实施例具体描述
I.环境综述
此项发明是面向增加卫星通信系统中馈线链路容量的系统和方法。网关组
合(多路复用)两个BPSK形成一QPSK信号。最终的QPSK信号，在这里称作
为馈线链路信号，然后用馈线链路把它从网关传输到卫星。卫星分离(多路分
解)馈线链路信号又回到两个BPSK信号，把它们传输到用户终端。因此馈线
链路容量会近似地加倍，这是因为包含两个BPSK信号信息的QPSK馈线链路信
号近似的有单独一个BPSK信号相同的带宽。
图1描述了在其中此项发明有用的卫星通信环境100。在围绕地球104轨
道上的卫星102在用户链路110上与用户终端106进行通信。卫星102也在馈
线链路112上与网关108进行通信。
卫星102最好是简单、低成本的设计为使生产和发射成本最小的卫星。卫
星102最好是在低地球轨道上，这能允许与低功率的用户终端106进行通信(例
如，无线设备如便携式电话)。然而，熟练于此项技术的人都知道在这里所描
述的原理既应用于不同复杂度和轨道的卫星，也应用于各种无线设备。
用户终端106可以表示许多不同的通信设备如无线电话、数据收发信机、
或者寻呼或定位接收机，也可以是所需手提的、移动的、或装配在汽车上的、
或固定电台单元，但并不仅限于此。一般的手提单元在设计上相似于传统的蜂
窝电话。在较佳的实施例中，手提单元可以与地面蜂窝网进行通信也可以与卫
星102进行通信。一般的移动用户终端包括手机和全套汽车工具。汽车工具提
供了电池能源、高射频功率输出和高增益天线。固定电台单元与卫星102进行
通信，但一般不与其它地面蜂窝网进行通信。固定电台单元一般被用来为不是
地面蜂窝或无线网络服务的地区提供服务。它们用主用电源、高射频功率和固
定高增益天线固定安装。
网关108通过卫星102将用户终端106与其他地面通信网络(例如，蜂窝
系统、传统电话网、卫星系统)以及与其他网关联系在一起。例如，网关108
从地面交换设备(没有显示)接收电话呼叫或其他的通信请求(如传真和文本
信息)，并用馈线链路112和用户链路110把这些呼叫传输给适当的用户终端
106。在返回方向上，用户终端106用用户链路110和馈线链路112传输到网
关108。然后网关108连接通信连接或呼叫随后能通过标准电话系统连接其他
所需信号接收器的地面交换设备。连接也可从网关直接建立到地面蜂窝用户或
另一个用户终端106。在较佳实施例中，网关108使用一个或更多抛物面天线
120建立馈线链路112。例如，网关108支持语音通信、寻呼、报文和数据传
输。
馈线链路112表示卫星102与网关108之间的双向通信。在较佳实施例中，
馈线链路包括所有由卫星102所服务的用户终端106和连接到网关108的地面
通信网络之间的通信。馈线链路112也包括其他通信，如遥测和在网关108和
卫星102或用户终端106之间传输的控制指令。
图2A描述了前向馈线链路112(也就是从网关108到卫星102)的较佳频
率特性图。网关108和卫星102之间的通信使用FDMA、CDMA和极化多路复用
方案来有效利用可用带宽。如图2A所示，馈线链路112的频带相应于用户链
路110被分为两个或更多信道202。在较佳实施例中，该频带使用右手旋转极
化(RHCP)被分为八个信道202(I、K、M、O、H、C、G和D)，使用左手旋转
极化(LHCP)被分为八个信道202(L、N、P、J、A、F、E和B)。在典型的系
统设计中，较佳情况放置在5091MHz和5250MHz之间每个信道202覆盖16.5MHz
宽的带宽并以19.38MHz的带宽分隔。馈线链路112也包括在卫星102和网关
108之间传递命令信息的命令信道204。
图2B描述了一举例信道202的较佳频率特性图。如图所示，每个信道由
两个或更多(较佳是13)FDMA子信道204，也可称作为用户链路波束或CDMA
通信系统中的CDMA信道。每个用户链路波束204进一步分为两个或更多用
Walsh码序列执行的正交码信道(较佳地高达128)。例如，用户链路波束204
可以包含128个信号或信号信道，每一个都由不同的用户终端106确定，在这
里每个信号都根据传统的技术由BPSK调制。许多不同种类的信息可在每个CDMA
信道上传输，包括语音和数据，但不仅限于此。
在反向馈线链路112也较佳地使用相似的频率特性图，信道202的间隔是
在6875MHz和7075MHz之间。除此之外，在图2A和图2B描述里的反向馈线链
路112和正向馈线链路112是完全相同的。
用户链路110表示卫星102和卫星服务的用户终端106之间的双向通信。
在较佳实施例中，用户链路110使用空间信道化有效利用可用频谱。空间信道
化可以用来把卫星服务的地面区域分为两个或更多服务区，在这里地面区域被
称作为卫星照射区。空间信道化通过产生波束的不同技术，也就是电磁能的方
向传输是可能的。每个区域形成波束，这样大多数用波束传输的能量覆盖了服
务区的地面。这允许一小组频率在整个照射区上以可知模式再使用。CDMA通信
系统允许相同组的频率用于相邻区域。可以理解的是，相似技术可用来接收在
卫星服务区内用户传输的信号。此外，在这里所述的一般概念也应用于使用另
外不同的增加容量技术的其他实施例。
图3A描述了被分为穿过302P的波束302A的用户链路110的空间信道化，
也可通称作为天线波束配置300A。天线波束结构300A外周长确定了卫星102
服务的地理区域的近似限制。在这个区域内的那些用户终端106是(至少)由
卫星102提供服务的。天线波束配置300A更适宜应用在前向(就是从卫星102
到用户终端106)用户链路110上。在另一个实施例中，每个波束用基本上均
匀的能量传输信号穿过图3中为其所确定的地区，包括地球曲率的适当补偿(也
就是等通量模式)。然而，每个模式最好要考虑穿过每个波束用户终端的任意
不均匀的分布，正如在一般拥有共同待决的美国专利申请序列号09/378562，
在1999年8月19日提出申请的题为《利用宽固定波束和窄可控波束的卫星通
信系统》所描述的，通过引用而加入于此。
图3B描述了另一个可选的天线波束配置300B，它更适宜运用在反向用户
链路110(也就是从用户终端106到卫星102)。比较图3A和3B说明了前向
和反向用户链路的天线波束配置较佳地是不同的。其他可选实施例在两者中用
相同的天线波束配置。
卫星102本质上是作为转发器起作用的，它在馈线链路112上从网关、集
线器、固定或基站108接收信号，再把它们在用户链路110上重新传输到用户
终端106。卫星102把在馈线链路112上的信号多路分解为用于此处的两个或
更多信道202和命令信道204。所有在给定波束302内为那些用户终端106所
确定的通信都在单一信道202上传输。然后个人用户终端106根据熟练于此项
技术的人所熟知的扩展频谱技术在子波束或CDMA信道内选择它们所分配的码
信道。虽然这里没作讨论，但卫星102也作为用反向馈线链路112传递用户链
路110到网关108的转发器起作用的。
卫星102的网络最好配制成有部分交迭的服务地区。正如所知道的，这个
网络能为在大片地理区域上的用户终端提供服务。
在较佳实施例中，在用户链路110上传输的子信道信号或用户链路波束采
取形式：
X*PNI*cos(ωct)+X*PNQ*)sin(ωct)
这里X是分配给特定用户链路波束204的那些用户终端106的二进制数据
调制Walsh码的总和。PNI是同相伪随机噪声(PN)扩展序列，PNQ是正交相位
扩展序列，以及ωc是在其上传输信号的用户链路波束204的中心频率。这些信
号被描述为被BPSK调制，QPSK扩展(BPSK/QPSK)：BPSK调制是因为X代表
相同的信息信号X，它既调制同相也调制正交相位分量；而QPSK扩展是因为信
号使用两个不同的扩展序列(PNI和PNQ)。这又与真正的QPSK调制不同，它仅
有一个信号(X)都激励同相和正交相位分量。
用户终端106检索这个用户链路波束信号，用扩展序列分别扩展同相和正
交相位分量，然后选择它们所分配码信道。这个BPSK/QPSK信号最好在用户链
路110上传输。如以上所提到的，在更新的或下一代的卫星通信系统中增加附
加的用户容量是希望的。这可能需要加上更多的在用户链路上的波束和在馈线
链路上的相应子信道。然而，为了适应现存的系统，调整的频率配置并且再
进一步有需求或愿望要保持在相同的所分配的馈线带宽内。因此，需要一项技
术允许附加的波束在已存在的带宽之内的馈线链路上传输。甚至当附加带宽可
用时，仍可以存在特定的约束而无法接受地限制了可能利用现有方法的波束的
数量。
正如以下所要描述的，根据此项发明，为在馈线链路112上传输BPSK/QPSK
信号被QPSK调制/QPSK扩展信号(QPSK/QPSK信号)替代。结果无需增加需要
的带宽，在馈线链路112上就可以传输两倍多的用户链路信号。因此，馈线链
路112的容量被加倍了。
II.发明综述
图4描述了说明根据此项发明增加馈线链路112容量的较佳方法的流程
图。在步骤402中，两个BPSK信号被一起多路复用产生一QPSK/QPSK馈线链
路信号。这个多路复用操作最好是由网关108来完成的，虽然它也可以在其他
任何想要的地方实现。在步骤404中，QPSK/QPSK馈线链路信号通过馈线链路
112从网关108传输到卫星102。
在步骤406中，卫星102多路分解QPSK/QPSK信号使它回到两个原始的BPSK
信号。在步骤408中，这两个BPSK信号被调制形成BPSK/QPSK用户链路信号。
在步骤410中，用户链路信号通过用户链路110从卫星102传输到用户终端106。
传输QPSK/QPSK信号而不是BPSK/QPSK信号能更有效地加倍馈线链路容量，因
为它们都需要近似相同的带宽，而QPSK/QPSK携带两倍的信息。对于现有的通
信系统设计，容量上的增加将会带来附加于多路分解和再调制QPSK/QPSK馈线
链路信号的卫星102上的附加硬件的开销。
以下部分详细描述这些步骤。
III.产生QPSK/QPSK馈线链路信号
图5描述了更加详细地说明在步骤402中QPSK/QPSK馈线链路信号产生流
程图。结合图6描述这些操作，图6描述了进行多路复用操作的较佳设备，多
路复用器600。多路复用器600包括八个调制器602A、602B、602C、602D、604A、
604B、604C和604D以及两个加法器608A和608B。然而，加法器608A和608B
的功能可以通过单个的逻辑加法元件执行，虽然这样通常是不方便实现的。多
路复用器600接收两个BPSK信号输入，如图6中X和Y所示，并输出一QPSK/QPSK
馈线链路信号612。多路复用器600最好被定位在网关108中，但是熟练于此
项技术的人会知道只要通信路径用网关100建立，这些操作在任何地方都是同
样执行的。
在步骤502中，第一个BPSK信号，如图6中X所示，被同相PN扩展码(PNI)
和载波信号调制产生第一个信号分量606A。调制器602A通过PNI调制X，一般
是通过相乘，而调制器604A通过cos(ωct)调制调制器602A的输出。最终的第
一信号分量可表示为X*PNI*cos(ωct)。
在步骤504中，X被正交相位PN扩展码(PNQ)和正交相位载波信号调制
产生第二个信号分量606B。调制器602B通过PNQ调制X，而调制器604B通过
sin(ωct)调制调制器602B的输出。最终的第二信号分量可表示为
X*PNQ*sin(ωct)。
在步骤506中，第二个BPSK信号，如图6中Y所示，被PNI和正交相位载
波信号调制产生第三个信号分量606C。调制器602C通过PNI调制Y，而调制器
604C通过sin(ωct)调制调制器602C的输出。最终的第三信号分量可表示为
Y*PNQ*sin(ωct)。
在步骤508中，Y被同PNQ和载波信号调制产生第四个信号分量。调制器
602D通过PNQ调制Y，而调制器604D通过cos(ωct)调制调制器602D的输出。
最终的第四信号分量可表示为Y*PNQ*cos(ωct)。
接下来，程序把第一、第二和第三个信号分量(606A、606B、606C)加在
一起并减去或变换符号相加第四个信号分量(606D)。在步骤509中这可以被
考虑为用单个的求和元件，就如在图6中所示的功能组合元件608A和608B来
执行这个求和操作。然而，在较佳实施例中，利用图6中所示的各个求和元件
608A和608B的求和过程被再细分为更小的步骤。这是作为一个范例实现技术
而提出的并且更少的更复杂的或更不复杂的元件可以被用来执行想要的信号
求和或组合操作，对于熟练与此项技术的人这是显而易见的。
在步骤50中，对第二和第三个信号分量606B和606C求和形成第五个信
号分量。加法器608A执行这个求和操作。在步骤512中计算第一(606A)和
第五信号分量的总和与第四信号分量(606D)之间的差别，而结果就是馈线链
路信号。如图6所示，加法器608A执行这个差别操作把第一(606A)、第四
(606D)和第五信号分量求和，而第四信号分量是一个负的输入。
对于熟练于此项技术的人又是懂得的是也可以不离开此项发明的指导使
用其他二个或三个信号的分组和更多或更少的求和或组合逻辑元件，或求和信
号的其他顺序和排列达到信号的期望求和和组合。
最终的馈线链路信号612可以表示为：
(X*PNI-Y*PNQ)cos(ωct)+(X*PNQ+Y*PNI)sin(ωct)
这里X*PNI-Y*PNQ是被称作为馈线链路信号612的同相分量，而X*PNQ+Y*PNI
被称作为馈线链路信号612的正交相位分量。
在较佳实施例中，X代表分配给单个用户链路波束204的那些用户终端106
的二进制数据调制正交Walsh码的总和。然而，在其他可选实施例中，X可以
代表任何任意信号输入。例如，X可以代表一个单独信号或两个或更多信号的
组合。此外，X不只限于数字调制，也可以代表模拟调制或未调制信号。
熟练的技工会知道多路复用器600可以以硬件、软件或两者的结合来实现。
例如，调制器602或604(602A、602B、602C、602D、604A、604B、604C和604D)
可以表示硬件乘法器或同等的相乘两个信号的软件程序。相似地，加法器608
(608A，608B)可以表示硬件加法器或同等的相加两个或更多信号的软件程序。
熟练本领域技术的人也会知道许多种的多路复用器可能有调制器、加法器和其
他功能单元的不同组合，它们组合起来产生馈线链路信号612。如图6所示选
择的多路复用器600的部件主要用于容易解释。
IV.多路分解馈线链路信号
回到图4，在步骤404中，根据传统卫星通信技术把馈线链路信号612从
网关108传输到卫星102。如以上所述，最好在馈线链路112的特定用户链路
波束204上传输馈线链路信号612。
在步骤406中，馈线链路信号612在卫星102中被多路分解，产生在网关
108中被组合形成馈线链路信号612的两个BPSK信号(如图6中的X和Y)。
图7描述了更详细说明步骤406的流程图。结合图8描述这些操作，它描述了
进行多路分解操作的较佳设备转发器800。转发器800包括多路分解器802和
用户链路调制器804，该转发器最好定位于卫星102中。
在步骤702中，馈线链路信号612被解调成同相和正交分量。如图8所示，
多路分解器802包括六个解调器812A、812B、814A、814B、814C和814D，两
个加法器816A和816B，压控振荡器(VCO)806和90度相位移相器808。多路
分解器802从卫星102上的接收天线(没有显示)接收馈线链路信号612，把
它传送给解调器812A和812B。熟练的技工会知道在天线和转发器800之间经
常需要附加的调制级，比如把信号根据所分配的链路频率从一个RF频率转换
成另一个，或从RF下变频到IF频率。在这里不再更进一步地描述和讨论这些
附加级了，因为他们的设计和实现更属于传统技术范畴。
VCO806产生载波信号cos(ωct)，它与用于馈线链路信号612的载波信号
是同相的。因此，多路分解器802最好是采用相干解调。使用传统技术能确保
保持相干性。相位移相器808的输出是正交相位载波信号sin(ωct)。
解调器812A用载波信号解调馈线链路信号612，产生馈线链路信号612的
同相分量X*PNI-Y*PNQ。解调器812B用正交相位载波信号解调馈线链路信号
612，产生馈线链路信号612的正交相位分量X*PNQ+Y*PNI。
在步骤704中，第一个BPSK信号X是通过把与PNI相乘的同相分量和与PNQ
相乘的正交相位分量相加求得的。解调器814A把同相分量与PNI相乘产生
X * PN I 2 - Y * PN I PN Q . ]]>解调器814B把正交相位分量与PNQ相乘产生
X * PN Q 2 + Y * PN I PN Q . ]]>值得注意的是，卫星102必须知道扩展码PNI和PNQ，扩
展码必须和馈线链路信号的码元606同步。加法器816A把解调器814A的输出
和解调器814B的输出累加起来，产生2*X。(记得
PN I 2 = PN Q 2 = 1 ]]>)
在步骤706中，第二个BPSK信号Y是通过得到与PNQ相乘的同相分量和与
PNI相乘的正交相位分量之间的差来求得的。解调器814C把同相分量与PNQ相
乘产生
X * PN I PN Q - Y * PN Q 2 . ]]>解调器814D把正交相位分量与PNI相乘产生
X * PN I PN Q + Y * PN I 2 . ]]>加法器816B把解调器814C的输出和解调器814D的负的
或符号相反的输出累加起来，产生2*Y。
因此，多路分解器802由两个输出2*X和2*Y。
V.用户链路调制
再回到图4，在步骤408中，调制两个BPSK信号产生两个经BPSK调制的、
QPSK扩展的用户链路信号。如图8所示，用户链路调制器804包括八个解调器
822A、822B、822C、822D、824A、824B、824C、824D，两个加法器826A、826B，
一个压控振荡器818和一个90度相位移相器820。
第一个BPSK/QPSK信号832通过解调器822A、822B、824A和824B以及加
法器826A的操作产生。解调器822A用PNQ解调加法器816A的输出2*X，然后
在把其输出在解调器824A中乘以sin(ωct)产生2*X*PNQ sin(ωct)。频率ωc是
当在用户链路110上特定波束内传输适当用户链路波束之时的中心频率(如上
所述)。解调器822B用PNT解调加法器816A的输出，然后在把其输出在解调
器824B中乘以cos(ωct)产生2*X*PNIcos(ωct)。加法器826A把解调器824A的
输出加上解调器824B的输出，产生第一BPSK/QPSK用户链路信号832，给出的
形式是：
2*X*PNIcos(ωct)+2*X*PNQsin(ωct)
值得注意的是，如上所述用户链路信号832在用户链路110上传输有其特
有的形式。
第二个BPSK/QPSK信号834通过解调器822C、822D、824C和824D以及加
法器826B的操作产生。解调器822A用PNQ解调加法器816B的输出2*Y，然后
在把其输出在解调器824C中乘以cos(ωct)产生2*Y*PNQcos(ωct)。解调器822D
通过PNI解调加法器816B的输出，然后再把其输出在解调器824D中乘以
sin(ωct)产生2*Y*PNIsin(ωct)。加法器826B把解调器824C的输出加上解调器
824D的输出，产生第二BPSK/QPSK用户链路信号834，给出的形式是：
2*Y*PNQcos(ωct)+2*Y*PNIsin(ωct)
值得注意的是，如上所述用户链路信号814在用户链路110上传输有其适
当的形式。
回到图4，在步骤410中用户链路信号832和834通过用户链路110传输
到用户终端106。这个传输是根据以上所述的和传统卫星到地面通信技术来完
成的。
VI.结论
在前面提供的较佳实施例的描述以使任何熟练于此项技术的人都能创造
和使用此项发明。当利用涉及它的较佳实施例来特别演示和描述本发明时，对
于那些熟练于此项技术的人知道的是，在那里会有在形式和细节上做出各种的
变化而不离开本发明的精神和范围。