專利名稱：采用兩個(gè)低成本地球同步衛(wèi)星的射頻廣播系統(tǒng)和方法
在過去的幾年中，在美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)以及在國際通信聯(lián)盟(ITU)已經(jīng)有人提出建議，從地球同步衛(wèi)星向移動(dòng)平臺(tái)(如汽車)中以及其它可移動(dòng)的和固定的場(chǎng)合中的接收機(jī)廣播無線電節(jié)目。由于地球同步衛(wèi)星位于距地球表面大約42300公里的近赤道軌道，相對(duì)于地面上的觀察者呈靜止?fàn)顟B(tài)。衛(wèi)星可以觀察到其下的地球表面的大約三分之一，所以無線電廣播亦可覆蓋這反大的區(qū)域，或者利用衛(wèi)星上的方向性天線只覆蓋一個(gè)小區(qū)域如一個(gè)國家由于通常的地面上的AM/FM無線電廣播站只覆蓋很小的區(qū)域所以這種潛在的可提供貫穿美國大陸(或其它國家/地區(qū))的無線電廣播服務(wù)的數(shù)千萬平方公里的覆蓋區(qū)域則為衛(wèi)星無線電廣播的主要特征。
衛(wèi)星無線電廣播無論在移動(dòng)的還是固定地點(diǎn)接收都要使用特殊的接收機(jī)，這是由于技術(shù)措施以及頻率分配/干擾的要求所限。因此，為了建立這樣的系統(tǒng)，已經(jīng)建議使用大約300-3000MHz范圍內(nèi)的UHF頻率。

圖1顯示了典型的衛(wèi)星無線電廣播系統(tǒng)。另外的衛(wèi)星也可以與圖1中的衛(wèi)星共同使用以提供額外的或附加的頻道或二者兼而有之。圖1示出了最重要的傳輸路徑，從衛(wèi)星到移動(dòng)或固定平臺(tái)的路徑。由于移動(dòng)平臺(tái)需要一個(gè)可在所有方位和絕大部分仰角接收衛(wèi)星信號(hào)的天線，所以，移動(dòng)平臺(tái)天線增益必須較低(例如，比較典型的增益為2-4dB)。由于這個(gè)原因，衛(wèi)星必須輻射較大的射頻發(fā)射功率使移動(dòng)平臺(tái)的接收機(jī)可接收適當(dāng)?shù)男盘?hào)電平。
除了衛(wèi)星需要較高功率的發(fā)射機(jī)外，還需要額外的發(fā)射功率，稱為“發(fā)射余量”，以克服多路衰落及簇葉衰減。多路衰落發(fā)生于衛(wèi)星信號(hào)由移動(dòng)平臺(tái)接收機(jī)通過兩個(gè)或更多路徑接收的情形。一條路徑為直接的可視路徑(line-of-sight)或所需路徑。在另一條路徑，衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)首先從地面，建筑物或卡車反射，然后由移動(dòng)平臺(tái)接收機(jī)接收，如圖2所示。這些其它路徑是干擾的，其程度取決反射過程中發(fā)生的損失等因素。
在無線電系統(tǒng)中的用于減小多路衰落的方法有如下幾種1.在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間為所需信號(hào)提供第二條路徑，該路徑在物理上不同于該信號(hào)的第一路徑。這稱為空間分集，并當(dāng)兩路徑之一在任何時(shí)刻被多路衰落強(qiáng)烈影響時(shí)使用;
2.在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間為所需信號(hào)提供第二傳輸頻率，稱為頻率分集，并當(dāng)兩頻率之一在任意時(shí)刻被多路衰落強(qiáng)烈影響時(shí)使用;
3.提供抵抗多路衰落的信號(hào)調(diào)制如展寬頻譜。這種方法當(dāng)由較大的調(diào)制頻率帶寬形成某種抵抗，以及接收機(jī)拒絕不希望的展寬碼形成的某種抵抗時(shí)起作用。
對(duì)于工作于UHF頻率的衛(wèi)星無線電廣播系統(tǒng)來說，用以克服多路衰落或簇葉衰減所需的發(fā)射余量已由專家測(cè)量并保估算，大約在9-12dB的范圍。慶幸的是多路衰落和簇葉衰減很少同時(shí)發(fā)生。但是9-12dB發(fā)射余量意味著衛(wèi)星發(fā)射功率必須在原有最高電平再增加9-12dB。工作于這種功率電平的無線電廣播衛(wèi)星將是非常龐大、復(fù)雜及昂貴的。目前，由于其高成本并沒有此種商業(yè)系統(tǒng)投入使用。
本發(fā)明的系統(tǒng)和方法克服了以上問題，即通過兩個(gè)或三個(gè)分離開一定軌道弧度的地球同步衛(wèi)星源幾乎同時(shí)地發(fā)送相同的無線電廣播信號(hào)以減少多路衰落和簇葉衰減的影響，如圖3所示。
在移動(dòng)的或固定平臺(tái)上的接收機(jī)通過兩個(gè)物理上不同的路徑以空間分集的方式接收兩個(gè)信號(hào)，并選出較強(qiáng)的信號(hào)或?qū)尚盘?hào)相結(jié)合。該信號(hào)可以在相同的頻率上利用抵抗多路干擾的調(diào)制，或在不同的無線電頻率上，利用或不利用抵抗多路干擾的調(diào)制。因?yàn)樵谥币暵窂街袠浠虼厝~絕少在同一時(shí)刻出現(xiàn)于兩個(gè)衛(wèi)星。
在最佳實(shí)施例中，這些系統(tǒng)和方法從地球同步衛(wèi)星提供的無線電廣播只需單一衛(wèi)星所需功率的八分之一或更少。由于衛(wèi)星的成本直接與衛(wèi)星的發(fā)射功率成正比，所以本發(fā)明的無線電廣播系統(tǒng)所使用的衛(wèi)星的成本只是單一衛(wèi)星系統(tǒng)的成本的八分之一或更少。減少了衛(wèi)星質(zhì)量也可以允許使用小容量低成本發(fā)射運(yùn)載工具。既使利用兩個(gè)發(fā)射運(yùn)載工具，本發(fā)明系統(tǒng)的衛(wèi)星部分的成本也只及單一衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)的大約25%。
由于消除了許多障礙損失，本系統(tǒng)基本上改善了接收質(zhì)量。障礙損失發(fā)生在當(dāng)物體如建筑物或山峰處于衛(wèi)星和接收機(jī)之間的可視線路中時(shí)。如圖4所示，障礙損失同時(shí)發(fā)生于兩個(gè)衛(wèi)星路徑。圖4中還示出簇葉信號(hào)衰減被減小了，因?yàn)檫@種衰減產(chǎn)生于部分信號(hào)障礙。
本發(fā)明涉及一種兩個(gè)或更多衛(wèi)星的系統(tǒng)，這些衛(wèi)星在空中大體相同的地球同步軌道的分開的位置運(yùn)行，每個(gè)都最好以300-3000MHz的頻率范圍內(nèi)，基本同時(shí)的向在地球表面或附近的接收機(jī)發(fā)送或中轉(zhuǎn)相同的無線電廣播信號(hào)。衛(wèi)星的空間分離足以減小多路衰落，簇葉衰減或同時(shí)減小。任意兩顆衛(wèi)星之間最好分開大約25°-50°。這些信號(hào)最好為數(shù)字調(diào)制以實(shí)現(xiàn)高保真，但也可以為模擬的。
本發(fā)明系統(tǒng)和方法可參照附圖更好地理解，其中圖1顯示了利用單一衛(wèi)星源的UHF無線電廣播衛(wèi)星系統(tǒng);
圖2顯示了發(fā)生于衛(wèi)星的UHF無線電廣播的多路衰減;
圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明利用兩個(gè)處于大體同一地球同步軌道的空間分離的衛(wèi)星源的UHF射頻廣播系統(tǒng)的實(shí)施例;
圖4顯示了圖3中雙星系統(tǒng)中減少全部或部分障礙損失衰減的情況;
圖5顯示了一個(gè)單一相關(guān)型共頻衛(wèi)星無線電廣播接收機(jī)，與圖3和圖4中所示的雙衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)施例配合使用;
圖6顯示了與圖3和圖4中的雙衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)施例配合使用的一個(gè)雙相關(guān)型共頻衛(wèi)星無線電廣播接收機(jī);
圖7顯示了與圖3和4中的雙衛(wèi)星廣播系統(tǒng)實(shí)施例一起使用的一個(gè)雙頻衛(wèi)星無線電接收機(jī)。
在圖5和圖6中的共頻實(shí)施例中，處于基本上同一地球同步軌道的兩個(gè)衛(wèi)星以基本相同的頻率發(fā)送或中轉(zhuǎn)基本相同的信號(hào)。結(jié)果，接收該無線電信號(hào)的接收機(jī)可以很簡(jiǎn)單且成本低。使用的調(diào)制方法最好抵抗多路干擾并防止造成信號(hào)跳躍的互相自擾。最好使用展寬頻譜調(diào)制(例如，直接順序或頻率跳躍)以實(shí)現(xiàn)碼分多路(CD-MA)。
在移動(dòng)平臺(tái)如車輛中使用的接收機(jī)最好為標(biāo)準(zhǔn)的，單頻道直接順序展寬頻譜檢測(cè)裝置。該裝置可以從系統(tǒng)中任一衛(wèi)星獲得信號(hào)碼。用于兩衛(wèi)星信號(hào)的碼最好相同，這可以通過讓衛(wèi)星接收來自地面的上行站的要傳送到移動(dòng)接收機(jī)的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)。該上行站可以在時(shí)間上延時(shí)兩個(gè)碼之一以允許更快地獲取。在移動(dòng)接收機(jī)中，當(dāng)信號(hào)電平下降一個(gè)低于門限值的固定的預(yù)定的量，如大于2dB的量，碼環(huán)打開，只捕獲任何強(qiáng)于門限值的信號(hào)，如圖5方框圖所示。在圖5中，天線接收來自兩個(gè)衛(wèi)星中每一個(gè)的射頻信號(hào)。信號(hào)由射頻放大器放大。特定的中頻由本機(jī)振蕩器的頻率選擇。由展寬頻譜解調(diào)器在隨機(jī)的基礎(chǔ)上獲取并檢測(cè)兩信號(hào)之一，而另一信號(hào)被忽略。檢測(cè)信號(hào)的信號(hào)電平送至信號(hào)電平存儲(chǔ)器和門限比較器。然后送至音頻放大器和揚(yáng)聲器以便收聽。信號(hào)電平存儲(chǔ)器連續(xù)接收檢測(cè)信號(hào)電平并將其與先前送出的信號(hào)電平值比較。當(dāng)信號(hào)電平的電流值低落于一定的量(即予置門限)展寬頻譜解調(diào)器被強(qiáng)制再獲取信號(hào)，并直至信號(hào)電平大于門限電平值的信號(hào)被再獲得。
另外，移動(dòng)平臺(tái)中的接收機(jī)可具有公共的天線，射頻和中頻(IF)設(shè)備。IF被饋送至兩個(gè)相關(guān)器，每個(gè)稱為一個(gè)獨(dú)立的展寬頻譜碼獲取電路及一個(gè)檢測(cè)電路，如圖6所示。
在圖6中，天線接收來自兩個(gè)衛(wèi)星中每個(gè)的射頻信號(hào)。該信號(hào)由射頻放大器放大。由下行轉(zhuǎn)換器將信號(hào)從射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻(IF)。特定的中頻由本機(jī)振蕩器的頻率選擇，下行轉(zhuǎn)換器輸出由分割器分割成兩份，并送至每個(gè)展寬頻率解調(diào)器獲得并檢測(cè)二信號(hào)之一，這兩信號(hào)或者利用每個(gè)信號(hào)的不同碼序來識(shí)別，也可以利用兩信號(hào)相同碼序間的事先的時(shí)間偏移來識(shí)別。每個(gè)展寬頻譜解調(diào)器將檢測(cè)信號(hào)或者送至幅度傳感開關(guān)(它輸出較強(qiáng)(高電平)的信號(hào)供給放大器和揚(yáng)聲器用于收聽)或者送至相位校正器和加法器(它改變信號(hào)相位使其同相并相加)。相加結(jié)果送至音頻放大器和揚(yáng)聲器用于收聽。另外，相位校正可在展寬頻譜解調(diào)器中實(shí)現(xiàn)。來自衛(wèi)星的信號(hào)碼可基本相同但時(shí)間上有偏移或互相正交。每個(gè)檢測(cè)信號(hào)都是從相關(guān)器中得到的。這些信號(hào)即可單獨(dú)選擇，或相互結(jié)合產(chǎn)生一個(gè)單一的相加的輸出信號(hào)。
