcola la trasformata discreta di Fourier (DFT = Discrete Fourier Transfonn) su un segmento temporale del segnale di ingresso. Il blocco è realizzato usando i noti algoritmi di Trasformata Rapida di Fourier (FFT = Fast Fourier Transfonn) e può includere un pesaggio dei campioni del segnale con opportuna finestra temporale.

L'uscita del blocco DFT rappresenta lo spettro campionato di tutto il segnale di ingresso che include i vari canali. I campioni di uno o più' di questi canali sono, dal blocco 10, selezionati, combinati con altri campioni provenienti da altri blocchi 7 in modo da ricostituire una banda completa, infine convogliati verso una delle uscite del blocco 10.

L'ultimo blocco della struttura, analogo al blocco 9 sopra descritto, è un dispositivo che calcola la Trasformata Discreta Fourier Inversa (IDFT = Inverse Discrete Fourier Transfonn) su un segmento temporale del segnale di ingresso. Il blocco è realizzato ancora usando i noti algoritmi di Trasformata Rapida di Fourier (FFT) e può includere un pesaggio dei campioni di uscita con opportuna finestra temporale.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Commutatore di canale, caratterizzato dal fatto di funzionare nel dominio della frequenza, particolarmente idoneo per applicazioni satellitali, essenzialmente costituito da: processori di calcolo (7); una matrice di commutazione (10); processori per calcolo (9).
2. Commutatore di canale, secondo la Rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detti processori (9) sono preferibilmente del tipo FFT (Fast Fourier Transform).
3. Commutatore di canale, secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto che detta matrice è costituita anche da un certo numero di ingressi e di uscite che sono comiessi alTintemo della matrice stessa, in base a comandi preordinati.
4. Commutatore di canale, secondo la Riv. 1, caratterizzata dal fatto che detti processori (7) sono del tipo IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform).
5. Commutatore di canale, secondo la Riv. 1 , caratterizzata dal fatto che il filtro numerico di canale (1) (Fig. 1 - configurazione tradizionale) viene sostituito (Fig. 2) dai seguenti elementi: un processore di calcolo (7) di tipo FFT (Fast Fourier Transform), un pesaggio spettrale (8), un processore per calcolo (9) di tipo IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform).