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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Mehrstrahlkommunikationssatelliten, und insbesondere
das flexible dynamische Zuweisen von Leistung an Hochleistungsverstärker, um
variierenden Verkehrsbedingungen Rechnung zu tragen, während die
Verstärker-Effizienz
aufrechterhalten wird.
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Beschreibung
des allgemeinen Standes der Technik
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Viele
moderne Satellitensysteme verwenden mehrere Punktstrahlen, um für Benutzer
Kapazität
zu belegen, die sich in unterschiedlichen geografischen Gebieten
befinden. Beispiele dieser Systeme reichen von Fixed Satellite Services
(FSS), bei denen einige große
Strahlen verwendet werden, um Daten höherer Bandbreite zu verteilen,
bis zu Mobile Satellite Services (MSS), bei denen in Systemen der
nächsten Generation
mehrere hundert Punktstrahlen verwendet werden, um digitale Sprache
und Daten niedriger Geschwindigkeit zwischen mobilen und festen
Benutzern und lokalen Gatewaystationen mit Verbindungen in das öffentlich
vermittelte Telefonnetzwerk (PSTN) zu übertragen.
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Um
einen klaren Empfang an den Empfangsstationen zu gewährleisten,
müssen
die Satelliten die Aufwärts-(Uplink-)Signale
verstärken,
um ein starkes Abwärts-(Downlink-)Signal
bereitzustellen. Die auf einem Satelliten in der Umlaufbahn verfügbare Leistung
ist jedoch durch den Betrag der Leistung begrenzt, die von den Solarkollektoren
des Satelliten erzeugt wird. Bekannte Systeme weisen jedem Kanal einen
festen Energiebetrag zu. Als Ergebnis wird Energie verschwendet,
wenn Verkehr auf dem Kanal schwach ist; und wenn der Verkehr hoch
ist, sättigen die
Verstärker
derart, dass die Verstärkung
unzureichend ist, um einen klaren Empfang zu gewährleisten.
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Crampton
et al., US-Patent Nr. 5,119,042, das auf den Anmelder der vorliegenden
Anmeldung, Hughes Aircraft Company, angemeldet ist, offenbart ein
Verfahren zum dynamischen Einstellen des Arbeitspunktes jedes Verstärkerkanals,
um den Betrieb im linearen Bereich ohne Sättigung aufrechtzuerhalten.
Crampton et al. misst die Energiepegel des empfangenen Uplink-Signals und des verstärkten Ausgangssignals
und stellt den Arbeitspunkt des Verstärkers so ein, dass er in seinem
linearen Bereich arbeitet.
EP
0 431 201 A1 offenbart einen Sender für Hochfrequenz (Radiofrequenz),
der modulierte Signale verstärkt
und sendet, deren Umhüllende
sich stark im Signalpegel bei einer hohen Energieeffizienz ändert.
EP 0 712 214 A2 offenbart
ein Satellitenkommunikations-Energiemanagementsystem, das eine Signalstärke eines
empfangenen Kommunikationssignals erfasst und ein Energieversorgungsausgangssignal
an einen Sender auf dieser Basis einstellt. Alle drei Systeme überwachen
nicht die Energieanforderungen jedes der anderen Kanäle. Sie
weisen auch nicht unbenutzte Energie von einem Kanal einem anderen
Kanal mit höherem
Signalverkehr zu.
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Ein
anderes bekanntes Energiezuweisungssystem benutzt feste Festkörper-Leistungsverstärker in
einer Butler-Matrix-Konfiguration.
Die Butler-Matrix-Konfiguration, die in Sandrin, "The Butler Matrix Transponder", COMSAT Technical
Review, Vol. 4, Nr. 2, Herbst 1974, Seiten 320–321 beschrieben ist, benutzt
zwei komplementäre
Butler-Matrix-Netzwerke. Eines geht dem Verstärkersatz vor, und das andere folgt
diesem. Die Netzwerke verteilen und sammeln jedes Signal an und
von jedem Verstärker.
Diese Konfiguration bietet ein flexibles Aufteilen der Leistung
durch Verteilen der eingehenden Signale innerhalb der Verstärker und
durch Neuverteilen der verstärkten
Signale an ihre jeweiligen Ausgänge.
Indem die Butler-Matrix-Konfiguration verwendet wird, wird eine
optimale Leistung erreicht, wenn die Signalleistung aller Kanäle gleich
ist. Dieses System weist jedoch nicht freie Energie bzw. Leistung
den Kanälen zu,
die stärkeren
Verkehr haben. Das System ist auch nicht dazu gedacht. Vielmehr
verstärkt
Sandrin alle Eingangssignale gleich.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung weist den Hochleistungsverstärkern des
Satelliten dynamisch Energie zu, um eine Verstärkereffizienz aufrechtzuerhalten
und Spitzenverkehrsanforderungen zu erfüllen und den Energieverbrauch
während
Perioden mit geringem Verkehr zu reduzieren. Dies wird durch Überwachen
des Verkehrs auf den Kanälen
und durch Zuweisen der verfügbaren
Leistung basierend auf dem Verkehr erreicht.
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Jeder
Kanal erfasst den Leistungspegel des Downlink-Signals vor der Verstärkung. Die
dem Verstärker
zugeführte
Leistung verfolgt Veränderungen des
Eingangssignals, um Leis tung während
Perioden mit geringem Verkehr zu sparen, und verhindert eine Sättigung
des Verstärkers
während
Spitzenanforderungen. Der Satellit empfängt ein Uplink-Signal und wandelt
es in ein Downlink-Signal um. Ein Detektor erfasst den Energiepegel
des Downlink-Signals, was den Verkehr des Kanals widerspiegelt,
und benutzt den Energiepegel als Referenz für eine Energieversorgung, um
die Versorgungsspannung zu variieren, die dem Verstärker zugeführt wird.
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Der
Verkehr auf mehreren Kanälen
wird überwacht,
und die für
den Satelliten zur Verfügung stehende
Leistung wird jedem Kanal basierend auf den Anforderungen relativ
zu den anderen Kanälen zugewiesen.
Jeder Downlink-Signal-Energiepegel eines Kanals wird erfasst, in
eine Gleichspannung umgewandelt und summiert, um eine summierte
Spannung zu erhalten. Die summierte Spannung wird auf die jeweilige
Gleichspannung jedes Kanals skaliert, um die Energieanforderungen
des Kanals relativ zu den anderen Kanälen zu bestimmen. Entsprechend skalierte
Spannungen werden benutzt, um den Prozentsatz der dem Satelliten
zur Verfügung
stehenden Leistung für
jeweilige Verstärker
zu belegen. Einstellbare Energieversorgungen variieren die Versorgungsspannung,
die den Versorgungsanschlüssen der
jeweiligen Verstärker
zugeführt
wird, entsprechend den jeweiligen skalierten Spannungen. Um Spitzenverkehrsanforderungen
zu genügen,
wird die an Bord zur Verfügung
stehende Leistung den Kanälen
basierend auf ihren relativen Anforderungen zugewiesen. Diese Systeme überwinden
die Nachteile der bekannten Verstärkungssysteme durch Zuweisen
ungenutzter Energie von einem Kanal auf einen anderen, der mit mehr
Verkehr belastet ist. Sie verhindern ebenfalls die Sättigung
während
Perioden mit Spitzenverkehr durch Erweitern des linearen Arbeitsbereichs
der Verstärker
und reduzieren den Energieverbrauch auf Kanälen mit geringem Verkehr.
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Bei
einer Ausführungsform
wird der Energiepegel der Downlink-Signale, die von dem Satelliten
gesendet werden, von einer Bodenstation gesteuert. Befehle werden
von der Bodenstation empfangen, die das Energiezuweisungssystem
anweisen, einen Befehls-Spannungspegel anstelle der summierten Spannung
zu benutzen, die an Bord des Satelliten erzeugt wurde. Diese Konfiguration
ist insbesondere vorteilhaft für
Zeitmultiplex-Matrix-(TDM-)Systeme,
die Eingangssignale basierend auf Zeitschlitzen verteilen. Da der
TDM-Strom an der Bodenstation erzeugt wird, wird der Kanalverkehr
vor dem Senden leicht überwacht.
Befehle, die mit dem TDM-Strom gesendet werden, werden an Bord des Satelliten
benutzt, um höhere
Energie den Kanälen mit
mehr Verkehr zuzuweisen.
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Durch
Benutzen des dynamisch einstellbaren Verstärkungssystems wird Leistung,
die ein wertvolles Gut im Satelliten ist, eingespart, indem das Downlink-Signal
entsprechend dem Verkehr auf dem Kanal verstärkt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Darstellung eines Mehrstrahlkommunikationssatelliten mit mehreren
Punktstrahlen, die zu Benutzern in verschiedenen geografischen Gebieten
rundsenden;
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines Einzelkanalverstärkungssystems
mit einer dynamischen Einstellung der Versorgungsspannung, die dem
Verstärker
zugeführt
wird;
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3 ist
ein Diagramm eines linearen Arbeitsbereichs des Verstärkers entsprechend
der Erfindung;
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4 ist
ein schematisches Diagramm eines Verstärkers mit dynamisch einstellbarer
Leistung und mit auswählbarer
Operatorsteuerung;
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5 ist
ein schematisches Diagramm eines dynamisch einstellbaren Leistungszuweisungssystems,
das eine Vielzahl von Kanälen überwacht
und die Versorgungsspannungen einstellt, die den jeweiligen Verstärkern zugeführt werden;
und
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6 ist
ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur dynamischen Einstellung der
Versorgungsspannungen, die den Verstärkern entsprechend der Erfindung
zugeführt
werden.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit
den begleitenden Zeichnungen, die nicht maßstabsgetreu sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das
dynamisch einstellbare Leistunqszuweisungssystem stellt die Energie,
die dem Hochleistungsverstärker
zugeführt
wird, basierend auf einem Verkehrspegel ein, um den Energieverbrauch
zu reduzieren und Spitzenverkehrsanforderungen zu erfüllen. Für Mehrkanalsysteme
wird der Verkehr auf mehreren Kanälen überwacht, um die verfügbare Systemleistung
zwischen den Kanälen
zuzuweisen. Wenn Verkehr auf einem Kanal ansteigt, wird eine entsprechend
erhöhte
Energie dem Kanal zugewiesen. Bei einer alternativen Ausführungsform
wird die Energie durch Befehle gesteuert, die in einer Bodenstation
erzeugt und von dieser gesendet werden.
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Wie
in 1 gezeigt, empfängt ein Mehrstrahlsatellit 2 Uplink-Signale 4 von
einer einzelnen Bodenstation 6 und sendet diese in diesem
Beispiel in vier geografische Gebiete 8a–8d.
Uplink-Signale für
mehrere Sendekanäle
können
gesendet werden, indem Frequenz-gemultiplexte Träger oder Zeitschlitze verwendet
werden. Um das Kanalziel für
die Frequenz-gemultiplexten Träger
zu bestimmen, wird jeder Kanalempfänger abgestimmt, um auf Signale
innerhalb eines spezifischen Bandes zu antworten. Das Frequenzspektrum
der Empfangsantenne umfasst die Frequenzbänder der Kanäle, die
von dieser Antenne gespeist werden. Das Zeitgemultiplexte Matrix-(TDM-)System
benutzt Signalbündel
innerhalb des Zeitschlitzes. Ein Zeit-gemultiplexter Matrixschalter
an Bord des Satelliten überträgt die empfangenen
Signalbündel
zu ihrem richtigen Ziel, basierend auf dem Zeitschlitz, den es belegt.
Die dynamischen Leistungsverstärkungssysteme
sind für
beide Trägertypen
einsetzbar, da sich eine Erhöhung
des Kanalverkehrs in einer Erhöhung
der Eingangssignalleistungspegel widerspiegelt.
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Der
Informationsbetrag, der in einzelnen Downlink-Strahlen gesendet
wird, variiert mit dem eingehenden Verkehr. Bei einer Lösung, die
im Detail in 2 und 3 dargestellt
ist, werden die Kanäle unabhängig eingestellt,
so dass die Verstärkerleistung
der Uplink-Signalleistung nur auf dessen Kanal folgt. Bei einer
anderen Lösung,
die im Detail in 5 dargestellt ist, folgt die
Leistung des Verstärkers
der Uplink-Signalleistung
in dessen Kanal relativ zu den anderen Kanälen. Um Spitzenkanalanforderungen
zu erfüllen,
wird die verfügbare
Energie von einem Kanal mit geringem Verkehr zu einem Kanal mit
hohem Verkehr verschoben. Wenn die Anzahl der Uplink-Signale 4 innerhalb
der Downlink-Bänder
der Strahlen 10a und 10b hoch bzw. niedrig ist,
wird beispielsweise die zusätzliche
Leistung, die zur Verstärkung
der Downlink-Signale erforderlich ist, die in dem Downlink-Strahl 10a gesendet
werden, vom Downlinkstrahl 10b herübergeschoben. Dies stellt eine ausreichende
Verstärkung
bereit, was zu einer Übertragung
von Signalen führt,
die stark und gut genug von den Empfangsstationen empfangen werden
können,
während
der Systemenergieverbrauch reduziert wird.
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2 ist
ein schematisches Diagramm eines dynamisch einstellbaren Satellitenverstärkungssystems 12 für einen
einzelnen Kanal des Mehrstrahlsatelliten des in 1 gezeigten
Typs. Eine Empfangsantenne 14 empfängt ein Uplink-Signal und speist
es einem Empfänger 16 ein,
der das Uplink-Signal filtert und in ein entsprechendes Downlink-Signal
umwandelt. Eine Abtastvorrichtung 18, wie beispielsweise ein
Richtungskoppler oder ein T-Verbinder, tastet das Downlink-Signal
vor der Verstärkung
durch einen Hochleistungsverstärker 22 ab.
Ein Detektor 24, wie beispielsweise ein Dioden- oder Kristalldetektor,
erfasst das abgetastete Signal und wandelt es in einen entsprechenden
Gleichspannungspegel um, der eine Referenzspannung liefert. Eine
Energieversorgung 28 reguliert den Energiebetrag, der dem
Verstärker 22 zugeführt wird,
indem die Versorgungsspannung Vs variiert
wird, mit der dessen Versorgungsanschluss 30 beaufschlagt
wird, entsprechend der Referenzspannung. Der Leistungsverstärker 22 sollte dazu
bestimmt sein, seine Effizienz über
einen Bereich von Drain-Spannungen und Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten.
Ein Festkörper-Leistungsverstärker mit
dyna misch einstellbaren Arbeitspunkten wird von Crampton et al.
im US-Patent Nr. 5,119,042 beschrieben. Obgleich das Verstärkungssystem
mit Verwendung eines Kopplers beschrieben wird, um das Downlink-Signal
abzutasten, könnte
ein Detektor, der zwischen dem Empfänger 16 und dem Verstärker 22 angeschlossen
ist, den Downlink-Signalspannungspegel direkt erfassen.
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Wenn
sich der Verkehr auf dem Kanal ändert,
stellt das neue Verstärkungssystem
dynamisch die Versorgungsspannung ein, die dem Versorgungsanschluss 30 des
Leistungsverstärkers 22 zugeführt wird. 3 zeigt
den linearen Arbeitsbereich eines Hochleistungsverstärkers 22.
Der Arbeitspunkt des Verstärkers 22 wird
durch Verändern
der Versorgungsspannung Vs verändert, die
dem Verstärker 22 zugeführt wird.