接收機(jī)最好以一種或兩種方法輸出信號(hào)。較簡(jiǎn)單的方法比較兩個(gè)衛(wèi)星源的信號(hào)幅度，并選出較強(qiáng)的信號(hào)用于輸出。另外，兩信號(hào)的相位被調(diào)整直至相互一致。然后兩信號(hào)相加產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。該方法避免了將接收機(jī)從一個(gè)信號(hào)切換到另一個(gè)信號(hào)，并當(dāng)兩信號(hào)的傳輸路徑未被影響，或只是部分地受多路衰落或簇葉衰減的影響時(shí)能提供較好質(zhì)量的信號(hào)。前面提到的相位調(diào)整是必要的，因?yàn)楸M管兩衛(wèi)星源基本在同時(shí)發(fā)送基本相同的信號(hào)，但平臺(tái)間通常與每個(gè)衛(wèi)星的距離是不同的，所以到達(dá)移動(dòng)平臺(tái)接收機(jī)的信號(hào)具有不同的相位。
在雙頻實(shí)施例中，兩衛(wèi)星發(fā)送或中轉(zhuǎn)基本相同的廣播信號(hào)，但是以大體不同頻率進(jìn)行。由于可同時(shí)獲得空間分集和頻率分集，所以該實(shí)施例只有較少的多路衰落。該實(shí)施例還允許使用多路抵抗調(diào)制。但是，接收較為復(fù)雜。如圖7所示，這種接收機(jī)包括兩個(gè)下行轉(zhuǎn)換器，中頻放大器和解調(diào)器電路。在圖7中，天線從兩衛(wèi)星中的每一個(gè)接收射頻信號(hào)。信號(hào)由射頻放大器放大。射頻放大器的輸出被分割器分為兩部分并送至每個(gè)下行轉(zhuǎn)換器。由下行轉(zhuǎn)換器將信號(hào)從射頻轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l(IF)。本機(jī)振蕩器設(shè)為適當(dāng)?shù)念l率使信號(hào)頻率F1和F2轉(zhuǎn)換成相同的IF。來自下行變換器的IF送至解調(diào)器。解調(diào)器去掉信號(hào)調(diào)制，并將檢測(cè)的信號(hào)或者送至幅度傳感開關(guān)(它輸出較強(qiáng)(高電平)信號(hào)到音頻放大器和揚(yáng)聲器用于收聽)或者送至相位校正器和加法器(它改變信號(hào)相位使其相同并相加)。相加結(jié)果輸出至音頻放大器及揚(yáng)聲器用于收聽。另外，相位校正也可以在解調(diào)器中完成。
雙頻實(shí)施例可為由圖7所示，也可為在兩信號(hào)頻率間迅速轉(zhuǎn)換型，或可利用數(shù)字信號(hào)處理。來自接收機(jī)的輸出信號(hào)可通過比較兩輸入信號(hào)的幅度來選擇，并利用較強(qiáng)的信號(hào)，或者輸入的信號(hào)可調(diào)整至同一相位并相加以產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。
權(quán)利要求