Die Kurve 31 stellt den linearen Arbeitsbereich für eine nominelle
Versorgungsspannung Vs dar, und die Kurve 33 zeigt
den erweiterten Arbeitsbereich des Verstärkers 22, wenn eine
erhöhte
Versorgungsspannung Vs dem Verstärker 22 zugeführt wird,
um eine Sättigung
während
Perioden mit Spitzenverkehr zu verhindern. In gleicher Weise wird während Perioden
mit niedrigem Verkehr der Energieverbrauch reduziert, indem der
Verstärker 22 mit einer
niedrigeren Versorgungsspannung betrieben wird, wie durch Kurve 35 dargestellt.
Wie in 3 gezeigt, wird die Verstärkung des Verstärkers aufrechterhalten,
während
seine Arbeitspunkte verändert werden,
um Variationen im Kanalverkehr zu folgen.
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Wie
in 4 gezeigt, kann das System modifiziert werden,
um entweder auf einen erfassten Energiepegel an Bord des Satelliten
oder eine Referenzspannung anzusprechen, die von einer Bodenstation
bereitgestellt wird, die den zu einem Satelliten übermittelten
Verkehr überwacht.
Die Bodenstation sendet selek tiv Befehle an den Satelliten, um ihn
anzuweisen, die Downlink-Signale
entsprechend der gesendeten Befehlsspannung zu verstärken. Wenn solche
Befehle empfangen werden, schaltet der Schalter 32 die
Befehlsspannung auf die Energieversorgung 28. Andernfalls
wird der Signalspannungspegel, der an Bord des Satelliten erfasst
wird, an die Energieversorgung 28 weitergeführt.
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Das
neue dynamisch einstellbare Verstärkungssystem ist insbesondere
vorteilhaft, wenn Verkehr auf einer Vielzahl von Kanälen überwacht
wird. Durch Überwachen
einer Vielzahl von Kanälen
kann die Energie Kanälen
zugewiesen werden, die starken Verkehr haben, während die Energie für Verstärker von
Kanälen
mit geringerem Verkehr reduziert wird. Durch Benutzen dieses Systems
wird mehr Energie für
Kanäle
verfügbar,
ohne die Gesamtsystemenergieanforderungen zu erhöhen. Tatsächlich wird die zusätzliche
Energie, die von einem Kanal gefordert wird, während Perioden mit erhöhtem Verkehr
von einem Kanal mit geringerem Verkehr geliehen.
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Wie
in 5 und 6 gezeigt, empfangen die Satellitenempfangsantennen 14a und 14b Uplink-Signale,
und die Empfänger 16a und 16b wandeln
diese in entsprechende Downlink-Signale zur Verstärkung und
zum Rundsenden durch die Sendeantennen 34a und 34b um.
Solarkollektoren 36, die in 1 gezeigt
sind, liefern dem Satelliten Energie, wobei ein Teil davon zur Verstärkung der Downlink-Signale
verfügbar
ist. Vor der Verstärkung erfassen
die Detektoren 24a und 24b die Energiepegel des
Downlink-Signals ihres jeweiligen Kanals und wandeln ihn in eine
Gleichspannung um (Schritt 38). Ein Controller 42 weist
die verfügbare
Verstärkungsleistung
den Verstärkern
auf der Basis von relativen Verkehrspegeln auf den Kanälen zu.
In diesem Beispiel umfasst der Controller 42 eine Summier-
oder Integrationsschaltung 44, die die Gleichspannungen summiert,
um eine Summenspannung der überwachten
Kanäle
(Schritt 46) zu erzeugen. Die Gleichspannung jedes Kanals
wird durch die summierte Spannung (Schritt 48) skaliert,
um den Prozentsatz der verfügbaren
Leistung zu bestimmen, die dem Kanal zugewiesen wird. Die skalierten
Spannungen werden als Referenzspannungen benutzt, um die Versorgungsgleichspannung
zu bestimmen, die den Versorgungsanschlüssen 30a und 30b der
entsprechenden Verstärker 22a und 22b zugeführt wird
(Schritt 50). In diesem Beispiel wird das Skalieren durch
Beaufschlagen eines Anschlusses eines variablen Widerstands 52a und 52b mit
der summierten Spannung erreicht, während die erfasste Gleichspannung
dem anderen zugeführt
wird. Der Spannungsabfall an den Widerständen 52a und 52b ist
der Unterschied zwischen der erfassten und der summierten Spannung, oder
eine skalierte Spannung. Die skalierte Bezugsspannung, die den Steuerungsanschlüssen 26a und 26b der
Energieversorgungen 28a und 28b zugeführt wird
(Schritt 55), spiegelt den Energiebedarf für diesen
Kanal basierend auf dessen Verkehr wider. Der Verstärker jedes
Kanals 22a und 22b empfängt eine Versorgungsspannung
Vs, die über
jeweilige Energieversorgungen 28a und 28b zugeführt wird
(Schritte 56 und 58), die ihren Leistungsbedarf
relativ zu dem Leistungsbedarf der anderen Kanäle widerspiegelt. Wenn die
Verkehrspegel der Kanäle
variieren, tut dies auch die Leistungszuweisung zwischen den Kanälen. Ein
Absenken der Leistungszuweisung an einen Verstärker macht tatsächlich mehr
Leistung für Verstärker verfügbar, die
erhöhte
Leistung aufgrund erhöhtem
Verkehr auf diesem Kanal benötigen.
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Der
Verkehr und damit die Leistungsanforderung auf den Kanälen kann
von einer Bodenstation überwacht
und gesteuert werden. Befehle, die von der Bodenstation empfangen
werden (Schritt 60), bringen das System dazu, die empfangene
Referenzspannung anstelle der summierten Spannung zu benutzen, um
die skalierten Referenzspannungen (Schritt 62) zu erzeugen,
die den Steuerungsanschlüssen 26a und 26b der
Energieversorgungen 28a und 28b (Schritt 64)
zugeführt
werden. Ein Schalter 66, der in 4 gezeigt
ist, wird verwendet, um entweder die summierte oder die Referenzspannung
an die Skalierungsvorrichtung zu führen. Die Position des Schalters 66 wird
von Befehlen gesteuert, die von der Bodenstation empfangen werden. Diese
alternative Ausführungsform
ist insbesondere für
Satelliten geeignet, die eine Zeit-Multiplex-Matrix verwenden. Eine
Matrix verteilt Information innerhalb jedes Zeitschlitzes auf seinen
entsprechenden Kanal zur Verstärkung
und zum Rundsenden. Da der [Informations-] Strom von einer einzelnen
Bodenstation gesendet wird, kann der Verkehr leicht überwacht werden.
Befehle entsprechend dem Gesamtverkehr werden mit dem Strom gesendet
und leiten das neue Verstärkungssystem
an, die Versorgungsspannung auf mehreren Kanälen entsprechend den Befehlen im
Strom zu variieren.
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Ein
Vorteil der Benutzung eines dynamisch einstellbaren Leistungszuweisungssystems
besteht darin, dass es jedem Kanal Leistung bzw. Energie zuweist,
relativ zu dem Verkehr auf dem Kanal und dem Bedarf auf anderen
Kanälen.
Das neue System stellt ebenfalls ein Verfahren zum Steuern der Leistungszuweisung
vom Boden bereit, um zu ermöglichen, dass
die begrenzte Satellitenleistung effizient von Kanälen mit
wenig Verkehr auf Kanäle
mit viel Verkehr verschoben wird. Das Zuweisen von Ener gie auf die
Kanäle,
die viel Verkehr haben, führt
zu verbessertem Empfang der Downlink-Signale an den Bodenstationen
und reduziert den Leistungsverbrauch während Perioden mit geringem
Verkehr.
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Obgleich
das dynamische Energiezuweisungssystem unter Einsatz eines Festkörperverstärkers beschrieben
wurde, ist es auf andere Verstärkungsvorrichtungen
anwendbar, wie beispielsweise Wanderwellenröhren-(TWT-)Verstärker. Um
dieses System für
TWT-Verstärker
zu implementieren, erfordert jedoch der TWT-Verstärker eine zusätzliche Steuerungsanode,
um den Kathodenstrom einzustellen. Alternative Ausführungsformen
ergeben sich für den
Fachmann.