1.一種在無線電廣播系統(tǒng)中用于減少多路衰落的方法，適用于具有大約300MHz-3000MHz范圍內(nèi)頻率的信號(hào)，包括從運(yùn)行在地球同步軌道上的第一衛(wèi)星源利用展寬頻譜調(diào)制廣播第一信號(hào)；從所述地球同步軌道的第二衛(wèi)星源利用展寬頻譜調(diào)制基本同時(shí)地廣播第二信號(hào)，并具有與第一信號(hào)相同的內(nèi)容和頻率，所述第二衛(wèi)星源相距第一衛(wèi)星源一個(gè)預(yù)定的度數(shù)以降低多路衰落以及減少因第一信號(hào)和第二信號(hào)路徑中的物體造成的信號(hào)衰減；在多個(gè)位于地球表面或附近的固定接收機(jī)和移動(dòng)接收機(jī)處從第一信號(hào)和第二信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法還包括測(cè)量所述第一和第二信號(hào)的強(qiáng)度并從所述第一信號(hào)和第二信號(hào)中選出較強(qiáng)的信號(hào)。
3.權(quán)利要求1的方法，還包括結(jié)合所述第一和第二信號(hào)以形成所述輸出信號(hào)。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述第一和第二信號(hào)被調(diào)制以足以抵抗多路衰落。
5.權(quán)利要求2的方法，其中所述的第一和第二信號(hào)被調(diào)制以足以抵抗多路衰落。
6.權(quán)利要求3的方法，其中所述的第一和第二信號(hào)被調(diào)制以足以抵抗多路衰落。
7.用于減小無線電廣播系統(tǒng)中的衛(wèi)星發(fā)射機(jī)功率的方法，所述系統(tǒng)適于廣播具有約300-3000MHz范圍內(nèi)的頻率的信號(hào)，包括從運(yùn)行在地球同步軌道的第一衛(wèi)星源廣播第一信號(hào);從運(yùn)行在所述地球同步軌道的第二衛(wèi)星源基本同時(shí)地廣播具有與第一信號(hào)基本相同內(nèi)容和頻率的第二信號(hào)，所述第二衛(wèi)星源相距第一衛(wèi)星源一個(gè)預(yù)定的度數(shù)以降低向地球表面或附近的接收機(jī)發(fā)射的第一及第二信號(hào)所需的功率;在位于地球表面或附近的多個(gè)固定的接收機(jī)和多個(gè)移動(dòng)接收機(jī)從所述第一信號(hào)和第二信號(hào)中產(chǎn)生所需的信號(hào)。
8.在無線電廣播系統(tǒng)中用于降低衛(wèi)星發(fā)射機(jī)功率的方法，該系統(tǒng)適于廣播頻率在大約300MHz-3000MHz范圍內(nèi)的無線電信號(hào)，包括從運(yùn)行在地球同步軌道的第一衛(wèi)星源廣播第一信號(hào);從運(yùn)行在所述地球同步軌道的第二衛(wèi)星源基本同時(shí)地廣播與第一信號(hào)內(nèi)容基本相同的第二信號(hào)，第二衛(wèi)星源相距第一衛(wèi)星源一個(gè)預(yù)定的度數(shù)以減少向地面發(fā)射第一及第二信號(hào)所需的功率，所述第二信號(hào)具有與第一信號(hào)不同的頻率;在地球表面或附近的許多固定接收機(jī)和移動(dòng)接收機(jī)處，從第一及第二信號(hào)中產(chǎn)生輸出信號(hào)。
9.在無線電系統(tǒng)中用于改善信號(hào)接收的方法，包括從運(yùn)行在地球同步軌道上的第一衛(wèi)星源廣播頻率在大約300-3000MHz范圍內(nèi)的第一信號(hào);從運(yùn)行在所述地球同步軌道的第二衛(wèi)星源廣播與第一信號(hào)內(nèi)容相同頻率基本相同或不同的第二信號(hào)，所述第二衛(wèi)星源相距第一衛(wèi)星源一個(gè)預(yù)定的度數(shù)以改善在地球表面或附近的多個(gè)固定接收機(jī)及移動(dòng)接收機(jī)對(duì)第一及第二信號(hào)的接收;在所述的多個(gè)固定接收機(jī)和移動(dòng)接收機(jī)處從所述第一及第二信號(hào)中產(chǎn)生輸出信號(hào)。
10.在適于廣播頻率在大約300-3000MHz范圍內(nèi)的無線電廣播系統(tǒng)中用于降低簇葉衰減的方法，包括從運(yùn)行在地球同步軌道的第一衛(wèi)星源廣播頻率在所述范圍內(nèi)的第一信號(hào);從運(yùn)動(dòng)在所述地球同步軌道的第二衛(wèi)星源基本同時(shí)地廣播與第一信號(hào)內(nèi)容相同及頻率基本相同或不同的第二信號(hào)，所述第二衛(wèi)星源相距第一衛(wèi)星源一個(gè)預(yù)定度數(shù)以降低簇葉衰減;在地球表面或附近的多個(gè)固定接收機(jī)或移動(dòng)接收機(jī)處，從第一及第二信號(hào)中產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。
11.適于廣播頻率在300MHz-3000MHz范圍內(nèi)信號(hào)的UHF無線電系統(tǒng)，包括從運(yùn)行在地球同步軌道的第一衛(wèi)星源廣播第一信號(hào)的裝置;從運(yùn)行在所述地球同步軌道的第二衛(wèi)星源廣播第二信號(hào)的裝置，所述第二衛(wèi)星源相距第一衛(wèi)星源一個(gè)預(yù)定度數(shù)以降低多路衰澆及因第一信號(hào)及第二信號(hào)路徑中的物體造成的信號(hào)衰減;在地球表面或附近的多個(gè)接收機(jī)和移動(dòng)接收機(jī)，用于接收第一及第二信號(hào)，并從第一及第二信號(hào)中產(chǎn)生可聽見的聲音。
12.權(quán)利要求11的系統(tǒng)，還包括在所述接收機(jī)中的用于測(cè)量來自第一及第二衛(wèi)星源的信號(hào)的強(qiáng)度的裝置，及從第一及第二信號(hào)選擇較強(qiáng)信號(hào)的裝置。
13.權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其中所述的接收機(jī)包括用于結(jié)合所述第一及第二信號(hào)的裝置。
14.權(quán)利要求11和12或13的系統(tǒng)，還包括用于調(diào)制所述第一及第二信號(hào)以降低多路衰落的裝置。
15.權(quán)利要求11或12或13的系統(tǒng)，其中所述的第二衛(wèi)星源產(chǎn)生與第一信號(hào)不同頻率的第二信號(hào)。
16.權(quán)利要求11或12或13的系統(tǒng)，還包括一個(gè)UHF接收機(jī)，其中包括測(cè)量所述第一及第二信號(hào)強(qiáng)度的裝置，以及從所述第一及第二信號(hào)形成和輸出一個(gè)輸出信號(hào)的裝置。
17.權(quán)利要求11或12或13的系統(tǒng)，其中所述第一衛(wèi)星源包括至少兩個(gè)分離的衛(wèi)星。
18.權(quán)利要求11或12或13或14的系統(tǒng)，其中所述的第二衛(wèi)星源包括至少兩個(gè)分離的衛(wèi)星。
19.權(quán)利要求7或9或10的方法，還包括以極化方式廣播所述第一及第二信號(hào)，其中第一信號(hào)的頻率基本與第二信號(hào)相同。
20.權(quán)利要求11或12或13的方法，其中的廣播裝置以相對(duì)極化廣播所述第一及第二信號(hào)，其中第一信號(hào)的頻率基本與第二信號(hào)相同。
21.權(quán)利要求1-20中的任一種方法，其中所述的預(yù)定度數(shù)在25-50度的范圍內(nèi)。
全文摘要
通過利用兩個(gè)處于同一軌道上的地球同步衛(wèi)星基本上同時(shí)傳輸相同的信號(hào)，從而基本上消除了多路衰落及簇葉衰減，以射頻向地球表面或附近的移動(dòng)接收機(jī)提供了高質(zhì)量的音頻廣播，允許利用低成本的空間區(qū)段。
文檔編號(hào)H04B7/26GK1096910SQ93107630
公開日1994年12月28日 申請(qǐng)日期1993年6月25日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月25日
發(fā)明者羅伯特·D·布里斯克曼 申請(qǐng)人:Cd無線電公司